一种基于传统工艺的晶硅电池提效方案研究
提高晶硅电池组件光伏发电效率的方法与装置[发明专利]
专利名称:提高晶硅电池组件光伏发电效率的方法与装置专利类型:发明专利
发明人:陈孚江,邱伶艳,王金良,赵鹏程,孙维栋
申请号:CN201410010511.1
申请日:20140109
公开号:CN103762939A
公开日:
20140430
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明提供了一种提高晶硅电池组件光伏发电效率的方法与装置,利用半导体温差发电系统吸收晶硅电池组件工作时背面产生的废热产生电能,直接或并入电网供用电设备使用,包括晶硅太阳能电池组件、导热片、半导体温差发电组件、散热片组、风扇、蓄电池、导线,这种提高晶硅电池组件光伏发电效率的方法与装置能有效移除晶硅太阳能电池组件在高太阳辐射地区应用时背面产生的废热,提高晶硅电池组件的光电转化效率,实现废热发电利用,减少空气污染,具有节能环保功能。
申请人:常州大学
地址:213164 江苏省常州市武进区滆湖路1号
国籍:CN
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一种能够提高晶硅太阳能电池转换效率的方法[发明专利]
(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.02.19C N 103594548A (21)申请号 201310234487.5(22)申请日 2013.06.14H01L 31/18(2006.01)(71)申请人横店集团东磁股份有限公司地址322118 浙江省金华市东阳市横店工业区(72)发明人陈金灯 董方 吕绍杰(74)专利代理机构杭州杭诚专利事务所有限公司 33109代理人尉伟敏(54)发明名称一种能够提高晶硅太阳能电池转换效率的方法(57)摘要本发明公开了一种能够提高晶硅太阳能电池转换效率的方法,包括以下步骤:(1)对硅片制绒,扩散制PN 结,刻蚀清洗,PECVD 镀减反射膜;(2)在减反射膜中进行稀土离子注入;(3)注入完成后,将硅片在氮气气氛的高温炉里退火,取出冷却至室温;(4)最后对硅片丝网印刷制电极,烧结形成具有光波转换特性的成品晶硅太阳能电池。
本发明在减反射薄膜上利用离子注入技术对其掺杂稀土离子,使其具备光转换特性,提高了晶硅太阳能电池在高能量紫外区域光子利用率,从而提高了电池转换效率;工艺简单易行,能够与现有的电池片制造工序相衔接,不需要对现有设备进行改造,节约成本,离子注入技术容易实现量产,可行性好。
(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书3页 附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书3页 附图2页(10)申请公布号CN 103594548 A1/1页1.一种能够提高晶硅太阳能电池转换效率的方法,其特征在于:包括以下步骤:(1)对硅片制绒,扩散制PN 结,刻蚀清洗,PECVD 镀减反射膜;(2)在减反射膜中进行稀土离子注入,注入稀土离子的参数为:注入能量70-100KeV ,注入剂量为1×1015-2×1015cm -2;(3)注入完成后,将硅片放在800-1000℃,氮气气氛的高温炉里退火30-60 min ,取出冷却至室温;(4)最后对硅片丝网印刷制电极,烧结形成具有光波转换特性的成品晶硅太阳能电池。
硅基太阳能电池性能提升与制备工艺研究
硅基太阳能电池性能提升与制备工艺研究近年来,全球对可再生能源的需求不断增加,太阳能作为最具潜力的能源之一,备受关注。
硅基太阳能电池作为最常用的太阳能电池之一,其性能提升和制备工艺的研究一直以来都是该领域的热点问题。
本文旨在探讨硅基太阳能电池性能提升的方法和制备工艺的研究进展。
首先,对硅基太阳能电池性能提升的方法进行分析。
目前,研究者们采取了多种方法来提高硅基太阳能电池的转换效率。
一种常见的方法是改善光电转换效率。
通过优化材料结构和电极设计,可以提高光的吸收和光电子的收集效率。
例如,引入纳米结构,如纳米柱、纳米线等,可以增强材料对光的吸收,并提高载流子的运动性能。
另外,使用针对不同波长的光谱进行选择性吸收,也可提高光电转换效率。
此外,通过改善电池的光电化学特性,如减小电池内电荷复合的损失、提高电荷注入/提取速率等,也可提高硅基太阳能电池的性能。
其次,硅基太阳能电池的制备工艺是影响性能的关键。
在硅基太阳能电池制备过程中,先进的制备工艺对于提高电池的效率至关重要。
一种常见的制备工艺是化学气相沉积(CVD)。
通过CVD方法可以在硅基衬底上沉积出薄膜,并通过调控沉积参数对薄膜的结构和光学特性进行优化。
另外,以晶体硅为基底的单晶硅太阳能电池制备中,常用的工艺包括切割,蚀刻和腐蚀等步骤来提高电池效率。
此外,还有一些新兴的制备工艺也在不断涌现,如溅射、激光分离等,这些技术具有更高的加工效率和制备精度,并且可以降低生产成本。
同时,硅基太阳能电池的材料研究也是提高性能的关键。
除了硅本身,衬底、透明导电层、填料层等材料的选择和优化也对电池的性能产生重要影响。
例如,引入光学反射层和表面纳米结构可以增加光的折射和散射,从而提高光的传播和吸收效率。
同时,选择具有良好导电性和透明性的衬底和透明导电层,可改善电池的电子传输效率。
填料层的优化也可提高边界表面的能带结构和载流子传输效率。
因此,材料研究对于硅基太阳能电池性能提升起着重要作用。
提高硅晶体电池片转换效率的方法[发明专利]
专利名称:提高硅晶体电池片转换效率的方法专利类型:发明专利
发明人:刘振淮,熊震,付少永,张驰
申请号:CN201210141799.7
申请日:20120508
公开号:CN102709181A
公开日:
20121003
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明涉及一种提高硅晶体电池片转换效率的方法:硅片在正式制备电池前进行如下的热处理;在氮气、氩气、氦气的一种或几种惰性混合气体气氛中,将硅片以20~200℃/s的速率快速加热至900℃以上,热处理1s~30min,然后以30℃~80℃/s的速率冷却至室温,将硅晶体中沉淀铁转换为间隙铁;将上述热处理后的硅片制备电池片。
本发明的有益效果是:在硅片处理阶段通过快速的热处理工艺,将硅片中10%~80%的沉淀铁转换成间隙铁,沉淀铁的含量得到了大幅度的降低,处理后的硅片制备成电池片后,电池片的效率的绝对值提高了0.5%~2%。
申请人:常州天合光能有限公司
地址:213031 江苏省常州市新北区电子产业园天合路2号
国籍:CN
代理机构:常州市维益专利事务所
代理人:王凌霄
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基于硅材料的功率兼顾型锂离子电池的优化设计
基于硅材料的功率兼顾型锂离子电池的优化设计摘要:随着移动设备、电动汽车和储能技术的迅猛发展,锂离子电池作为一种重要的能量存储装置,在能量密度、循环寿命和安全性方面面临着挑战。
本文旨在探讨基于硅材料的功率兼顾型锂离子电池的优化设计,通过改善硅材料的性能和结构设计来提高功率能力和循环寿命。
首先,介绍了硅材料的优势和挑战,然后阐述了硅材料在锂离子电池中的应用。
接下来,讨论了提高硅负极的循环稳定性和电化学性能的关键方法,并探讨了硅负极与其他材料的复合结构设计策略。
最后,展望了硅材料在未来功率兼顾型锂离子电池中的应用前景。
1. 硅材料的优势和挑战硅材料由于其丰富的资源、高容量和良好的导电性能,成为了锂离子电池领域的研究热点。
与传统的石墨负极相比,硅负极具有更高的理论比容量(4200mAh/g),从而极大地提高了锂离子电池的能量密度。
然而,硅负极也面临着严峻的挑战,如体积膨胀、容量衰减和可充放电循环稳定性不足等。
2. 硅材料在锂离子电池中的应用硅材料主要应用于锂离子电池的负极。
通过将硅材料作为负极材料,可以显著提高电池的能量密度。
硅材料在锂离子电池中通过嵌入/脱嵌反应来储存和释放锂离子。
然而,硅材料的体积膨胀和收缩在循环过程中会导致其结构破坏和容量衰减,从而影响电池的性能和寿命。
3. 提高硅负极的循环稳定性和电化学性能的关键方法为了解决硅负极的循环稳定性和容量衰减等问题,研究人员提出了许多关键方法。
首先,纳米结构可以有效减缓硅材料的体积膨胀,并提高其循环稳定性。
将硅材料制备成纳米颗粒或纳米线的形式,可以增加材料的表面积,并提供更多的锂离子嵌入位置。
其次,合理的电解液设计可以提高硅负极的电化学性能和循环寿命。
通过添加添加剂或设计新型电解液,可以减少固液界面反应和电解液分解,从而改善电池的稳定性。
此外,通过表面修饰等手段,也可以提高硅材料的电化学性能和稳定性。
4. 硅负极与其他材料的复合结构设计策略除了单一硅材料的改进外,将硅材料与其他材料的复合结构设计也是提高功率兼顾型锂离子电池性能的重要策略。
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• 94•一种基于传统工艺的晶硅电池提效方案研究国家电投集团西安太阳能电力有限公司 刘军保 李跃恒从扩散、烧结和丝网印刷图形三方面对晶硅电池的电性能参数的影响进行研究,通过实验分析得出提升晶硅电池效率的工艺方向。
通过栅线图形线宽不细化来避免印刷质量问题的困扰,最终通过优化扩散和烧结工艺匹配网版图形密化设计的工艺方案制备具有低表面浓度和高印刷质量的晶体硅光伏电池。
在标准测试条件下测试,该方案制备的晶硅电池片开路电压Uoc 和短路电流Isc 分别获得了1mV 和50mA 的提升,光伏电池的效率提升0.15%以上。
引言:随着无网结和二次印刷等网版印刷技术的推广应用,栅线进一步细化的空间已经越来越小,对电池片印刷质量的要求也在不断的提高,在这种情况下,通过栅线细化提升晶硅电池的转换效率会越来越困难,本文通过对电池端的工艺进行分析,在栅线宽度不变的前提下,确定了一套涉及扩散、丝网印刷和烧结工艺的前后匹配方案,并通过实验验证确定,最终获得了晶硅电池转换效率的提升,为以后进行相关的试验和实际应用提供一些参考。
晶硅太阳能电池通过丝网印刷技术在电池的正面印刷丝网图形,印刷技术已经非常成熟。
通过对丝网印刷图形,包括对细栅线和主栅线的优化,以提高电池效率、降低成本,是最终实现平价上网的重要方式。
丝网印刷技术已经非常成熟,特别是随着无网结网版技术的发展。
虽然网版图形的栅线细化已经走在前面,但正电极银浆的印刷质量限制着印刷图形的继续细化。
正电极银浆的开发需要时间,从实验室研发到量产的时间段,决定了正电极银浆对栅线细化的贡献是台阶式进步的。
然而,光伏太阳能的市场的总是倒逼着电池技术的不断进步,这也是光伏太阳能走上成熟的过程。
电池技术停滞不前,以后的日子将会越来越难过。
PN 结形成以后,载流子传输到电池表面,再横向传输到正面栅线的过程,也是一个载流子复合的过程。
硅晶体的禁带宽度Eg 为1.2eV ,载流子的寿命是有限的,载流子一边扩散、一边复合所能够走过的平均距离即为扩散长度,扩散长度越大,太阳能电池的量子效率和转换效率也就越高,它是反映半导体材料质量很重要的一个参数。
硅晶体的禁带宽度是固定的,而从电池片表面传输到正面栅线的过程是载流子从电池片到外部输出的最后一站,降低这一段的载流子复合是提高电池效率的重要手段。
降低这一段的复合,我们确定了两个方向,一个是降低电池片表面的掺杂浓度,也即需要改变扩散过程中的工艺参数;另一个是降低这一段的传输距离,这需要对正面栅线图形进行改变,也即增加细栅线的根数。
今后,在如何开发新技术以得到低价格、高效率的晶硅太阳能电池,早日实现绿色能源的普及,晶硅太阳能电池的工艺优化等方面还有许多工作可做。
1.实验方案设计1.1 扩散工艺优化扩散层结深和浓度是影响电池核心部件PN 结质量的决定性因素,一个适合实际电池生产需求的扩散工艺需要恰当的扩散结深和浓度,表面杂质浓度过高会导致扩散区能带收缩、缺陷增加、“死层”明显,低掺杂虽然死层小,但会导致表面接触变差,引起串联电阻增加。
顾此失彼,都无法获得最佳的电池转换效率。
为了确定合适的扩散工艺。
本文选择不改变通入三氯氧磷的流量及时间,即不改变扩散的总掺杂量的情况下,通过改变有氧高温推进的温度和时间,实现对扩散表面浓度和结深的调整,提升方块电阻,获得如图1中实线2的ECV曲线效果图,最终实现电性能参数的提升。
图1 扩散优化预期ECV曲线效果图1.2 印刷图形优化丝网印刷正面栅线起到与硅形成良好的欧姆接触,收集电子、空穴并导出到外电路的作用,所以为了提高欧姆接触和电子传输能力,需要进行必要的栅线细化和根数增加,也即金属化栅线的细化和密化,在减小栅线宽度的同时增加栅线横截面积,降低正面栅线遮光面积和提升正面银浆接触性能。
然而随着无网结和二次印刷等网版印刷技术的应用,栅线进一步变细的空间已经越来越小,图2为ITRPV2017年对于正面栅线宽度的细化趋势预测,从中可以看出,栅线的细化趋势会变缓,细化的幅度会变小,因此本实验在保持栅线宽度不变的前提下,通过增加栅线的根数提高电流收集能力,提高金属化栅线接触横截面积,最终实现电性能参数的提升。
1.3 烧结工艺优化烧结的目的是干燥硅片上的浆料,燃尽浆料的有机组分,使浆• 95•料和硅片形成良好的欧姆接触。
虽然高温在晶硅电池的制作过程中普遍存在,但在烧结工序,在极短时间内使硅片达到共晶温度,才能减少高温对硅片的损伤。
满足烧结需求的情况下,为了提升晶硅电池的转换效率,需要尽量降低高温对晶硅电池的损伤。
所以本实验通过降低烧结炉的最高温度,增加烧结炉的带速,因此需要使用更低软化温度的正银浆料,对比不同软化温度正银对Rs和Eff的影响,本实验在保持良好欧姆接触的同时,通过减少硅片在高温中的时间,最终实现电性能参数的提升。
2.实验过程验证2.1 实验准备采用P型单晶硅片作为衬底,面积为156.75 mmX156 .75mm,厚度为200±20nm,使用Tempress扩散和ASYS印刷设备。
2.2 实验方法采用匹配叠加实验方案,即通过增加丝网印刷网版图形的细栅线根数,同步调整烧结炉的烧结温度和时间,通过精确对比确定印刷图形和烧结炉的参数优化幅度;在确定后道工序参数的基础下,以相同方式匹配叠加扩散优化工艺。
扩散优化工艺是在不改变通入磷源总量的情况下,通过改变低温、高温推进的时间和温度,提高方块电阻。
2.3 实验数据以下数据是持续精确对比试验中的代表性数据。
表1的对比数据中,实验组-A组是采用网版图形和烧结优化后工艺的电性能参数,对比组-B组是采用网版图形和烧结优化前工艺的电性能参数。
表1 印刷烧结优化实验类型Uoc/mV Lsc/mA Rs/mΩFF/%Ncell/%实验组-A组0.729-0.20.170.11%实验组-B组00000表2的对比数据中,实验组-A组是采用扩散、网版图形和烧结优化后工艺的电性能参数,对比组-B组是采用扩散、网版图形和烧结优化前工艺的电性能参数。
表2 印刷烧结扩散优化实验类型Uoc/mV Lsc/mA Rs/mΩFF/%Ncell/%实验组-A组 1.22500.070.16%实验组-B组000002.4 实验结果通过后道工序的优化,实现效率提升0.1%以上,叠加前道扩散工艺的优化,累计实现0.15%的效率提升。
效率提升主要来源于开路电压和短路电流的提升,电性能参数的变化符合实验的预期。
3.结论本文从影响晶体硅电池转换效率的主要因素进行研究,分别从扩散、烧结和丝网印刷图形三方面着手。
通过扩散和烧结工艺与丝网印刷网版图形的优化搭配,分析得出一种提升晶体硅太阳能电池的工艺方案。
实验表明通过优化扩散和烧结工艺匹配网版图形密化设计的工艺方案,制备的具有低表面浓度和高印刷质量的晶体硅光伏电池, 开路电压Uoc和短路电流Isc分别获得了1mV和50mA的提升,光伏电池的效率提升0.15%以上,目前该方式制备的电池从生产可靠性、成本和效率方面都具备优势。
(上接第93页)分析近年来的失效案例不难看出,工艺规范规定的镜检方式仅能覆盖常规产品,并不适用于所有产品,应根据产品个体的特点制定工艺检测方案。
例如,某嵌入式封帽结构的产品,对接触面平整度要求较高,封帽环边缘被沾污导致螺钉封帽后盖板一角倾斜,安装不到位。
而工艺规范中“盖板与管壳装配后的间隙不得超过0.15mm,检验时采用0.15mm的塞尺进行验证,以不能通过间隙为合格”的要求只适用于盖板平放于管壳台阶上的产品,对于此类嵌入式封帽结构的产品,根本无法实施,工艺检测要求形同虚设。
其次,设定产品工艺流程时,应根据产品的工艺加工特点设置检测环节。
如某产品采取基板套孔手工烧焊入壳,由于手工操作的质量一致性主要依赖于操作者自身技能的稳定性,因此手工烧焊时个别操作人员因按压不当导致产品引出端与管壳之间有焊膏溢出造成短路。
由于该产品的流程中未设置入壳后的短路测试步骤,而设置的人工镜检环节并无法有效识别和发现,最终产品在流出工艺线后问题才得以暴露。
诚然,产品的质量是生产出来的,而不是靠检验而来。
但工艺检测手段的有效性却直接关乎最终成品质量及企业的质量声誉,一旦失控就会错失及早发现并纠正剔除的机会。
4.剥离试验线,落实职责设立试验工厂或线体在各大型装配工厂中已成为标准模式,他们通常采用相同的工具、模具、成形设备、测量设备以及工艺方法,在实际批量生产前进行试生产并进行方案复验、纠偏。
对于多品种共线的生产线,尤其需要推行从批产生产线中剥离出试验线这一模式。
但需注意的是,试验线的操作工人技能水平应能代表整个生产线的平均操作水平,切忌集结各工序操作技能高超的操作工人,否则就会出现试验过程问题无一显现,到了批产阶段问题层出不穷的局面。
有些企业虽剥离了试验线,但未能将试验线的职责落实到位。
试验线除了加工试验产品外,还有一个更重要的职责就是将试生产过程中发现的各类问题提炼出来,包括工艺方案可行性、可操作性、夹具模板适用性、文件的可指导性、工艺细节、风险预估及对策等等,批产前进行逐一检查落实和固化,可考虑与生产前的状态检查合并开展,这样才能真正向防错提效的目标迈进。
5.结论开展生产过程中的防错提效工作对产品实物质量和管理水平的稳定和提升起着至关重要的作用。
但是,企业如何结合自身特点,找到防错提效的着力点,开展技术攻关和管理改进,使其真正成为自己系统性的PDCA管理方法,是需要在实践中不断探索、积累和深化应用的。
在面对更为复杂的生产环境时,采取的管控方案应因地制宜、因时制宜。
并且,在评估一项防错提效工作的改进效果时,不应仅关注单个工序、单个措施的效果,更应重点关注其对整个生产线的作用力以及对其他工序的副作用。
作者简介:邹佳(1978-),女,汉族,国家注册质量师,工程师,从事生产过程的质量管理工作。