光伏行业基础知识硅片电池组件

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。
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
周边及背结刻蚀
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）
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。
电池 ➢ 磷扩散
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。
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
多晶硅硅锭
CZ法 FZ法
浇铸
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。
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
减反射膜
正面电极
pn 结 背面电极
n 型硅 p 型硅
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。
电池 ➢ 光生伏特效应
电子 空穴
n型半导体 pn结 p型半导体
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
－
－ － － － －－
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋
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。
电势差，称为光生电压或者光生电动势。
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 烧结
PECVD 分档测试
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。
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。
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； 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”。
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。
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。
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 ➢ 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
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
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
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）
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
光伏行业基础知识
主要内容
光伏产品的应用 光源自文库产业链的介绍 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。