光伏行业基础知识(硅片、电池、组件)

硅片
杂质元素浓度对电池转换效率的影响
产业链各环节介绍
（二）电池
电池
晶体硅太阳电池
单晶硅太阳电池
多晶硅太阳电池
多晶硅太阳电池与单晶硅太阳电池的最大差别在于硅片，多晶 硅片是许多硅晶粒的集合体
电池
晶体硅太阳电池结构
正面电极 减反射膜 n 型硅 p 型硅 背面电极
正面和背面的金属电极用来收集光激发的自由电子和空穴，对外输出电流； 减反射薄膜的作用是减小入射太阳光的反射率；pn结的作用是将光激发的 自由电子输送给n型硅，将自由空穴输送给p型硅。
硅片 热交换法与布里曼法结合示意图 ( 坩埚移动)

下图为一个热交换法与布里曼法相结合的结晶炉示意 图。图中，工作台通冷却水，上置一个热开关，坩埚 则位于热开关上。硅料熔融时，热开关关闭，结晶时 打开，将坩埚底部的热量通过工作台内的冷却水带走， 形成温度梯度。同时坩埚工作台缓慢下降，使凝固好 的硅锭离开加热区，维持固液界面有一个比较稳定的 温度梯度，在这个过程中，要求工作台下降非常平稳， 以保证获得平面前沿定向凝固。
硅片 铸造法硅锭炉示意图
硅片 热交换法及布里曼法

热交换法及布里曼法都是把熔化及凝固置于同 一坩埚中（ 避免了二次污染），其中热交换法 是将硅料在坩埚中熔化后，在坩埚底部通冷却 水或冷气体，在底部进行热量交换，形成温度 梯度，促使晶体定向生长。下图为一个使用热 交换法的结晶。炉示意图该炉型采用顶底加热， 在熔化过程中，底部用一个可移动的热开关绝 热，结晶时则将它移开以便将坩埚底部的热量 通过冷却台带走，从而形成温度梯度。
硅片 单晶硅硅片
硅片 多晶硅硅片
硅片


外观区别 多晶硅硅片相对于单晶硅硅片，有明显 的多晶特性，表面有一个个晶粒形状， 而单晶硅硅片表面颜色一致。 单晶硅硅片因为使用硅棒原因，四角有 圆形大倒角，而多晶硅硅片一般采用小 倒角。
硅片 生产方法
单晶硅硅棒
CZ法 FZ法
多晶硅硅锭
硅片 区熔法生产单晶示意图
硅片
浇铸

浇铸法将熔炼及凝固分开，熔炼在一个石英砂 炉衬的感应炉中进行，熔融的硅液浇入一个石 墨模型中，石墨模型置于一个升降台上，周围 用电阻加热，然后以1mm/min的速度下降。其 特点是熔化和结晶在两个不同的坩埚中进行， 这种生产方法可以实现半连续化生产，其熔化、 结晶、冷却分别位于不同的地方，可以有效提 高生产效率，降低能源消耗。缺点是因为熔融 和结晶使用不同的坩埚，会导致二次污染，此 外因为有坩埚翻转机构及引锭机构，使得其结 构相对较复杂。
硅片
单晶和多晶硅锭的生长方法比较

总体来说，单晶和多晶硅锭的生长方法 各有所长，单晶的转换效率高，但产能 低、能耗大；多晶的转换效率相对较低， 但能耗低、产能大，适合于规模化生产。 单晶的FZ及CZ方法与多晶定向凝固生长 方法的比较如下表所示。
硅片 单晶和多晶硅锭的生长方法比较
硅片 多晶硅硅片加工工艺流程
主要内容
光伏产品的应用
光伏产业链的介绍 产业链各环节介绍
光伏产品的应用
什么是光伏？

1839年，法国Becqueral第一次发现，在光照条件下， 某些系统的两端具有电压，用导线将两端连接起来后， 有电流输出，这就是光生伏特效应（photovoltaics， 简称PV）。
1954年,贝尔实验室Chapin等人开发出效率为6％的单 晶硅太阳电池，现代硅太阳电池时代从此开始。
光伏产业链的介绍
光伏产业链
中国的光伏行业产业链
中国的光伏行业产业链
产业链各环节介绍
（一）硅片
硅片 硅材料
硅片 多晶硅硅锭
硅片
单晶硅硅棒
硅片


目前晶体硅太阳电池硅片分为单晶硅硅 片和多晶硅硅片。 单晶硅主要是125×125mm。 多晶硅主要是125×125mm和 156×156mm两种规格。
硅片
HEM + Bridgeman 法示意图( 热源 及保温框移动)
硅片
电磁铸锭法

这种方法的特点是不使用坩埚，硅料通 过加料装置进入加热区，通过感应加热 使硅料熔融，当硅液向下移离开加热区 后，结晶生长，如此通过不断加料，不 断将结晶好的硅锭往下移，就可以实现 连续生长，锭子高度可达1～2m 。但用 这种方法生产的硅锭晶粒尺寸小，横截 面小，因此容量也不大。
电池
光生伏特效应
n型半导体 pn结 空穴 p型半导体
电子
电池
光生伏特效应
阳光
在太阳光的照射下，硅片中激发出自由电子和自由空穴。自由电子和空穴扩散到p-n结附近，受到 内建电场的作用，电子往n型硅中漂移，空穴往p型硅中漂移。
阳光
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电子带负电，空穴带正电。漂移到n型硅中电子使n型硅带多余的负电荷，对外表现出负电性；漂移 到p型硅中的空穴使p型硅带多余的正电荷，对外表现出正电性。n型硅和p型硅之间对外具有一定的 电势差，称为光生电压或者光生电动势。
电池
清洗设备
电池
磷扩散
p型硅片
石英炉 磷化合物分子 n型硅 p型硅 磷原子
电池
磷扩散
把p型硅片放在一个石英容器内，同时将含磷的 气体通入这个石英容器内，并将此石英容器加热到一 定的温度，这时施主杂质磷可从化合物中分解出来， 在容器内充满着含磷的蒸汽，在硅片周围包围着许许 多多的含磷的分子。磷化合物分子附着到硅片上生成 磷原子。由于硅片的原子之间存在空隙，使磷原子能 从四周进入硅片的表面层，并且通过硅原子之间的空 隙向硅片内部渗透扩散。 如果扩散进去的磷原子浓度高于p型硅片原来受 主杂质浓度，就使得p型硅片靠近表面的薄层转变成为 n型。n型硅和p型硅交界处就形成了pn结。
硅片 热交换法及布里曼法
热交换法结晶炉炉内结构示意图
硅片
热交换法及布里曼法

布里曼法则是在硅料熔化后，将坩埚或加热元 件移动使结晶好的晶体离开加热区，而液硅仍 然处于加热区，这样在结晶过程中液固界面形 成比较稳定的温度梯度，有利于晶体的生长。 其特点是液相温度梯度dT/dX 接近常数，生长 速度受工作台下移速度及冷却水流量控制趋近 于常数，生长速度可以调节。实际生产所用结 晶炉大都是采用热交换与布里曼相结合的技术。
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n型硅中有数量较多的电子，p型硅中有数量较多的空穴。当n型硅和p型硅结合在一起后，n型硅中有部分电 子往p型硅中扩散，p型硅中有部分空穴往n型硅中扩散，使得n型硅在交界处附近留下带正电的离子实，p型 硅在交界处附近留下带负电的离子实。这两种离子实在交界处附近的区域内产生电场，称为内建电场，电 场方向由n型硅指向p型硅。n型硅和p型硅交界处附近的区域称为pn结。
电池
晶体化学表面处理（清洗制绒）
由于绒面结构的存在，入射光经绒面第一次反射后，反射光并非直接入射到空气中，而是遇到邻近 绒面，经过邻近绒面的第二次甚至第三次反射后，才入射到空气中，这样对入射光就有了多次利用， 从而减小了反射率。表面没有绒面结构的硅片对入射光的反射率大于30%，有绒面结构的硅片对入 射光的反射率减小到了12%左右。

硅片 直拉单晶炉及其基本原理示意图
硅片 区熔法（FZ）法

区域熔化是对锭条的一部份进行熔化，熔化的部分称 为熔区，当熔区从头到尾移动一次后，杂质随熔区移 到尾部。利用这种方法可以进行多次提纯，一次一次 移动熔区以达到最好的提纯效果，但由于液固相转变 温度高，能耗大，多次区熔提纯成本高。区熔法有水 平区熔和悬浮区熔，前者主要用于锗提纯及生长锗单 晶，硅单晶的生长则主要采用悬浮区熔法，生长过程 中不使用坩埚，熔区悬浮于多晶硅棒和下方生长出的 单晶之间。由于悬浮区熔时，熔区呈悬浮状态，不与 任何物质接触，因而不会被沾污。此外，由于硅中杂 质的分凝效应和蒸发效应，可获得高纯单晶硅。目前 航天领域用的太阳电池所用硅片主要用这种方式生长。
周期表中III或V族元素, 如硼（B）、磷（P）等 电离能低，对电导率影响显著,作掺杂剂 P型掺硼（受主），N型掺磷（施主） I副族和过渡金属元素,如Fe、Zn、Mn、Cr等 电离能高，起复合中心的作用 破坏 PN 结特性，少子寿命降低，转换效率下降 碳、氧、氮等形成化合物, 结晶缺陷, 性能不均匀， 硅片变脆
硅片
硅片生产相关设备
硅片
破锭
硅片
硅片切割
硅片
硅片性能参数
Байду номын сангаас
1、型号（ P型和N型， P型多晶硅是掺B，N型多晶硅 是掺P） 2、电阻率 3、少数载流子寿命 4、硅片边长 5、对角线长度 6、倒角 7、厚度 8、总厚度变化
硅片
硅片中杂质的行为


光伏发电的应用
神州五号飞船上的太阳能帆板
空间站上的太阳能帆板
光伏发电的应用
太阳能汽车
太阳能飞行器
光伏发电的应用
光伏发电站
光伏发电的应用
通过光伏供电的通讯基站
太阳能电池充电器
光伏发电的应用
太阳能路灯
全球光伏市场结构
2006年全球光伏市场结构
2007年全球光伏市场结构
从2006、2007 年全球光伏市场结构来看，欧洲市场占全球份额高居70%以上， 日本市场逐渐下降，美国市场稳步攀升，这与各地区的光伏产业政策的扶持力 度直接相关。
pn 结
电池
pn结
掺磷原子（P） P杂质原子最外层的电子数比硅原子多一个。 P杂质 原子多余的电子很容易挣脱原子核的束缚，成为自由 移动的电子。掺P杂质的Si半导体主要依靠电子导电， 称为n型Si，P杂质称为施主杂质。
单晶硅的晶体结构。单晶硅体 内的每个硅原子（Si）最近邻 有四个Si原子。未掺杂的硅称 为本征硅。
电池
太阳电池工作原理
当太阳光照射到太阳电池表面时，由于光生伏特效应，太阳电池的正面电极和背面电极之间 产生光生电压，用金属导线接上电灯、电器等负载，可为这些负载提供电流。
电池
晶体硅太阳电池生产的工艺流程
化学表面处理 磷扩散
丝网印刷
PECVD
周边及背结刻蚀
烧结
分档测试
电池
晶体化学表面处理（清洗制绒）
硅片 清洗 机械损伤层 约10微米
在硅片的切割生产过程中会形成厚度达10微米左右的损伤层，且可能引入一些 金属杂质和油污。如果损伤层去除不足，残余缺陷在后续的高温处理过程中向 硅片深处继续延伸，会影响到太阳电池的性能。
电池
晶体化学表面处理（清洗制绒）
清洗的目的：

清除硅片表面的机械损伤层； 清除表面油污和金属杂质；
硅片 热交换法与布里曼法结合示意图 ( 坩埚移动)
硅片 热交换法与布里曼法结合示意图 ( 热源及保温框移动) 下图为另一类型的热交换法与布里曼法 结合的炉子，这种类型的结晶炉加热时 保温框和底部的隔热板紧密结合，保证 热量不外泄。开始结晶时，坩埚不动， 将石墨加热元件及保温框往上慢慢移动。 坩埚底部的热量通过保温框和隔热板间 的空隙散发出去，形成温度梯度。
掺硼原子（B） B杂质原子最外层的电子数比硅原子少一个，相当于 B杂质原子最外层多了一个空穴。在常温条件下，B 杂质原子多余的空穴很容易挣脱原子核的束缚。掺B 杂质的Si半导体主要依靠空穴导电，称为p型Si，B杂 质称为受主杂质。
电池
pn结
内建电场
＋
＋
＋
＋ pn结
Si原子 P杂质 B杂质 电子 空穴
浇铸 热交换法及（HEM） 布里曼法 （Bridgeman） 电磁铸锭法
硅片
切克劳斯基法（CZ法）

CZ 法是利用旋转着的籽晶从坩埚中的熔体中提拉制备出 单晶的方法，又称直拉法。目前国内太阳电池单晶硅硅片 生产厂家大多采用这种技术。 多晶硅硅料置于坩埚中经加热熔化，待温度合适后，经过 将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步 骤，完成一根单晶硅锭的拉制。炉内的传热、传质、流体 力学、化学反应等过程都直接影响到单晶的生长及生长成 的单晶的质量，拉晶过程中可直接控制的参数有温度场、 籽晶的晶向、坩埚和生长成的单晶的旋转及提升速率，炉 内保护气体的种类、流向、流速、压力等。
电池
磷扩散


形成起伏不平的绒面，减小太阳光的反射。
电池
晶体化学表面处理（清洗制绒）
单晶硅片的清洗采用碱液腐蚀的技术，碱液与硅反应生成可溶于水的化合物，同时在表面形成“金字塔” 状的绒面结构。多晶硅片的清洗则采用酸液腐蚀技术，酸液与硅反应生成可溶于水的化合物，同时形成 的绒面结构是不规则的半球形或者蚯蚓状的“凹陷”。