硅材料及其光伏应用

1、制作多晶或单晶硅片 2、制备硅片表面绒面结构 3、在硅片表面制备p-n结 4、在硅片背面沉积铝背场 5、制作金属电极
6、制备硅片表面的减反射层
7、多片串联配组 8、封装
9、组成系统组件
制造硅片
多晶硅片
原料为高纯多晶 硅，采用铸造工 艺，定向凝固法 铸出多晶硅方锭， 经解方、切片， 得到方形硅片
沉积n型层
作为基底的硅片是电阻率为0.5～2Ω·cm的p型料，因为硅 中电子迁移率远远大于空穴迁移率，对光线的吸收，P型
材料大约是N型的20倍。所以目前的晶体硅太阳电池都是
p型基底半导体 在硅片表面沉积五价磷元素，通过磷原子在基底的扩散， 生成n型半导体层，与基底组成p-n结 沉积方式有气态磷、固态磷和液态磷扩散三种
距离：1.49×108km（平均值）
太阳能量
太阳构成
太阳是由炽热气体构成的一个巨大球体 太阳主要由氢和氦组成，其中氢71%，氦27% 太阳中心温度约为1700万℃，表面温度接近5800℃
太阳能
太阳内部不停地进行由氢向氦的热核聚变，巨大能量不断向宇宙 幅射
幅射能：3.6×1023kW/s 22亿分之一到达地球，70%到 达地面地面(1.8×1018kW· h)， 相当于1.3×106吨标准煤
其它
控制器、电线电缆、防护固架等
太阳电池系统图
太阳电池系统应用
影响电池转换效率因素
原材料纯度
原生硅材料纯度对电池的光电转换效率有决定性的作用。 材料内的氧、碳及重金属等杂质严重降低了电池片对太阳光能的 吸收和转化
制作工艺
铸锭工艺中要求晶粒越大越好，前些年出现准单晶铸锭工艺，但 成本 较高。现在有半熔工艺，生长粗大晶粒，效率比全熔工艺提 高约0.5% 材料中的缺陷——位错、晶界——对电池的效率有一定的影响 制片工艺也影响电池效率
晶体硅太阳电池源自文库
利用硅作为半导体材料所特有的光伏效应，制造 可实用的太阳光能转换为电能的器件和系统
1954年，美国贝尔实验室研制出世界上第一块真 正意义上的硅太阳电池，光电转换效率为6%左右， 很快又升至10%。从此拉开了现代太阳光电（又 称太阳光伏）产业的序幕
硅太阳电池工作原理
硅太阳电池制造工艺步骤
太阳能进入地球
反射
大气层
吸收
散射
太阳能优势
与石油、煤、核能和天燃气相比较
不产生有害废渣和有害气体，不污染环境
不受地域和资源的限制，使用方便且安全
储量几乎是无限的，属于可再生资源
因此，太阳能的研究和应用是今后人类社会能源 发展的主要方向之一
太阳内部的热核反应还可进行6×1010 （60亿）年 对于人类的短暂历史而言，太阳能是
硅——化学性质
硅在常温下不活泼，其主要的化学性质如下：
(1)与非金属作用
常温下Si只能与F2反应，在F2中瞬间燃烧，生成SiF4。 加热时，能与其它卤素反应生成卤化硅，与氧反应生成SiO2 。 在高温下，硅与碳、氮、硫等非金属单质化合，分别生成碳化硅SiC、氮化硅 Si3N4、硫化硅SiS2等。
(2)与酸作用
Si在含氧酸中可被钝化；与氢氟酸及其混合酸反应，生成SiF4或H2SiF6 。
(3)与碱作用
无定形硅能与碱猛烈反应生成可溶性硅酸盐，并放出氢气。
(4)与金属作用
硅能与钙、镁、铜、铁、铂、铋等化合，生成相应的金属硅化物。
硅——图示
硅石
单晶硅片
石英砂 金属硅 多晶硅片
硅的用途
主要作为一种功能材料而利用其电学性能
一、硅材料简介
硅——周期表中位置
Si：原子序数14，在元素周期表中属3周期IVA族。 原子量28，最外层电子3S23P2，化合价4。 铝 硅 磷 碳 硅 锗
C
Al Si Ge P
硅——物理性质
硅——
英文名Silicon，源自silex，意为“燧石”；港、台也称“矽”。 发现于1823年，地壳中的丰度为27.7% ——地球上第二多的元素，
单晶硅片
原料为高纯多晶硅， 采用直拉单晶工艺， 生长出圆柱形单晶 锭，经磨制、切片， 得到准方形硅片
制绒
进行化学腐蚀，去除表面加工的损伤层 进一步采取特殊腐蚀液制作绒面：
对单晶片采用碱性择优腐蚀液，使表面形成金字塔形绒面结构 对多晶片采用酸性非择优腐蚀液，使表面形成凹球面结构
绒面结构可形成斜射，利于增加太阳光在硅片内部的 有效运动行程，并大大减少太阳光的反射
这时如果将p-n结和外电路连接，则电路中出现电流，称为光生伏 特现象或光生伏特效应。
光伏效应是光 (太阳) 电池工作的基本原理。
太阳能
地球上一切能量都是太阳能的不同表现形式
太阳与地球
太阳
直径：1.39×106 km 体积：1.408×1018 m3 质量：1.989×1030 kg
地球
平均直径：1.268×104 km 体积：1.0832×1012 m3 质量：5.9742×1024 kg
光电导现象
半导体材料的吸收系数较大，一般在1×105cm-1以上。能够强烈吸 收光的能量。 半导体原子中的电子吸收能量，能态发生变化，产生电子跃迁：
1、吸收少量能量，电子未离开其平衡位臵，能量作用于晶格，最终 光能转变为热能； 2、如果吸收能量较大，电子跃迁离开原子核束缚。从而产生电子-空 穴对。称为半导体的本征吸收。
与氧结合形成的SiO2，占地壳总质量的87%。
以大量的硅酸盐和石英矿形式存在于自然界中。是矿物界的主要 元素。
单质具有无定形态和晶体两种固体形式。
晶体硅的熔点1410℃，沸点2355℃ ，密度2.32~2.34g/cm3，莫 氏硬度7，性脆。
晶体硅硬而脆，具有金属光泽，导电率随温度升高而增加，具有
半导体性质。
在状态2时，半导体材料中的光吸收导致了非平衡载流子产生，总 的载流子浓度增加，电导率增大，这就是半导体材料的光电导现 象-光敏特性 。
光生伏特效应
半导体的光伏效应
在P、N型半导体的接触界面处存在一个因扩散和飘移而形成的平 衡电场。 如果入射光照射在半导体上，在p-n结附近将产生电子-空穴对。 这些非平衡载流子向内建电场两端的移动，就产生了光生电势 （电压）。
理论上，硅太阳电池的光电转换效率约为26%。目前实验室内单晶硅电池可 做到24%左右。 工业生产中，单晶硅电池已达19%；多晶硅电池也达到18%以上
三、多晶硅铸锭简介
原材料
原生硅材料
太阳能一级、二级。可以是块料，也可以是短棒料，棒料长度为 200mm。
边皮料
用于进行P型掺杂，一般为前些炉次的碎料 板料，为前些炉次方锭切下的厚块料，用于臵放在坩埚底部和内 侧，起保护作用 半熔工艺还需要3mm-9mm的碎料进行铺底，作为籽晶
制作背表面场
在硅片背面制作背场，减少少数载流子在表面复 合的概率，同时可作为电池片背面的电极
制作背场的工艺是利用溅射等技术在硅片背面沉 积一层铝膜，然后高温热处理，使铝和硅合金化 并向内扩散，形成一层高铝浓度掺杂的p+层，构 成铝背场
制作金属电极
在p-n两面建立金属连接，以将电池片产生的电流引导到负载 目前，硅片表面制作金属电极的工艺是采用金属导电浆料的丝网印刷方法 下右图中电极为两条线，而现在一般为三条线和四条线。称为三线印刷 和四线印刷。线越多，电池光电转换效率越高，但同时电极线也遮挡了部分 电池表面。
(折)透射光
物体对光的吸收
吸收率
光能的一部分可被物体吸收。 吸收率与物体厚度有关。 I0
如果入射光的能量为I0，则在 离表面距离x处，光的能量衰 减为I
I = I0e-αx 式中α为物体的吸收系数。
上式表示光在物体中传播I/α 距离时，能量因吸收而衰减到 原来的1/e。 x I
半导体材料的光吸收
将多个电池片的串联件进行密封包装，框架采用 铝合金，表面采用高强度高透射性的玻璃
组成系统
太阳跟踪装臵
为最大限度采集太阳光，电池板需要随时调整方向，迎向太阳入 射光
逆变器
太阳电池产生的是直流电，而生活中的电器都使用交流电。因此， 需要安装交-直流变换装臵
蓄电池
太阳电池只能在白天太阳光照射下工作，而照明等应用在晚上。 因此，要将电池白天产生的电力存储起来
晶体管和可控硅等分离电子元件 大规模和超大规模集成电路（IC） 太阳电池片
其他用途
光缆通讯：利用高纯掺杂的SiO2制造玻璃光纤 各种硅添加剂：
钢铁：变压器用（硅）矽钢片 铝型材：铝硅合金 化妆品：洁面乳中的研磨剂 其他
二、太阳电池简介
光线在物体中的作用
物体对入射光的反射、折射和吸收
入射光
反射光
(被)吸收光
表面减反射层
在硅片表面沉积一层高折射率薄膜，减少太阳光 的反射，也即增加入射光量。这种工艺完全类似 于照相机和望远镜上镀增透膜 早期常用的减反射层材料是钛的氧化物 （TiOx,x≤2），现代也使用SixNy膜层
多片串联
单个电池片的电压和电流都较小，需要将很多片 进行串联，才能用于带动用电负载
封装
利用光电转换器件将太阳能转化成电能
* 典型应用：太阳电池
太阳电池分类
晶体硅太阳电池
多晶硅电池、单晶硅电 池、带状硅电池
薄膜太阳电池
砷化镓、非晶硅、多晶 硅、CdTe、CuInSe2等 薄膜电池
美军已使用柔性太阳电池阵列为便携式电子设 备供电。图中这种设计用于铺在帐篷、掩体或 车辆顶部
晶体硅电池与薄膜电池图示
“取之不尽，用之不竭”
的清洁能源！
太阳能利用方式
一、光化学转化
太阳光照射下，物质发生化学或生物反应，从而将太阳光能转化 成为电能或生物能等形式
* 典型应用：植物的光合作用，农耕文明
二、光热转化
通过反射、吸收等方式收集太阳的幅射能，使之转化成热能
* 典型应用：太阳能热水器、太阳能灶、太阳能温室等
三、光电转化