1、太阳能产业链从“泥沙”到“白金”太阳能电池产业链1.第1页，共42页。一、工业硅冶炼工业硅是制备多晶硅的基本原料，其制备的方法很多，通常用还原剂油焦在高温中将SiO2还原为单质硅。还原剂有碳、镁、铝等。一般工业生产中选用价格低的焦炭（和木炭）、木材、玉米芯等还原剂。在生产中采用工业电炉，将碳电极插入硅石和还原剂组成的炉料中，加热到16001800还原出硅，反应式为：太阳能产业链COSiCSiOC221800160022.第2页，共42页。二、工业硅提纯,多晶硅生产产业链最上游是7家太阳能多晶硅（Silicon）厂商：Hemlock、德国Wacker、日本德山(Tokuyama)、REC、MEM
2、C、Misubishi和Sumitomo，他们对全球的多晶硅供应造成了严重的垄断，总产量占到全球太阳能多晶硅总产量的95%以上，其中，前3大厂产能约占全球总产能近6成，而龙头厂Hemlock市占率高达23%。由于技术门槛，几乎没有企业可以很快进入多晶硅生产制造领域，而且产能也远不是全球7巨头的对手。太阳能产业链3.第3页，共42页。二、硅晶片生产第二层是22家硅片(Wafer)厂商，包括RWE Schott Solar、Sharp、Q-cells、BP Solar、Deutsche Solar、Kyocera等，在这一环节主要的技术流程包括铸锭（或单晶生长）、切方滚磨、用多线切割机切片、化学腐
3、蚀抛光，其中铸锭（或单晶生长）环节属于高能耗，切割机等投资规模亦相对较大，设备投资约占初期总投资的60%以上。中国保定天威英利是这个领域的中国代表，具备生产单晶硅片的制造能力。技术难度仅次于多晶硅的制造难度。太阳能产业链4.第4页，共42页。三、太阳电池制造第三层是太阳能电池（Cell）制造，全球电池厂商有40余家；中国的代表企业是无锡尚德和天威英利，产能产量都属于全球主流的太阳能电池制造商。太阳能产业链5.第5页，共42页。四、太阳电池组件封装最下面是组件，将制作好的电池封装，技术含量相对较低，进入门槛亦低，属于劳动力密集型产业，全球厂商数量超过200 家，国内也有相当多企业进行封装作业。太
4、阳能产业链6.第6页，共42页。五、安装组成太阳能发电系统最后，把封装好的太阳电池组件进行安装，即可组成太阳能发电系统太阳能产业链7.第7页，共42页。一、冶炼硅材料及冶炼南安三晶冶炼厂进行金属硅冶炼8.第8页，共42页。二、冶炼过程硅材料及冶炼石英石木屑石油焦9.第9页，共42页。工业硅的精制工业硅（又称金属硅）用途广泛，可以用于保温材料（例如耐火砖，高温密封件，电焊条等），冶炼用硅（高硅铸铁，硅钢，矽钢片，碳化硅材料等），化学用硅（有机硅集合物，硅胶，硅烷，耐低温润滑油等等),电子用硅，用于制造晶体管，集成电路，功率器件，提纯光电高纯硅）。工业硅根据不同领域的应用，需要经过进一步加工方能够
5、在各种加工厂所使用，特别在某些特殊元素的处理上，比如Fe,Al,Ga的含量有特殊要求，产品的粒度有特殊要求，产品的均匀性，颗粒的大小，产品的初步挑选等等方面有特殊的要求，这就是工业硅的精制。特别是制作高纯硅材料的工业硅，需要更加特别。10.第10页，共42页。高纯硅材料化学提纯方法v 在第二次世界大战期间美国杜邦公司采用锌（Zn）还原SiCl4制出多晶硅，供美国的电子公司生产高频二极管，但用途未扩大。v 1955年西门子公司研究成功了用H2还原SiHCl3，在硅芯发热体上沉积硅的工艺技术，并于1957年建厂进行工业规模生产，这就是通常所说的西门子法。v随后，西门子工艺的改进主要集中在减少单位多
6、晶硅产品的原料、辅料、电能消耗以及降低成本等方面，于是出现了改良西门子法。v1956年英国国际标准电气公司的标准电讯实验所研究成功了SiH4热分解制备多晶硅的方法，被称为硅烷法。1959年日本的石冢研究所也同样成功研究出该方法。美国联合碳化物公司研究歧化法制备SiH4，1980年发表最终报告，综合上述工艺并加以改进，诞生了新硅烷法多晶硅生产工艺技术。硅材料的提纯11.第11页，共42页。改良西门子法的典型代表 Wacker公司 Wacker公司是一家大的化工企业，有自建的水力发电厂。主要产品有多晶硅、单晶硅硅片、有机硅、高纯SiHCl3、SiCl4、HCl等。Wacker的氢还原炉 Wacke
7、r生产的多晶硅棒 12.第12页，共42页。硅材料的提纯高纯硅材料物理提纯方法v 随着太阳能光伏发电市场的一步步发展，硅材料的紧张局势在90年代中期就已经被很多科学家和有识之士所注意到，以日本川崎制铁，挪威Elkem，中国的福建南安三晶为代表的工厂开始致力于物理法提纯高纯硅材料。旨在解决化学方法所面临的产量难以扩大，成本难以降低的问题。v 物理提纯方法制取太阳能级高纯硅材料是基于化合反应生成机理。根据金属硅所含的各种杂质元素的化学性质，在液态硅中将化合物（气体）导入液态硅熔炉中，控制不同温度、压力，通过高温汽化将杂质元素挥发去除，或生成新的化合物而粘附在液态硅表面或附着于中间包桶壁，达到去杂的
8、效果。13.第13页，共42页。硅材料的提纯其中的一种物理提纯法：14.第14页，共42页。硅材料的提纯物理提纯法：v物理提纯中，一般设计到三个步骤：v第一是去除硅材料中的P元素v第二是去除硅材料中的B元素v第三是通过定向凝固去除硅材料中的金属元素v目前，去除P、B，特别是B元素成为物理提纯法中最为关键的步骤。B元素的含量成为评判物理法硅材料最重要的指标。15.第15页，共42页。硅材料的提纯物理提纯法与化学提纯的比较：工工 艺指艺指 标标物理提纯法（物理方法）物理提纯法（物理方法）化学提纯法（化学方法）化学提纯法（化学方法）质量二至六个“9”可达十一个“9”以上成本低高设备简单，可操作复杂，
9、技术难度大产量高低能耗与污染耗能低，“三废”很少高耗能，“三废”污染源多16.第16页，共42页。太阳能级硅材料 太阳级硅简称SoG硅（Solar Grade Silicon）是指其性能可以满足制造晶体硅太阳电池需要的硅材料，本质上也应当是高纯度硅。绝大多数非人为掺入硅中的杂质都是有害无利的，因此采用多种方法提纯工业硅，去除硅中杂质到一定限度，使其不至于对器件（太阳电池也是一种光电转换的器件）性能产生不良影响。SoG硅涵义包括两层意思，其一是SoG硅与通常半导体级硅是有一定的区别，晶体硅太阳电池结构属光电二极管，比mos器件和双极型器件对硅材料的杂质、缺陷要求低一些；其二是SoG硅要求太阳光照
10、射产生的非平衡少数载流子寿命要足够长，因此对硅材料的电阻率、杂质和缺陷有一定的要求。17.第17页，共42页。太阳能级硅材料v 挪威科技大学（NTNU）的太阳能级多晶硅标准（ppmw*）杂质金属硅经提纯后金属硅SoG多晶硅B15-50301P10-50155O3000200010C100-25025010Fe200015010Al100-200502Ca100-6005002Ti20051Cr50151物理提纯法生产的高纯多晶硅材料在各种参数中符合SOG多晶硅的要求，这也成为这种低成本的硅材料在未来代替现有的高纯硅创造了条件。18.第18页，共42页。各种太阳能级硅材料物理法太阳能级硅材料IC
11、次等硅片高纯硅材料19.第19页，共42页。太阳能级硅片生产20.第20页，共42页。硅晶体制作21.第21页，共42页。太阳能级硅晶生长技术定向凝固系统(DSS)Directional Solidification System电磁法(EMC)Electromagnetic casting单晶硅Mono-Silicon直拉法(CZ)Czochralski Growth区熔法(FZ)Float-zoning多晶硅Multi-Silicon硅晶体制作22.第22页，共42页。直拉（CZ）法：目前大多数的单晶硅是采用直拉法生长的,最新的技术已经可以生长直径为300mm的硅锭,单个重量可达300kg
12、.直拉法主要用于拉制中、低阻以及重掺单晶。硅晶体制作：Mono-Silicon（单晶硅）23.第23页，共42页。区熔（FZ）法：区熔法相比于直拉法，能够获得更高纯度的高阻单晶硅，但是受限于其工作机理，区熔法直拉单晶的尺寸较小，成本也较直拉法高昂。硅晶体制作：Mono-Silicon（单晶硅）24.第24页，共42页。硅晶体制作：Mono-Silicon（多晶硅）25.第25页，共42页。传统切割技术是根据半导体工艺的需求发展起来的，面向单晶硅棒的切割技术，且单片厚度较大（0.5mm以上）。太阳电池生产的硅片使用量远远大于半导体工艺，且电池用硅片厚度较小（0.2mm左右），随着近年来太阳电池生
13、产的飞速发展，出现了一批专用于太阳能级硅片切割的设备。例如：HCT公司和MAYER-BEGER公司的大型多线切割机。其生产效率高，可以满足太阳电池产业的需要。晶体硅切片技术太阳能级硅片生产26.第26页，共42页。多晶硅切片多线切割27.第27页，共42页。带硅 极具潜力的晶体硅片生长技术 带状硅生长主要分为两种方式：u 垂直于固-液界面生长u 近似于平行固-液界面生长 根据siliconsultant网站的报道：使用上述技术获得的带硅在制成太阳能电池后，最高电池效率已达17.3%，但商业化效率仍然偏低，仅在12%-14.5%。同时，带硅的产能也仍然是一个需要解决的问题，这也是未来带硅技术发展
14、所急需解决的两点。带硅生长28.第28页，共42页。带硅 水平生长带硅生长29.第29页，共42页。晶体硅太阳电池发展方向未来的发展方向:u 大尺寸(210mm-325mm)u 薄片(180m-150m)u 高转换效率(多晶：17%-20%；单晶：20-23%)发展方向30.第30页，共42页。太阳能电池制作硅片清洗清除表面损伤绒面制作pn结制备测试分档电极制备减反射膜等离子刻边地面用太阳能电池主要包括硅片清洗、清除表面损伤层、绒面制作、P/N结制作、等离子腐蚀刻边、减反射膜制作、电极制备、最后测试分档。地面用晶体硅太阳电池制备工艺流程框图31.第31页，共42页。太阳能电池制作一、清洗、绒面
15、制作32.第32页，共42页。太阳能电池制作二、扩散33.第33页，共42页。太阳能电池制作三、减反射膜制作34.第34页，共42页。太阳能电池制作三、丝网印刷35.第35页，共42页。太阳能电池制作三、烧结36.第36页，共42页。太阳能电池制作三、成品电池37.第37页，共42页。五、太阳能组件和系统38.第38页，共42页。太阳能组件和系统薄膜太阳电池组件晶体硅太阳电池组件按太阳电池的材料分类半刚性太阳电池组件柔性太阳电池组件刚性太阳电池组件按封装类型分类不透光性太阳电池组件透光型太阳电池组件按透光度分类建筑一体化材料玻璃幕墙太阳电池组件窗檐太阳电池组件屋顶太阳电池组件分类按与建筑物结合
16、的方式太阳能组件和系统39.第39页，共42页。晶体硅太阳电池组件的结构下图为太阳电池的典型封装结构示意图。常规的太阳电池组件结构形式有下列几种，玻璃壳体式结构，底盒式组件，平板式组件，无盖板的全胶密封组件。太阳能组件和系统40.第40页，共42页。玻璃壳体式太阳电池组件示意图1玻璃壳体；2硅太阳电池；3互连条；4粘接剂；5衬底；6下底板；7边框线；8电极接线柱 底盒式太阳电池组件示意图1玻璃盖板；2硅太阳电池；3盒式下底板；4粘接剂；5衬底；6固定绝缘胶；7电极引线；8互连条。平板式太阳电池组件示意图1边框；2边框封装胶；3上玻璃盖板；4粘接剂；5下底板；6硅太阳电池；7互连条；8引线护套；9电极引线。全胶密封太阳电池组件示意图1硅太阳电池；2粘接剂；3电极引线；4下底板；5互连条。太阳能组件和系统41.第41页，共42页。薄膜太阳电池组件的结构 薄膜光伏电池同晶体硅电池的封装有些不同。衬底的类型不同，封装的方式不同，半导体材料与衬底的相对位置不同将影响组件的结构。非钢化玻璃衬底的前壁型太阳能电池封装结构 非钢化玻璃衬底的后壁型太阳能电池封装结构 其他类型衬底的太阳能电池封装结构 太阳能组件和系统42.第42页，共42页。
