Chap3_硅太阳能电池2

第三章硅太阳能电池3.1引言3.2单晶体硅太阳能电池3.3多晶硅太阳能电池3.4非晶硅薄膜太阳能电池从工业化发展看，重心已由单晶向多晶方向发展。主要原因为：可供应太阳电池的头尾料愈来愈少；对太阳电池来讲，方形基片更合算，通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料；多晶硅的生产工艺不断取得进展。全自动浇铸炉每生产周期（50小时）可生产200公斤以上的硅锭，晶粒的尺寸达到厘米级；由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产。3.3.1多晶硅的基本性质和制备3.3多晶体硅太阳能电池目前，对于太阳能电池，提高光电转换效率，降低生产成本是研究的核心问题。随着对太阳能电池理论认识的进一步深入、生产工艺的改进、IC技术的渗入和新电池结构的出现，电池的转换效率得到较大的提高。大规模生产上，多晶硅电池的转换效率已接近单晶硅电池，由于非晶硅电池稳定性问题尚未解决，多晶硅电池受到人们的关注。其世界产量已超过单晶硅。目前大规模工业化生产的多晶硅太阳电池的转换效率已达到11－15％的水平3.3.1多晶硅的基本性质和制备3.3多晶体硅太阳能电池生产多晶硅的关键问题是：1如何更好的吸收太阳光；2如何使金属化电极与电池的设计参数相匹配；3如何生成pn结使更有效的生成光生载流子，并更好的分离。多晶硅太阳电池关键问题3.3.1多晶硅的基本性质和制备3.3多晶体硅太阳能电池多晶硅太阳电池：按结构可分为两种，一种是块状(bulk)，多半是用含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。制作工艺与单晶硅太阳电池相似，但材料制造简便，成本较低。另一种是薄膜状(thin-film),多采用化学气相沉积法(CVD)和液相外延法(LPPE)、溅射沉积法制备。多晶硅薄膜电池成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池。多晶硅太阳电池目前光电转换效率12%左右，实验室可达19.8%。3.3.1多晶硅的基本性质和制备3.3多晶体硅太阳能电池晶体：是质点（原子、离子或分子）在空间按一定规律周期性重复排列构成的固体物质。晶体又分单晶、多晶、微晶、纳米晶。单晶的概念：所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。其内部组织是一个晶粒或者是几个平行纵向晶粒所组成。在单晶中，大多数是晶莹透明的，但并不是所有透明的固体都是晶体，如玻璃就不是晶体。多晶：由许多小单晶按不同取向聚集而成的晶体。如陶瓷颗粒、粉体、矿石、沙子、水泥等。3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶的概念3.3多晶体硅太阳能电池非晶矽多晶矽單晶矽多晶硅材料，是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料，它的材料性质体现的是各向同性。3.3.1多晶硅的基本性质和制备3.3多晶体硅太阳能电池多晶的概念通常所说的多晶硅是指金属硅经过一系列的化学和物理反应提纯后达到一定纯度的材料，一般要求纯度达到9.9999~99.9999999%或以上，杂质含量要降到10-9的水平3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的质量指标3.3多晶体硅太阳能电池A、太阳能级多晶硅料技术要求：总体要求：硅含量99.9999%含硼量：0.20ppba含磷量：0.90ppba含碳量：1.00ppba金属含量：30.00ppba金属表面含量：30.00ppba尺寸大小要求：25mm---250mm多晶种类：P型电阻率：0.50OhmcmB、破碎半导体级硅片技术要求：半导体级碎硅片片子形状为圆弧形碎片硅片厚度=400um型号为P型电阻率：0.50Ohmcm3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的质量指标3.3多晶体硅太阳能电池C、小多晶硅技术要求1.型号为N型，电阻率大于50ohmcn,碳含量小于5*1016/cm3,氟含量小于5*1017/cm3。2.块状为4mm。3.不能有氧化物夹层和不熔物，最好为免洗料D、直拉多晶硅技术要求1.磷检为N型，电阻率大于100ohmcm,硼检为P型，电阻率大于1000ohmcm.少娄载流子寿命大100um，碳含量小于1016cm3,氧含量小于1017cm3。2.块状小于30mm3.不能有氧化物夹层和不熔物，最好为免洗料3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的质量指标3.3多晶体硅太阳能电池E、区熔头尾料技术要求1.N型，电阻率大于50chmom少数载流子寿命大于100μm。2.块状大于30mm。3.区熔头尾料不能有气泡，不能有与线圈接触所造成的沾污，更不能有区熔过程的流硅或不熔物。4.最好为免洗料F、直拉头尾料（IC料），最好为免洗料1.N型，电阻率大于10ohmom2.P型，电阻率大于0.5ohmom3.块状大于30mm，片厚大于0.5mm4.直拉头尾料不能气泡，更不能有不熔物3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的质量指标3.3多晶体硅太阳能电池3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的制备3.3多晶体硅太阳能电池石英砂（杂质含量要求较高）金属硅（多晶，纯度为95~99%）多晶硅（纯度6个9）SiO2+3C==SiC+2CO2SiC+SiO2==3Si+2CO和碳，高温反应物理+化学方法提纯1503.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的制备3.3多晶体硅太阳能电池多晶硅产业链是指从硅石中冶炼金属硅开始，经过一系列的物理或化学方法提纯为一定纯度的多晶硅后，向半导体集成电路、器件产业和太阳能光伏产业及应用不断延伸的产业链。3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的制备3.3多晶体硅太阳能电池3.3多晶体硅太阳能电池3.3.1多晶硅的基本性质和制备电子级高纯多晶硅是整个产业链最初端，它质量好坏，直接关系到最终电子产品的性能。多晶硅的纯度（主要指标分六项：①受主杂质总含量，②施主杂质总含量，③体金属杂质含量，④氧含量，⑤碳含量，⑥面金属杂质含量），与单晶硅的质量有密切的关系。多晶硅生产中的电单耗、冶金级硅单耗、氢气单耗、主辅原料单耗等，是评定多晶硅生产工艺技术先进性的重要经济指标，也关系到它的销售价格。3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的制备3.3多晶体硅太阳能电池3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的制备3.3多晶体硅太阳能电池由多晶硅为源头所延伸的晶体硅太阳能光伏发电产业链如图所示。基本由四个环节构成。分别是晶体硅原料生产（Silicon）、硅片切割（wafer）、电池片制造（cell）、组件（modules）及系统（system）封装与应用。太阳能多晶硅处于这个光伏发电产业的最上游。3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的制备3.3多晶体硅太阳能电池从多晶硅生产，到制造太阳能电池组件的产业链中，重要环节行业描述如下：（1）太阳能电池单晶硅/多晶硅---多晶硅料提拉成单晶硅棒/经铸锭成铸锭多晶硅；（2）太阳能电池硅切片——将单晶硅棒/多晶硅铸锭线切割成硅片；（3）太阳能电池片——硅片经浸蚀清洗、涂膜钝化、丝网印刷等工艺制作成电池片）；（4）太阳能电池组件——单个小功率电池片经封装、串并连接、层压装配后成电池组件。电池组件与平衡配件（包括逆变器、控制器、蓄电池等）系统集成后即为可独立进行光电转换的太阳能电池。这五个环节的具体生产详细工艺过程见图2-4所示。3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的制备3.3多晶体硅太阳能电池3.3多晶体硅太阳能电池硅基太阳能电池组件成本主要包括多晶硅原料、硅棒（锭）生长、硅片切割、电池片制作及组件装配等材料与制造成本，各环节的成本比重如图所示。其中多晶硅原料为电池组件成本比重最高部分，约占整个组件原料与制作总成本的35%。3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的制备3.3多晶体硅太阳能电池1.冶金级硅材料的制程流程碳二氧化硅石墨棒电极电力粉尘冷水热水研磨冶金硅矿渣浇铸成形精炼液态硅进料排气过滤塔碳热还原制程法的示意图3.3多晶体硅太阳能电池152•碳热还原制程(CarbothermicReductionProcess)主反应SiO2(s)2C(s)Si(l)2CO(g)CO2(g)副反应Si(l)1/2O2(g)SiO(g)SiO(g)1/2O2SiO2(s)1.冶金级硅材料的制程流程3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的制备3.3多晶体硅太阳能电池152在內层高温热区：反应温度在1,900~2,100C2SiO2(l)SiC(s)3SiO(g)CO(g)SiO(g)SiC(s)2Si(l)CO(g)在外层低温冷区：反应温度小于1900CSiO(g)2CSiC(s)CO(g)2SiO(g)Si(l)SiO2(s)•碳热还原制程(CarbothermicReductionProcess)1.冶金级硅材料的制程流程3.3多晶体硅太阳能电池152其主要的反应式如下：3(SiO2)4Al3Si(l)2(Al2O3)SiO22CaSi(l)2(CaO)SiO22MgSi(l)2(MgO)Si(l)O2(SiO2)1.冶金级硅材料的制程流程精炼制程(RefiningProcess)3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的制备3.3多晶体硅太阳能电池153西门子制程法的制作流程示意图入口(三氯硅烷与氢气)反应气体入口电极連接线冷却水內套壁外套蓋冷却水系統多晶硅棒冶金硅干氯化氢(三氯硅烷)化学合成三氯硅烷四氯硅烷多晶硅蒸馏纯化与分离(三氯硅烷)三氯硅烷二次纯化处理热裂解处理纯三氯硅烷超纯三氯硅烷气体回收与纯化残留物四氯硅烷低熔点不纯物三氯硅烷＋四氯硅烷盐酸氢混合气体氢2.铸型压碎制程(CastingScratchProcess)3.3.1多晶硅的基本性质和制备3.3多晶体硅太阳能电池154第一阶段化学反应式Si(s)3HClSiHCl3H2Si(s)4HClSiCl42H2SiCl4H2SiHCl3HCl3SiCl42H2Si4SiHCl32SiHCl3SiCl4Si2HCl2.铸型压碎制程(CastingScratchProcess)3.3.1多晶硅的基本性质和制备3.3多晶体硅太阳能电池154第二阶段化学反应式2SiHCl3SiH2Cl2SiCl4SiH2Cl2Si2HClHSiCl3H2Si3HClHSiCl3HClSiCl4H22.铸型压碎制程(CastingScratchProcess)3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的制备3.3多晶体硅太阳能电池155联合碳化物制程法的制作流程示意图冶金硅化学合成(四氯硅烷/三氯硅烷)合成处理残留物低熔点不纯物蒸馏(四氯硅烷/三氯硅烷)分馏处理热裂解多晶硅氢四氯硅烷三氯硅烷四氯硅烷四氯硅烷硅烷氢电能二氯硅烷触媒催化塔(四氯硅烷/三氯硅烷/二氯硅烷)分离处理蒸馏纯化处理(硅烷)触媒催化塔(四氯硅烷/三氯硅烷/二氯硅烷)分离处理3.联合碳化物制程法的制作3.3多晶体硅太阳能电池156乙西而制程法的制作流程示意图排气硅晶种热氢气硅烷硅晶粒4.乙西而制程法3.3多晶体硅太阳能电池非晶矽多晶矽單晶矽多晶硅材料，是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料，它的材料性质体现的是各向同性。3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的性质3.3多晶体硅太阳能电池灰色金属光泽。密度2.32~2.34。熔点1410℃。沸点2355℃。溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。硬度介于锗和石英之间，室温下质脆，切割时易碎裂。加热至800℃以上即有延性，1300℃时显出明显变形。常温下不活泼，高温下与氧、氮、硫等反应。高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性。3.3.1多晶硅的基本性质和制备多晶硅的性质3.3多晶体硅太阳能电池多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面：在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。在化