硅基太阳电池的技术-产业工艺

太阳电池产业链
硅砂（SiO2）
冶金级硅（3N）
太阳级硅（6N）
硅棒 硅锭
切方 切片 破锭 制备电池 封装
太阳电池个产业环节的成本分布
硅材料的损失
太阳能硅材料的来源
第一部分 硅提纯
(一) 冶金级硅制造过程
4Al+3SiO2 → 3Si(l) + 2(Al2O2) 2Ca + SiO2 → Si(l) + 2GaO3 2Mg + SiO2 → Si(l) +2(MgO) Si(l) + O2 → SiO2
典型太阳电池标准工艺
典型太阳电池标准工艺
典型太阳电池标准工艺
太阳电池生产线工艺流程
装片
去损伤层
扩散
去边
装片
去氧化层
制SiN膜
印背电极
烘干
银铝背场
烘干
印前电极
干燥 烧结
测试 分类
包装
包装卸载
载片舟（Etch boat）
无织构化的单晶、多晶硅片去损伤层 清洗工艺
织构化的单晶硅清洗工艺
织构化多晶硅清洗工艺
（四）硅带技术——EFG法 RWE⇒Schott
EFG—Edge-defined Film-fed Growth。 1971年由Tyco实验室开发 1974年Mobil Oil增加投资 从1971年至今共探讨了5种方 法，开始是单片，到目前为八 角形。 1994年转给美国ASE公司 又转给德国RWE公司 目前转给Schott
硅基太阳电池的技术
中国科学院电工研究所 王文静
太阳电池的技术进步（1975-2005）
硅基太阳电池技术分类
单晶硅太阳电池 晶体硅太阳电池 多晶硅太阳电池 晶体硅/薄膜硅结合太阳电池
硅基太阳电池
非晶硅薄膜太阳电池 薄膜硅太阳电池 微晶硅薄膜太阳电池 非晶硅锗薄膜太阳电池
硅
• • • 硅的地壳储量丰度为26%，仅次于氧在世界上位居第二。 硅在25C时能带宽度为1.12eV 最高纯度的硅材料的少子寿命为10,000μs，对应的杂质含量 10ppb(w) 半导体级的硅材料的少子寿命为50~300μs，（掺磷或硼） 太阳能级的硅材料的少子寿命为至少为25 μs
西门子法反应釜
电子级硅材料的提纯
二、联合碳化物法(改良西门子法) SiH4 → Si + 2H2
ASiMi公司（美） 原料气为SiH4沉积温度为800℃左右，所产硅的纯度 最高
改良西门子工艺
TCS 电能
在催化柱上 再分布 1 在 TET 流 化 床反应器中 将 Si 氢 氯 化 合 成 TCS 蒸馏法分离 多 晶 硅
晶种颗粒被来自底部的气体 化合物(SiH4和H2)流托浮着。 600℃左右气相发生分解，使 晶种不断生长到2mm左右，大 颗粒不再长大，沉入下部被 取走。与Siemens 工艺相 比，这个过程连续化，生产 率高，能耗小。
不同方法生产每公斤多晶硅的经济指标
生产方法 序号 项目 单位 传统西门 子法 4.65 17.5 改良西门 子法 1.4 <1.5 1.38 9.1 344 180 0.07 160~230 50~120 0.2 110~120 100 11~12 新硅烷法 （棒状） 1.15 0.2 新硅烷法 （粒状）
冶金级硅制造过程
(二) 电子级硅材料的提纯
一、西门子法 2SiHCl3 → SiCl4 + Si + 2HCl
Hemlock (USA) 公司 Wacker Chemie (Germany) 公司 Tokuyama Soda (Japan：德山曹达)
传统西门子法工艺
TCS(85%)
MG-Si 干HCl
在流化床反应器中将Si 氢 TET(15%) 蒸馏分离 纯TCS 氯化合成TCS（300℃） 纯化TCS
超纯TCS
二次蒸馏 纯化TCS
在西门子棒 上高温分解
多 晶 硅
残渣
低沸点 杂质 H2
TET 副 产品 TCS+TET
H2 混气
气体回收分 离和纯化
西门子法的反应
制备三氯氢硅 • Si(s) + 3HCl = HSiHCl3 + H2 (350 C°) 热解硅： • 2HSiCl3 = SiH2Cl2 + SiCl4 • 2SiH2Cl2 = Si + 2HCl • H2 + SiHCl3 = Si + 3HCl (1100 C°) • HCl + SiHCl3 = SiCl4 + H2
电子级硅材料的提纯
三、流化床法(The Ethyl Corporation Process) H + M + Al → AlMH M= Na 或 Li SiF4 + AlMH → SiH4 + AlMF4 SiH4 → Si + 2H2 MEMC公司（美） AlMF4在制铝业中得到应用
流化床法(The Ethyl Corporation Process)
去除损伤层清洗台
扩散炉
扩散炉
等离子体去边
等离子体去边设备
去除磷硅玻璃
去除磷硅玻璃
PECVD系统前视图
自动装片设备
链式的PECVD系统
自动上下片的PECVD系统
烧结系统Fra Baidu bibliotek
丝印和烘干设备
用于太阳电池的M3-Line
合金化-干燥原理
尾气处理系统
合金化-干燥部件
E5-STS 丝印系统
第二部分 硅片加工
（一） Cz-Si生长
籽 晶 引 颈 肩 缩 颈
石 英 坩 埚
硅 熔 体
单晶
拉单晶的硅料
单晶炉
石英坩埚
石墨夹具
（二） 浇铸多晶硅
（三） 线切割
晶 体 生 长 于 切 割
内 园 切 割 与 线 切 割
（四）硅带技术1——WEB法
WEB—Dendritic Web 在1970年代由美国西屋 公司研究，但目前转给 了EBARA Solar公司。
1 2 3 4
工业硅粉 液氯 氯化氢 氢气 总电耗 还原电耗
kg kg kg m3 KWh KWh
5
技术发展方向
• 技术发展方向：大型节点还原炉，多晶硅棒直径可达 200～250mm，日本三菱高纯度硅公司已有硅棒49对 棒、棒长2000mm、产品直径150～200mm，每炉产 量4500～5000kg的大型还原炉投入使用。 • 薄片硅工艺 ：
合金化-快速烧结炉
合金化-快速烧结炉
合金化-快速烧结炉
合金化-快速烧结炉
集成烘干与烧结系统
Photovoltech 公司13MW（5班倒）生产线
谢谢
（a）带状磨具及干果；（b）八角型
（四）硅带技术——STR法
STR—String Ribbon。 在1980年代持续由NREL和Arthur D. Little分别研究 1994年转给Evergreen Solar 此法曾称为： ESR—Edge Stabilised Ribbon， ESP—Edge Supported Pulling。
M G -S i H2 TET TCS TET
蒸馏法分解 TCS 和 TET
D C S /T E T / TCS
在加热硅棒 上高温分解
DCS
在催化柱上 再分布 2
H2
残 渣
低沸点 杂质
蒸馏法分离 D C S /T E T / S iH 4
TET
S iH 4
蒸馏法纯化 S iH 4
TET
反应过程
氢氯化过程 • 3SiCl4 + 2H + Si = 4SiHCl3 分凝： • 2HSiCl3 = SiCl4 + HSiCl2 • 3HSiCl2 = SiH4 + 2HSiCl3 热解 • SiH4 = Si + 2H2
（四）硅带技术——RGS法
图23 SF法
RGS—Ribbon Growth on Substrate。 由Bayer发明，现由荷兰的ECN继续，如成功则由德国的Deutsch Solar 和荷兰的Sunergy共同生产
硅基太阳电池的产业化技术进步
丝网印刷太阳电池
晶体硅太阳电池产业化技术
典型太阳电池标准工艺