《太阳能电池基础与应用》无机硅太阳能电池+第一讲
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为什么是Si？
Si材料:
储量丰富（地球上储量第二多的元素），取 之不尽，用之不竭； 无毒、稳定性好、力学性能好（易加工）； 带隙~1.12eV，Si电池具有较高的理论效率； 通过简单的扩散工艺即可形成p-n结（p-n 结是太阳电池的核心）； 研究最充分，人们对其认识最深入； Si微电子学的深厚积淀，晶体生长——器件 制备各技术环节工艺发达成熟，可资借鉴。
电池芯片制备
扩散法制备p-n结
扩散
p-Si
p-n junction
电池芯片制备
扩散
取片
25
取片
放入下道工 序传递箱 拿石英舟
测片
扩散法制备p-n结流程
插片
上桨
调参数
进炉
电池芯片制备
PECVD制减反膜
PECVD制减反膜
SiNx是(silicon nitride)一种常用的晶体硅太阳电池减反射膜，具 有极好的光学性能。其制备方法通常采用等离子增强化学气相沉积 (PECVD), 反应温度为300-400ºC, 反应气体为硅烷和氨气 。
切割
切片
多晶硅
切割
切片
单晶硅
电池芯片制备
Si片制备
晶硅片如何制成太阳能电池？
电池芯片制备
电池芯片制备流程
电池芯片制备流程
工艺步骤主要包括：绒面制备、 pn结制备、减反射膜的沉积、 铝背场制备、正面和背面金属 接触制备等。
装片－制绒－化学清洗－扩散－刻蚀－去磷硅玻璃－ PECVD －丝网印刷－烧结－分类检测－包装
提纯后三氯氢硅的杂质含量 可以降到10-10～10-7数量级
Si材料的制备
高纯多晶硅
三氯氢硅还原 SiHCl3+H2=Si+3HCl
将置于反应室的原始高纯多晶硅细棒 （直径约5mm）通电加热到1100°C 以上，通入中间化合物三氯氢硅和高 纯氢气，发生还原反应，通过化学气 相沉积，生成的新的高纯硅沉积在硅 棒上，使硅棒不断长大，一直到硅棒 的直径达到150-200mm，制成半导 体级高纯多晶硅。
定向凝固提纯
按纯度
金属/冶金级多晶硅（纯度：95－99％）
化学提纯：如西门子法制备电子级高纯多晶硅 （8N-9N）
太阳电池用单晶硅/多晶硅材料：利 用电子级硅的头尾料、废料、质量较 低的电子级硅。
电子级硅/半导体级多晶硅（纯度：8N－9N）
electronic grade silicon/semiconductor grade silicon
Si电池组件
失配问题
旁 路 二 极 管
串并联混合
Si电池系统
系统构成
电池系统
防反充二极管
控制器
太阳能 电池 方阵
蓄电池 组
DCAC 逆变器
k1
直流 负载
k2
交流 负载
交直流光伏系统
当需要更高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可以把多个组 件组成太阳能电池方阵，以获得所需的电压和电流。
Si电池系统
终测工序
擦拭
Si电池组件
电池封装
检查反面
终检工序
贴标签
Si电池组件
失配问题
失配问题
太阳能电池互联在一起时，由于这些单体电池工作特性的失配（或称 失谐），使组件的输出功率小于各个电池的最大输出功率之总和。这个 差别在电池串联时是最为显著的。
短路电流由串联电池组中输出电流最低的那个电池的电流决定。因此， 在串联电池组中，短路电流的严重失配会引起其中较好电池的电流产生 能力完全被浪费。类似的失陪损失在并联电池组中也有，但不严重。
系统介绍
蓄电池与充放电控制器
蓄电池，尤其是铅酸蓄电池，需要在充电和放电过程中加以控制，频 繁地过充电和过放电都会影响蓄电池的使用寿命。过充电会使蓄电池 大量出气（电解水），造成水分散失和活性物质脱落；过放电则容易 加速栅板的腐蚀和不可逆硫酸化。为了保护蓄电池不受过充电和过放 电的损害，则必须要有一套控制系统来防止蓄电池的过充电和过放电 ，这套系统称为充放电控制器。其通过检测蓄电池的电压和荷电状态 ，判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点。并根据检测结果发出继 续充、放电的指令。
Si材料的制备
多晶硅锭
铸造法
浇铸法 在一个坩锅内将硅原料熔化，然后浇 铸在另一个经过预热的坩锅内冷却， 通过控制冷却速率，采用定向凝固技 术制备大晶粒的铸造多晶硅。
直熔法 在坩锅内直接将多晶硅熔化，然后 通过坩锅地步的热交换等方式，使 熔体冷却，采用定向凝固技术制造 多晶硅。简称直熔法。
Si材料的制备
掺杂魔术!
什么是Si？
三种形态
Si电池分类:
体电池
晶硅太阳电池: 单晶硅电池+多晶硅电池 ； 非晶硅太阳电池（包括微晶硅电池）。
薄膜电池
概念: 什么是单晶、多晶和非晶？
思考: 实验上如何确定单晶硅、多晶硅和非晶硅？
单晶硅电池
多晶硅电池 非晶硅电池
Si材料的制备
多晶硅
太阳能级多晶硅（纯度高于金属级, 小于电子 级)
3SiH4+4NH3=Si3N4+12H2
电池芯片制备
PECVD制减反膜
PECVD制减反膜流程
取 料
放 入 洁 净 柜
石 墨 舟 准 备
填
卸
写
片
表
单
送
入
运
下
行
道
程
工
序
序
推
插
入
片
上
料
区
电池芯片制备
丝网印刷
丝网印刷: 把金属导体浆料按照设计的图形印刷在硅片正、背面。通过高
温煅烧, 使浆料中的溶剂挥发, 金属颗粒与硅表面形成牢固的硅合金，从而
Si电池系统
系统介绍
逆变器
逆变器是将直流电变换为交流电的设备，逆变器是通过半导体功率开关的开 通和关断作用，把直流电能转变为交流电能的一种变换装置，是整流变换的 逆过程。
Si电池系统
系统示例
谢 谢！
Si材料的制备
单晶硅
提拉法单晶硅(CZ silicon)
装料→熔化→种晶→缩颈→放肩→等径生长
缺点: 与FZ硅相比, CZ单晶硅属于接触式生长, 因此杂质含量更高; 沿轴向杂质浓度及电学性能 不均匀; 优点: 直径大、更易加工、产量高, 完全可满足 太阳电池大规模生产的需要。
电池芯片制备
硅片
Si片制备
电池芯片制备
制绒
电池芯片制备流程
扩散
磷硅玻璃 P型硅
硅片表面形成PN结
氮化硅膜
栅线及背电极 丝网印刷
PECVD
减反、钝化
电池芯片制备
制绒
制绒
碱性蚀刻剂对单晶硅的腐蚀是各向异 性的，蚀刻速率依赖于晶体取向，(111) 面腐蚀率最低。
多晶硅非完全的(100)取向, 上述的碱 液刻蚀不适用。通常采用照相平版印刷 或激光机械雕刻来制备绒面。
Si电池组件
电池封装
为什么封装?
防止太阳电池：电池片薄而脆。 防止太阳电池失效：灰尘、紫外线、冰雹、等影响因素。 满足负载要求，串、并联成一个能够独立作为电源使用的最小单元：单
个电池电压太小，不能满足用电设备的需求。
真空层压封装工序
电池片分选－单片焊接－串焊－层叠－中检－层压－ 固化 －装边框 和接线盒－擦拭－按规测试－终测－终检－包装
高纯多晶硅
三氯氢硅合成
将硅粉和干燥的氯化氢气体在合成 炉中（250℃）合成的三氯氢硅气 体。
Si+3HCl=SiHCl3+H2
Si材料的制备
高纯多晶硅
三氯氢硅提纯
由合成炉中得到的三氯氢硅往往混 有SiCl4、 SiH2Cl2 、FeCl3 、BCl3、 PCl3等杂质，并且它们是有害杂质， 对晶硅质量影响极大，必须设法除 去。目前工业上主要用精馏法(粗馏 和精馏)进行提纯，原理：利用三氯 氢硅与杂质氯化物的沸点不同而分 离提纯。
Si材料的制备
高纯多晶硅
冶金级硅
高纯多晶硅材料
化学提纯：通过化学反应，将硅转化为中间 化合物，利用精馏提纯等技术提纯中间化合 物，使之达到较高的纯度，然后再将中间化 合物还原为硅。
2000ºC
SiO2+2C=Si+2CO
提 纯
技
术
三氯氢硅还原法 硅烷热分解法 四氯化硅氢还原法
西门子法
Si材料的制备
浮区法
单晶硅
浮区法 直拉法
直拉法
Si材料的制备
单晶硅
浮区法单晶硅(FZ silicon)
无接触
20世纪50年代提出，主要是利用区 域熔炼的原理。浮区法单晶硅纯度 很高(无接触生长)，电学性能均匀； 但是，直径小，机械加工性差。利 用浮区法单晶硅制备的太阳电池的 光电转换效率高，但是生产成本高， 价格昂贵。一般情况下，浮区法单 晶硅不应用于太阳电池的大规模生 产上，只在某些需要高光电转换效 率的特殊情况下才被使用。
Si电池组件 分片工序
电池封装
Si电池组件 手工焊工序
电池封装
正面单片焊接
反面串焊
Si电池组件 层叠工序
电池Biblioteka Baidu装
TPT EVA 电池组 EVA 钢化玻璃
层叠好的组件
Si电池组件 层压
电池封装
组件层叠物 加热板
加热
Si电池组件
电池封装
擦拭
固 化
装 框 工 序
装接线盒
Si电池组件
电池封装
连接电源
Si材料的制备
凝固时溶质 浓度减小
太阳能级多晶硅
杂质分凝
对于固相-液相的界面，由于杂质在不 同相中的溶解度不一样，杂质在界面两 边材料中分布的浓度不同，称为杂质分 凝现象。
分凝系数
分凝系数= （杂质在固相中的溶解度 ）/（杂质在液相中的溶解度）。
定向凝固法
思考: 定向凝固法对Si中B和P杂质提纯 效果如何？
什么是Si？
光学性质
带隙:~1.12eV;
吸收截至波长:~1.1 μm;
间接带隙
吸收系数小
电池厚度大(缺点)。
概念:
直接带隙和间接带隙 思考:
间接带隙材料为什么吸收系数小？
基本技能:
能量和波长之间的换算
E(eV) ~ 1240/λ(nm)
什么是Si？
电学性质
本征载流子浓度为1.1×1010/cm3，本征电阻 率为1.5×1010Ω·cm，电子迁移率为1350cm2/ （V·s），空穴迁移率为480 cm2/（V·s） 。 p型掺杂: III族元素（B）；n型掺杂: V族元素 （P）。
Shockley极限： 单晶Si电池的理论极限约30%。
为什么是Si？
Si基电池是目前性价比最优的可实用 电池类型; 占据太阳电池市场的93%; 在可以预见的未来,仍将是市场主流。
为什么是Si？
目前处于市电同价临界点, 未来发展前景极为看好!
什么是Si？
晶体结构
IV族元素, 晶体结构：金刚石结构, 共价键的键角109°28′; 晶格参数 a = 5.4395Å, 近邻原子间距为2.35Å; 自然界中没有游离态的Si，Si主要以SiO2和硅酸盐的形式存在。
形成上下电极。
上料检查
正面栅线印刷
上料台
丝网一道 烘箱 丝网二道 丝网三道
承载盒上料
网版印刷
背电极印刷
背电场印刷
电池芯片制备
电池片照片
单
多
晶
晶
硅
硅
电
电
池
池
正
正
面
面
单
多
晶
晶
硅
硅
电
电
池
池
背
背
面
面
Si电池组件
组件定义
具有内部链接及封装的、能单独提供直流电输出的最小不可 分割的太阳电池组合装置称为太阳电池组件。
Si材料:
储量丰富（地球上储量第二多的元素），取 之不尽，用之不竭； 无毒、稳定性好、力学性能好（易加工）； 带隙~1.12eV，Si电池具有较高的理论效率； 通过简单的扩散工艺即可形成p-n结（p-n 结是太阳电池的核心）； 研究最充分，人们对其认识最深入； Si微电子学的深厚积淀，晶体生长——器件 制备各技术环节工艺发达成熟，可资借鉴。
电池芯片制备
扩散法制备p-n结
扩散
p-Si
p-n junction
电池芯片制备
扩散
取片
25
取片
放入下道工 序传递箱 拿石英舟
测片
扩散法制备p-n结流程
插片
上桨
调参数
进炉
电池芯片制备
PECVD制减反膜
PECVD制减反膜
SiNx是(silicon nitride)一种常用的晶体硅太阳电池减反射膜，具 有极好的光学性能。其制备方法通常采用等离子增强化学气相沉积 (PECVD), 反应温度为300-400ºC, 反应气体为硅烷和氨气 。
切割
切片
多晶硅
切割
切片
单晶硅
电池芯片制备
Si片制备
晶硅片如何制成太阳能电池？
电池芯片制备
电池芯片制备流程
电池芯片制备流程
工艺步骤主要包括：绒面制备、 pn结制备、减反射膜的沉积、 铝背场制备、正面和背面金属 接触制备等。
装片－制绒－化学清洗－扩散－刻蚀－去磷硅玻璃－ PECVD －丝网印刷－烧结－分类检测－包装
提纯后三氯氢硅的杂质含量 可以降到10-10～10-7数量级
Si材料的制备
高纯多晶硅
三氯氢硅还原 SiHCl3+H2=Si+3HCl
将置于反应室的原始高纯多晶硅细棒 （直径约5mm）通电加热到1100°C 以上，通入中间化合物三氯氢硅和高 纯氢气，发生还原反应，通过化学气 相沉积，生成的新的高纯硅沉积在硅 棒上，使硅棒不断长大，一直到硅棒 的直径达到150-200mm，制成半导 体级高纯多晶硅。
定向凝固提纯
按纯度
金属/冶金级多晶硅（纯度：95－99％）
化学提纯：如西门子法制备电子级高纯多晶硅 （8N-9N）
太阳电池用单晶硅/多晶硅材料：利 用电子级硅的头尾料、废料、质量较 低的电子级硅。
电子级硅/半导体级多晶硅（纯度：8N－9N）
electronic grade silicon/semiconductor grade silicon
Si电池组件
失配问题
旁 路 二 极 管
串并联混合
Si电池系统
系统构成
电池系统
防反充二极管
控制器
太阳能 电池 方阵
蓄电池 组
DCAC 逆变器
k1
直流 负载
k2
交流 负载
交直流光伏系统
当需要更高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可以把多个组 件组成太阳能电池方阵，以获得所需的电压和电流。
Si电池系统
终测工序
擦拭
Si电池组件
电池封装
检查反面
终检工序
贴标签
Si电池组件
失配问题
失配问题
太阳能电池互联在一起时，由于这些单体电池工作特性的失配（或称 失谐），使组件的输出功率小于各个电池的最大输出功率之总和。这个 差别在电池串联时是最为显著的。
短路电流由串联电池组中输出电流最低的那个电池的电流决定。因此， 在串联电池组中，短路电流的严重失配会引起其中较好电池的电流产生 能力完全被浪费。类似的失陪损失在并联电池组中也有，但不严重。
系统介绍
蓄电池与充放电控制器
蓄电池，尤其是铅酸蓄电池，需要在充电和放电过程中加以控制，频 繁地过充电和过放电都会影响蓄电池的使用寿命。过充电会使蓄电池 大量出气（电解水），造成水分散失和活性物质脱落；过放电则容易 加速栅板的腐蚀和不可逆硫酸化。为了保护蓄电池不受过充电和过放 电的损害，则必须要有一套控制系统来防止蓄电池的过充电和过放电 ，这套系统称为充放电控制器。其通过检测蓄电池的电压和荷电状态 ，判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点。并根据检测结果发出继 续充、放电的指令。
Si材料的制备
多晶硅锭
铸造法
浇铸法 在一个坩锅内将硅原料熔化，然后浇 铸在另一个经过预热的坩锅内冷却， 通过控制冷却速率，采用定向凝固技 术制备大晶粒的铸造多晶硅。
直熔法 在坩锅内直接将多晶硅熔化，然后 通过坩锅地步的热交换等方式，使 熔体冷却，采用定向凝固技术制造 多晶硅。简称直熔法。
Si材料的制备
掺杂魔术!
什么是Si？
三种形态
Si电池分类:
体电池
晶硅太阳电池: 单晶硅电池+多晶硅电池 ； 非晶硅太阳电池（包括微晶硅电池）。
薄膜电池
概念: 什么是单晶、多晶和非晶？
思考: 实验上如何确定单晶硅、多晶硅和非晶硅？
单晶硅电池
多晶硅电池 非晶硅电池
Si材料的制备
多晶硅
太阳能级多晶硅（纯度高于金属级, 小于电子 级)
3SiH4+4NH3=Si3N4+12H2
电池芯片制备
PECVD制减反膜
PECVD制减反膜流程
取 料
放 入 洁 净 柜
石 墨 舟 准 备
填
卸
写
片
表
单
送
入
运
下
行
道
程
工
序
序
推
插
入
片
上
料
区
电池芯片制备
丝网印刷
丝网印刷: 把金属导体浆料按照设计的图形印刷在硅片正、背面。通过高
温煅烧, 使浆料中的溶剂挥发, 金属颗粒与硅表面形成牢固的硅合金，从而
Si电池系统
系统介绍
逆变器
逆变器是将直流电变换为交流电的设备，逆变器是通过半导体功率开关的开 通和关断作用，把直流电能转变为交流电能的一种变换装置，是整流变换的 逆过程。
Si电池系统
系统示例
谢 谢！
Si材料的制备
单晶硅
提拉法单晶硅(CZ silicon)
装料→熔化→种晶→缩颈→放肩→等径生长
缺点: 与FZ硅相比, CZ单晶硅属于接触式生长, 因此杂质含量更高; 沿轴向杂质浓度及电学性能 不均匀; 优点: 直径大、更易加工、产量高, 完全可满足 太阳电池大规模生产的需要。
电池芯片制备
硅片
Si片制备
电池芯片制备
制绒
电池芯片制备流程
扩散
磷硅玻璃 P型硅
硅片表面形成PN结
氮化硅膜
栅线及背电极 丝网印刷
PECVD
减反、钝化
电池芯片制备
制绒
制绒
碱性蚀刻剂对单晶硅的腐蚀是各向异 性的，蚀刻速率依赖于晶体取向，(111) 面腐蚀率最低。
多晶硅非完全的(100)取向, 上述的碱 液刻蚀不适用。通常采用照相平版印刷 或激光机械雕刻来制备绒面。
Si电池组件
电池封装
为什么封装?
防止太阳电池：电池片薄而脆。 防止太阳电池失效：灰尘、紫外线、冰雹、等影响因素。 满足负载要求，串、并联成一个能够独立作为电源使用的最小单元：单
个电池电压太小，不能满足用电设备的需求。
真空层压封装工序
电池片分选－单片焊接－串焊－层叠－中检－层压－ 固化 －装边框 和接线盒－擦拭－按规测试－终测－终检－包装
高纯多晶硅
三氯氢硅合成
将硅粉和干燥的氯化氢气体在合成 炉中（250℃）合成的三氯氢硅气 体。
Si+3HCl=SiHCl3+H2
Si材料的制备
高纯多晶硅
三氯氢硅提纯
由合成炉中得到的三氯氢硅往往混 有SiCl4、 SiH2Cl2 、FeCl3 、BCl3、 PCl3等杂质，并且它们是有害杂质， 对晶硅质量影响极大，必须设法除 去。目前工业上主要用精馏法(粗馏 和精馏)进行提纯，原理：利用三氯 氢硅与杂质氯化物的沸点不同而分 离提纯。
Si材料的制备
高纯多晶硅
冶金级硅
高纯多晶硅材料
化学提纯：通过化学反应，将硅转化为中间 化合物，利用精馏提纯等技术提纯中间化合 物，使之达到较高的纯度，然后再将中间化 合物还原为硅。
2000ºC
SiO2+2C=Si+2CO
提 纯
技
术
三氯氢硅还原法 硅烷热分解法 四氯化硅氢还原法
西门子法
Si材料的制备
浮区法
单晶硅
浮区法 直拉法
直拉法
Si材料的制备
单晶硅
浮区法单晶硅(FZ silicon)
无接触
20世纪50年代提出，主要是利用区 域熔炼的原理。浮区法单晶硅纯度 很高(无接触生长)，电学性能均匀； 但是，直径小，机械加工性差。利 用浮区法单晶硅制备的太阳电池的 光电转换效率高，但是生产成本高， 价格昂贵。一般情况下，浮区法单 晶硅不应用于太阳电池的大规模生 产上，只在某些需要高光电转换效 率的特殊情况下才被使用。
Si电池组件 分片工序
电池封装
Si电池组件 手工焊工序
电池封装
正面单片焊接
反面串焊
Si电池组件 层叠工序
电池Biblioteka Baidu装
TPT EVA 电池组 EVA 钢化玻璃
层叠好的组件
Si电池组件 层压
电池封装
组件层叠物 加热板
加热
Si电池组件
电池封装
擦拭
固 化
装 框 工 序
装接线盒
Si电池组件
电池封装
连接电源
Si材料的制备
凝固时溶质 浓度减小
太阳能级多晶硅
杂质分凝
对于固相-液相的界面，由于杂质在不 同相中的溶解度不一样，杂质在界面两 边材料中分布的浓度不同，称为杂质分 凝现象。
分凝系数
分凝系数= （杂质在固相中的溶解度 ）/（杂质在液相中的溶解度）。
定向凝固法
思考: 定向凝固法对Si中B和P杂质提纯 效果如何？
什么是Si？
光学性质
带隙:~1.12eV;
吸收截至波长:~1.1 μm;
间接带隙
吸收系数小
电池厚度大(缺点)。
概念:
直接带隙和间接带隙 思考:
间接带隙材料为什么吸收系数小？
基本技能:
能量和波长之间的换算
E(eV) ~ 1240/λ(nm)
什么是Si？
电学性质
本征载流子浓度为1.1×1010/cm3，本征电阻 率为1.5×1010Ω·cm，电子迁移率为1350cm2/ （V·s），空穴迁移率为480 cm2/（V·s） 。 p型掺杂: III族元素（B）；n型掺杂: V族元素 （P）。
Shockley极限： 单晶Si电池的理论极限约30%。
为什么是Si？
Si基电池是目前性价比最优的可实用 电池类型; 占据太阳电池市场的93%; 在可以预见的未来,仍将是市场主流。
为什么是Si？
目前处于市电同价临界点, 未来发展前景极为看好!
什么是Si？
晶体结构
IV族元素, 晶体结构：金刚石结构, 共价键的键角109°28′; 晶格参数 a = 5.4395Å, 近邻原子间距为2.35Å; 自然界中没有游离态的Si，Si主要以SiO2和硅酸盐的形式存在。
形成上下电极。
上料检查
正面栅线印刷
上料台
丝网一道 烘箱 丝网二道 丝网三道
承载盒上料
网版印刷
背电极印刷
背电场印刷
电池芯片制备
电池片照片
单
多
晶
晶
硅
硅
电
电
池
池
正
正
面
面
单
多
晶
晶
硅
硅
电
电
池
池
背
背
面
面
Si电池组件
组件定义
具有内部链接及封装的、能单独提供直流电输出的最小不可 分割的太阳电池组合装置称为太阳电池组件。