1、 3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1.1半导体基础知识半导体基础知识 1.导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体 （1）自由电子与自由电子浓度）自由电子与自由电子浓度 物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，电子，电子受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。能在晶体能在晶体中自由运动的电子，称为中自由运动的电子，称为“自由电子自由电子”，它是导体导电的，它是导体导电的电荷粒子。电荷粒子。（2）晶体中自由电子的运动）晶体中自由电子的运动 由于晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章由于
2、晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章的运动。的运动。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 （3）导体、绝缘体和半导体）导体、绝缘体和半导体 导体，导体，导电能力强的物体，电阻率为导电能力强的物体，电阻率为10-9l0-6cm；绝缘体，绝缘体，不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的物体物体，电阻率为电阻率为108l020cm；半导体，半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻率为率为10-5l07cm。导电机理：导电机理：金属导体导电是金属导体导电是自由电子自由电子（n恒定恒定）在电场力作用下
3、的定）在电场力作用下的定向运动，向运动，电导率电导率基本恒定；基本恒定；半导体导电是半导体导电是电子电子和和空穴空穴在电场力作用下的定向运动。电在电场力作用下的定向运动。电子和空穴的浓度随温度、杂质含量、光照等变化较大，影子和空穴的浓度随温度、杂质含量、光照等变化较大，影响其导电能力。响其导电能力。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 2.硅的晶体结构硅的晶体结构 （1）硅的原子硅的原子结构结构 硅硅(Si)原子，原子序数原子，原子序数14，原子核外，原子核外14个电子，个电子，绕绕核运核运动，动，分层排分层排列：内层列：内层2个电子个电子(满，满，2*n2)，第二层，第二层8个电子个
4、电子(满，满，2*n2)，第三层，第三层4个电子个电子(不满，最外层为不满，最外层为8)，如图，如图3-1所示。所示。图图3-1 硅的原子结构硅的原子结构 及其原子能级及其原子能级3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 硅晶体和所有的晶体都是由原子硅晶体和所有的晶体都是由原子(或离子、分子或离子、分子)在空间按在空间按一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的的晶格晶格。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，即即长程有序长程有序，就称其为，就称其为单晶体单晶体。在硅晶体中，每个硅原
5、子。在硅晶体中，每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个相邻原子核都有相互作用，称为们与两个相邻原子核都有相互作用，称为共价键共价键。正是靠。正是靠共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。由许多小颗粒单晶杂乱无章地排列在一起的固体称为由许多小颗粒单晶杂乱无章地排列在一起的固体称为多多晶体晶体。非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式，非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式，如一个硅原子仍有四个共价键，短程看是有序的，如一个硅原子仍有四个共价键，
6、短程看是有序的，长程无长程无序序，这样的材料称为，这样的材料称为非晶体非晶体，也叫做无定形材料。，也叫做无定形材料。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 5.电子和空穴电子和空穴 电子从价带跃迁到导带（电子从价带跃迁到导带（自由电子自由电子）后，）后，在价带中留下在价带中留下一个空位，一个空位，称为称为空穴，空穴，空穴移动也可形成电流。电子的这空穴移动也可形成电流。电子的这种种跃迁形成跃迁形成电子电子-空穴对空穴对。电子和空穴都称为电子和空穴都称为载流子载流子。电子电子-空穴对空穴对不断不断产生产生，又不断，又不断复合复合。图图3-5 具有一个断键的硅晶体具有一个断键的硅晶体3.1 太
7、阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 6.掺杂半导体掺杂半导体 晶格完整且不含杂质的半导体称为晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体本征半导体。硅半导体掺杂少量的五价元素磷硅半导体掺杂少量的五价元素磷(P)N型硅型硅：自由电子自由电子数量多数量多多多数载流子（数载流子（多子多子）；）；空穴空穴数量很少数量很少少数载流子（少数载流子（少子少子）。电子型半导）。电子型半导体或体或n型半导体。型半导体。掺杂少量的三价元素硼掺杂少量的三价元素硼(B)P型硅型硅：空穴空穴数量多数量多多数载流子（多数载流子（多多子子）；）；自由电子自由电子数量很少数量很少少数载流子少数载流子(少子少子)。空穴型半导体或。
8、空穴型半导体或p型半型半导体。导体。图图3-6 n型和型和p型硅晶体结构型硅晶体结构3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 7.载流子的产生与复合载流子的产生与复合由于晶格的热振动，电子不断从价带被由于晶格的热振动，电子不断从价带被“激发激发”到导到导带，形成一对电子和空穴（即带，形成一对电子和空穴（即电子电子-空穴对空穴对），这就是），这就是载流载流子子产生产生的过程。的过程。电子和空穴在晶格中的运动是无规则的，可使一对电子电子和空穴在晶格中的运动是无规则的，可使一对电子和空穴消失。这种现象叫做电子和空穴的复合，即和空穴消失。这种现象叫做电子和空穴的复合，即载流子载流子复合复合。一定的
9、温度下晶体内产生和复合的电子一定的温度下晶体内产生和复合的电子-空穴对数目达到空穴对数目达到相对平衡，晶体的总载流子浓度保持不变，相对平衡，晶体的总载流子浓度保持不变，热平衡状态热平衡状态。由于光照作用，产生由于光照作用，产生光生电子光生电子-空穴对空穴对，电子和空穴的产，电子和空穴的产生率就大于复合率，形成非平衡载流子，称为生率就大于复合率，形成非平衡载流子，称为光生载流子光生载流子。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 8.载流子的输运载流子的输运半导体中存在能够导电的半导体中存在能够导电的自由电子自由电子和和空穴空穴，这些载流子，这些载流子有两种输运方式：漂移运动和扩散运动。有两
10、种输运方式：漂移运动和扩散运动。载流子在载流子在热平衡热平衡时作不规则的热运动，与晶格、杂质、时作不规则的热运动，与晶格、杂质、缺陷发生碰撞，运动方向不断改变，平均位移等于零，这缺陷发生碰撞，运动方向不断改变，平均位移等于零，这种现象叫做种现象叫做散射。散射。散射不会形成电流。散射不会形成电流。半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定方向的半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定方向的运动称为运动称为漂移运动漂移运动。外界电场的存在使载流子作定向的漂。外界电场的存在使载流子作定向的漂移运动，并形成电流。移运动，并形成电流。扩散运动扩散运动是半导体在因外加因素使载流子浓度不均匀而是半导体在因
11、外加因素使载流子浓度不均匀而引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁移运动。引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁移运动。扩散运动和漂移运动不同，它不是由于电场力的作用产扩散运动和漂移运动不同，它不是由于电场力的作用产生的，而是由于载流子浓度差的引起的。生的，而是由于载流子浓度差的引起的。3.1.2 p-n结结 n型半导体和型半导体和p型半导体紧密接触，在交界处型半导体紧密接触，在交界处:n区中电子浓度高，要向区中电子浓度高，要向p区扩散区扩散在在n区一侧就形成一个区一侧就形成一个正正电荷电荷的区域；的区域；p区中空穴浓度高，要向区中空穴浓度高，要向n区扩散区扩散 p区一侧就形成一个区一侧就形成一个
12、负电负电荷荷的区域；的区域；这个这个n区和区和p区交界面两侧的正、负电荷薄层区域称为区交界面两侧的正、负电荷薄层区域称为“空空间电荷区间电荷区”，即，即p-n结结内建电场内建电场 内建电场的存在一方面阻止内建电场的存在一方面阻止“多子多子”的扩散运动，另一方的扩散运动，另一方面增强面增强“少子少子”漂移运动，最终达到平衡状态。漂移运动，最终达到平衡状态。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1.2 p-n结结(a)n区电子往区电子往P区区 (b)p区空穴往区空穴往N区区 (c)p-n结电场结电场扩散在扩散在n区形成带区形成带 扩散在扩散在p
13、区形成带区形成带正电的薄层正电的薄层A 负电的薄层负电的薄层B 图图3-8 p-n结电子与空穴的扩散结电子与空穴的扩散3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1.2 p-n结结(a)形成形成p-n结前载流子的扩散过程结前载流子的扩散过程 (b)空间电荷区和内建电场空间电荷区和内建电场图图3-8 p-n结结3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1.2 p-n结结单向导电性单向导电性 当当p-n结加上结加上正向偏压正向偏压，外加电场的方向与内建电场的方，外加电场的方向与内建电场的方向相反，打破了扩散运动和漂移运动的相对平衡，形成通向相反，打破了扩散运动和漂移运动的相对平衡，形成通
14、过过p-n结的电流（称为结的电流（称为正向电流正向电流），较大；），较大；当当p-n结加上结加上反向偏压反向偏压，构成，构成p-n结的结的反向电流反向电流，很小。，很小。图图3-9 p-n结单向导电特性结单向导电特性 3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.1.3 光伏效应光伏效应太阳能电池太阳能电池 1.光伏效应光伏效应 当太阳电池受到当太阳电池受到光照时光照时，光在，光在n区、空间电荷区和区、空间电荷区和p区被吸收，分别区被吸收，分别产生产生电子电子-空穴对空穴对。由于入射光强度从表面到太阳电池体内成指数衰。由于入射光强度从表面到太阳电池体内成指数衰减，在各处产生减，在各处产生光生
15、载流子光生载流子的数量有差别，沿光强衰减方向将形成的数量有差别，沿光强衰减方向将形成光生光生载流子的浓度梯度载流子的浓度梯度，从而产生载流子的，从而产生载流子的扩散运动扩散运动。n区中产生的光生载流子到达区中产生的光生载流子到达p-n结区结区n侧边界时，由于内建电场的侧边界时，由于内建电场的方向是从方向是从n区指向区指向p区，静电力立即将区，静电力立即将光生空穴光生空穴拉到拉到p区，区，光生电子光生电子阻留阻留在在n区。区。p区中到达区中到达p-n结区结区p侧边界的侧边界的光生电子光生电子立即被内建电场拉向立即被内建电场拉向n区，区，空空穴穴被阻留在被阻留在p区。区。空间电荷区中产生的光生电子
16、空间电荷区中产生的光生电子-空穴对则自然被内建电场分别拉向空穴对则自然被内建电场分别拉向n区和区和p区。区。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 1.光伏效应光伏效应p-n结及两边产生的结及两边产生的光生载流子光生载流子就被就被内建电场内建电场所所分离分离，在，在p区聚集光区聚集光生空穴，在生空穴，在n区聚集光生电子，使区聚集光生电子，使p区带正电，区带正电，n区带负电，在区带负电，在p-n结两结两边产生边产生光生电动势光生电动势。上述过程通常称作光生伏特效应或。上述过程通常称作光生伏特效应或光伏效应光伏效应。光。光生电动势的电场方向和平衡生电动势的电场方向和平衡p-n结内建电场的方向
17、相反。当太阳能电池结内建电场的方向相反。当太阳能电池的两端接上负载，这些分离的电荷就形成电流。的两端接上负载，这些分离的电荷就形成电流。图图3-10 光伏效应示意图光伏效应示意图 3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 1.光伏效应光伏效应 太阳能电池太阳能电池 当太阳能电池的两端接上负载，光伏电动势就形成电流。当太阳能电池的两端接上负载，光伏电动势就形成电流。图图3-11 太阳电池的发电原理太阳电池的发电原理3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理2.1.4太阳电池的结构和性能太阳电池的结构和性能 1.太阳电池的结构太阳电池的结构 最简单的太阳电池是由最简单的太阳电池是由p-n结构
18、成的，如图结构成的，如图3-142示，其示，其上表面有栅线形状的上电极，背面为背（底）电极，在太上表面有栅线形状的上电极，背面为背（底）电极，在太阳电池表面通常还镀有一层减反射膜。阳电池表面通常还镀有一层减反射膜。图图3-12 太阳电池的结构和符号太阳电池的结构和符号3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 1.太阳电池的结构太阳电池的结构 硅太阳电池一般制成硅太阳电池一般制成p/n型结构或型结构或n/p型结构。型结构。太阳电池输出电压的极性，太阳电池输出电压的极性，p型一侧电极为正，型一侧电极为正，n型一侧型一侧电极为负。电极为负。根据太阳电池的材料和结构不同，分为许多种形式，如根据太阳
19、电池的材料和结构不同，分为许多种形式，如p型和型和n型材料均为相同材料的型材料均为相同材料的同质结太阳电池同质结太阳电池(如晶体硅太阳如晶体硅太阳电池电池)；p型和型和n型材料为不同材料的型材料为不同材料的异质结太阳电池异质结太阳电池硫化镉硫化镉/碲化镉碲化镉(CdS/CdTe)，硫化镉，硫化镉/铜铟硒铜铟硒(CdS/CulnSe2)薄膜太阳薄膜太阳电池电池；金属；金属-绝缘体绝缘体-半导体半导体(MIS)太阳电池；绒面硅太阳电太阳电池；绒面硅太阳电池；激光刻槽掩埋电极硅太阳电池；钝化发射结太阳电池；激光刻槽掩埋电极硅太阳电池；钝化发射结太阳电池；背面点接触太阳电池；叠层太阳电池等。池；背面点
20、接触太阳电池；叠层太阳电池等。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 2.太阳电池的技术参数太阳电池的技术参数（1）开路电压（）开路电压（Uoc）受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累于于p-n结两侧产生光生电动势，这时在太阳电池两端测得的结两侧产生光生电动势，这时在太阳电池两端测得的电势差叫做开路电压，用符号电势差叫做开路电压，用符号Uoc表示。表示。（2）短路电流（）短路电流（Isc）如果把太阳电池从外部短路测得的最大电流，称为短路如果把太阳电池从外部短路测得的最大电流，称为短路电流，用符号电流，用符号Isc表示。表示。图图3
21、-13 硅光电池的开路电压硅光电池的开路电压和短路电流与光照度关系和短路电流与光照度关系 3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理（3）最大输出功率（）最大输出功率（P）把太阳电池接上负载，负载电阻中便有电流流过，该电把太阳电池接上负载，负载电阻中便有电流流过，该电流称为太阳电池的流称为太阳电池的工作电流工作电流（I），也称负载电流或输出电），也称负载电流或输出电流。负载两端的电压称为太阳电池的流。负载两端的电压称为太阳电池的工作电压工作电压(U)。太阳电。太阳电池的池的输出功率输出功率P=UI。太阳电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将太阳电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，
22、将不同阻值所对应的工作电压和电流值作成曲线，就得到太不同阻值所对应的工作电压和电流值作成曲线，就得到太阳电池的阳电池的伏安特性曲线伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率（最大输出功率（Pm）。此时的工作电压和工作电流称为此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压（最佳工作电压（Um）和）和最佳工作电流最佳工作电流（Im），），Pm=UmIm。3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 （4）填充因子（）填充因子（FF）太阳电池的另一个重要参数是填充因子太阳电池的另一个重要参数是填充因子FF
23、，它是最大输，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比：出功率与开路电压和短路电流乘积之比：（5）转换效率（）转换效率（）太阳电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻太阳电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳电池的最大输出功率与时的最大能量转换效率，等于太阳电池的最大输出功率与入射到太阳电池表面的辐照功率之比：入射到太阳电池表面的辐照功率之比：scocmmscocmIUIUIUPFF%100%100inscocinmPIUFFPP3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 3.太阳电池的伏太阳电池的伏-安特性及等效电路安特性及等效电路 太阳电池的电
24、路及等效电路如图太阳电池的电路及等效电路如图3-14所示。所示。ID(二极管电流二极管电流)为通过为通过p-n结的总扩散电流，与结的总扩散电流，与Isc反向；反向；Rs串联电阻，主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电串联电阻，主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面接触电阻所组成，很小；阻和电极与硅表面接触电阻所组成，很小；Rsh为旁路电为旁路电阻，主要由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的，很大。阻，主要由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的，很大。(a)光照时太阳电池的电路光照时太阳电池的电路 (b)光照时太阳电池的等效电路光照时太阳电池的等效电路图图3-14太阳电池的电路及
25、等效电路太阳电池的电路及等效电路3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 当当RL=0时，所测的电流为电池的时，所测的电流为电池的短路电流短路电流Isc。Isc与电池与电池面积成正比，面积成正比，1cm2太阳电池的太阳电池的Isc值为值为1630mA；同一块太；同一块太阳电池，阳电池，Isc值与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高值与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高时，时，Isc略有上升。略有上升。当当RL为无穷大为无穷大时，所测得的电压为电池的时，所测得的电压为电池的开路电压开路电压Uoc，Uoc随光照度变化不大随光照度变化不大。(a)光照时太阳电池的电路光照时太阳电池的电路 (b)
26、光照时太阳电池的等效电路光照时太阳电池的等效电路图图3-14太阳电池的电路及等效电路太阳电池的电路及等效电路3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理伏安特性曲线伏安特性曲线图图3-15 太阳电池的电流太阳电池的电流-电压关系曲线电压关系曲线 图图3-16 常用太阳电池电流常用太阳电池电流-电压特性曲线电压特性曲线1-未受光照；未受光照；2-受光照受光照 I-电流；电流；Isc-短路电流；短路电流；Im-最大工作电流；最大工作电流；U-电压；电压；Uoc-开路电压；开路电压；Um-最大工作电压；最大工作电压；Pm-最大功率最大功率3.1 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 太阳电池性能的测
27、试须在标准条件太阳电池性能的测试须在标准条件 太阳电池（组件）的输出功率取决于太阳辐照度、太阳太阳电池（组件）的输出功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和太阳电池（组件）的工作温度，因此太阳电池光谱分布和太阳电池（组件）的工作温度，因此太阳电池性能的测试须在标准条件（性能的测试须在标准条件（STC）下进行。测量标准被欧洲）下进行。测量标准被欧洲委员会定义为委员会定义为101号标准，其号标准，其测试条件测试条件是：是：光谱辐照度光谱辐照度1000W/m2；大气质量为大气质量为AM1.5时的光谱分布；时的光谱分布；电池温度电池温度25。在该条件下，太阳电池（组件）输出的最大功率称为在该条件下，太阳电
28、池（组件）输出的最大功率称为峰峰值功率值功率。太阳电池性能的影响因素太阳电池性能的影响因素 晶体结构晶体结构；温度温度；日照强度；日照强度；光谱响应；光谱响应；负载电阻；负载电阻；遮挡或阴影。遮挡或阴影。3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*硅太阳能电池（单晶、多晶和非晶硅太阳电池）是目前硅太阳能电池（单晶、多晶和非晶硅太阳电池）是目前使用最广泛的太阳能电池，占太阳能电池总产量的使用最广泛的太阳能电池，占太阳能电池总产量的90%以以上。上。晶体硅太阳能电池的一般生产制造工艺：晶体硅太阳能电池的一般生产制造工艺：硅材料的制备硅材料的制备 太阳能电池的制造太阳能电池的制造 太阳能电池组件的
29、封装太阳能电池组件的封装 硅砂硅砂(SiO2)冶金硅冶金硅(MG-Si)晶体硅晶体硅(Si)硅片硅片光伏电池片光伏电池片电池组件电池组件电池方阵电池方阵3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*3.2.1 硅材料的优异性能硅材料的优异性能 （1）Si材料丰富，易于提纯材料丰富，易于提纯;（2）Si原子占晶格空间小（原子占晶格空间小（34%），有利于电子运动和），有利于电子运动和掺杂；掺杂；（3）Si原子核外原子核外4个，掺杂后，容易形成电子个，掺杂后，容易形成电子-空穴对；空穴对；（4）容易生长大尺寸的单晶硅（）容易生长大尺寸的单晶硅（400 1100mm，重，重438kg）；）；（5）易
30、于通过沉积工艺制作单晶）易于通过沉积工艺制作单晶Si、多晶、多晶Si和非晶和非晶Si薄薄层材料；层材料；3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*（6）易于腐蚀加工；）易于腐蚀加工；（7）带隙适中（在室温下硅的禁带宽度）带隙适中（在室温下硅的禁带宽度Eg1.l2eV），），受本征激发影响小；受本征激发影响小；（8）Si材料力学性能好，便于机加工；材料力学性能好，便于机加工；（9）Si材料理化性能稳定；材料理化性能稳定；（10）Si材料便于金属掺杂，制作低阻值欧姆接触；材料便于金属掺杂，制作低阻值欧姆接触；（11）切片损伤小，便于可控钝化；）切片损伤小，便于可控钝化；（12）Si材料表面材料
31、表面SiO2薄层制作简单，薄层制作简单，SiO2薄层有利于减薄层有利于减小反射率，提高太阳能电池发电效率；小反射率，提高太阳能电池发电效率；SiO2薄层绝缘好，薄层绝缘好，便于电气绝缘的表面钝化；便于电气绝缘的表面钝化；SiO2薄层是良好的掩膜层和阻薄层是良好的掩膜层和阻挡层。挡层。Si 材料是优良的光伏发电材料！材料是优良的光伏发电材料！3.2 太阳能电池材料制备太阳能电池材料制备*3.2.2 硅材料的制备硅材料的制备 制造太阳电池的硅材料以制造太阳电池的硅材料以石英砂石英砂（SiO2）为原料，先把石）为原料，先把石英砂放入电炉中用碳还原得到英砂放入电炉中用碳还原得到冶金硅冶金硅，较好的纯度
32、为，较好的纯度为98%99%。冶金硅与氯气（或氯化氢）反应得到四氯化硅。冶金硅与氯气（或氯化氢）反应得到四氯化硅（或三氯氢硅），经过精馏使其纯度提高，然后通过氢气（或三氯氢硅），经过精馏使其纯度提高，然后通过氢气还原成还原成多晶硅多晶硅。多晶硅经过坩埚直拉法（。多晶硅经过坩埚直拉法（Cz法）或区熔法法）或区熔法（Fz法）制成法）制成单晶硅单晶硅棒，硅材料的纯度可进一步提高，要棒，硅材料的纯度可进一步提高，要求单晶硅缺陷和有害杂质少。求单晶硅缺陷和有害杂质少。石英砂石英砂冶金硅冶金硅多晶硅多晶硅单晶硅单晶硅 从硅材料到制成太阳电池组件，需要经过一系列复杂的从硅材料到制成太阳电池组件，需要经过一系
33、列复杂的工艺过程，以多晶硅太阳电池组件为例，其生产过程大致工艺过程，以多晶硅太阳电池组件为例，其生产过程大致是：是：硅砂硅砂硅锭硅锭硅片硅片电池片电池片电池电池组件组件3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 3.3.1 硅片的加工硅片的加工晶体硅晶体硅硅片硅片 硅片的加工，是将硅锭经表面整形、定向、切割、研磨、硅片的加工，是将硅锭经表面整形、定向、切割、研磨、腐蚀、抛光、清洗等工艺，加工成具有一定直径、厚度、腐蚀、抛光、清洗等工艺，加工成具有一定直径、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光洁度，表面无缺陷、晶向和高度、表面平行度、平整度、光洁度，表面无缺陷、无崩边、无损伤层，高度完整、
34、均匀、光洁的镜面硅片。无崩边、无损伤层，高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。图图3-23 硅片加工工艺流程硅片加工工艺流程3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 3.3.1 硅片的加工硅片的加工 1.切片工艺技术的原则要求：切片工艺技术的原则要求：（1）切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差）切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小；小；（2）断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹；）断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹；（3）提高成品率，缩小刀）提高成品率，缩小刀(钢丝钢丝)切缝，降低原材料损切缝，降低原材料损耗；耗；（4）提高切割速度，实现自动化切割。）提高切割速度，实现自动化切割
35、。2.切片方法：切片方法：外圆切割、内圆切割、线切割以及激光切割等。外圆切割、内圆切割、线切割以及激光切割等。3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 内圆切割内圆切割：用内圆切割机将硅锭切割成用内圆切割机将硅锭切割成0.20.4mm的薄片。其刀体的的薄片。其刀体的厚度厚度0.1mm左右，刀刃的厚度左右，刀刃的厚度0.200.25mm，刀刃上黏有金，刀刃上黏有金刚砂粉。切割过程中，每切割一片，硅材料有刚砂粉。切割过程中，每切割一片，硅材料有0.30.35mm的厚度损失，因此硅材料的利用率仅为的厚度损失，因此硅材料的利用率仅为4050%。内圆切割。内圆切割刀片的示意图，如图刀片的示意图，如图
36、3-24所示。所示。图图3-24 内圆切割刀片示意图内圆切割刀片示意图3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 内圆切割方法，可分为内圆切割方法，可分为4类：类：（a）刀片水平安装，硅料水平方向送进切割；）刀片水平安装，硅料水平方向送进切割；（b）刀片垂直安装，硅料水平方向送进切割；）刀片垂直安装，硅料水平方向送进切割；（c）刀片垂直安装，硅料垂直方向送进切割；）刀片垂直安装，硅料垂直方向送进切割；（d）刀片固定，硅片垂直方向送进切割。）刀片固定，硅片垂直方向送进切割。图图3-25 内圆式切割机切割分类方法示意图内圆式切割机切割分类方法示意图3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 线
37、切割机切片线切割机切片 一根长达几千米的线两头缠绕在转鼓上，这根线在带磨一根长达几千米的线两头缠绕在转鼓上，这根线在带磨料的悬浮液中切割硅晶体。切片更快，硅片更薄料的悬浮液中切割硅晶体。切片更快，硅片更薄（0.180.2mm），硅损），硅损失更少（失更少（30%）。）。图图3-26 硅片线切割示意图硅片线切割示意图3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 表表3-2 线切割与内圆切割特征的比较线切割与内圆切割特征的比较 性性 能能线切割线切割内圆切割内圆切割切割方法切割方法自由磨削加工自由磨削加工固定研磨加工固定研磨加工切片表面切片表面线锯痕迹线锯痕迹切痕、裂纹、碎屑切痕、裂纹、碎屑损伤深
38、度损伤深度/m5152030切片效率切片效率/(cm2/h)1102201030每次切片数每次切片数/片片2004001损耗损耗/m150210300500可切片最薄厚度可切片最薄厚度/m180200350可切硅锭最大直径可切硅锭最大直径/mm300以上以上200切片翘曲度切片翘曲度轻微轻微严重严重3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 激光切片机激光切片机 3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 3.3.2 硅太阳能电池的制造硅太阳能电池的制造硅片硅片电池片电池片 制造晶体硅太阳能电池包括绒面制备、扩散制结、制作制造晶体硅太阳能电池包括绒面制备、扩散制结、制作电极和制备蒸镀减反射
39、膜等主要工序。电极和制备蒸镀减反射膜等主要工序。常规晶体硅太阳能常规晶体硅太阳能电池的一般生产制造工艺流程如图电池的一般生产制造工艺流程如图3-27所示。所示。图图3-27 晶体硅太阳能电池生产制造工艺流程晶体硅太阳能电池生产制造工艺流程3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 3.3.2 硅太阳能电池的制造硅太阳能电池的制造 1.硅片的选择硅片的选择 硅片通常加工成方形、长方形、圆形或半圆形，厚度为硅片通常加工成方形、长方形、圆形或半圆形，厚度为0.180.4mm。2.硅片的表面处理硅片的表面处理 （1）化学清洗去污，高纯水，有机溶剂，浓酸，强碱。）化学清洗去污，高纯水，有机溶剂，浓酸，
40、强碱。（2）硅片的表面腐蚀去除）硅片的表面腐蚀去除3050 m表面厚的损伤层。表面厚的损伤层。酸性腐蚀酸性腐蚀 浓硝酸与氢氟酸的配比为（浓硝酸与氢氟酸的配比为（10:1）（2:1）；）；硝酸、氢氟酸与醋酸的一般配比为硝酸、氢氟酸与醋酸的一般配比为5:3:3或或5:1:1或或6:1:1。碱性腐蚀碱性腐蚀 氢氧化钠、氢氧化钾等碱溶液氢氧化钠、氢氧化钾等碱溶液。3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 3.绒面制备绒面制备 单晶硅绒面结构的制备，就是就是利用硅的各向异性腐单晶硅绒面结构的制备，就是就是利用硅的各向异性腐蚀蚀(NaOH，KOH)，在硅表面形成金字塔结构。，在硅表面形成金字塔结构。绒
41、面结构，使绒面结构，使入射光在硅片表面多次反射和折射，入射光在硅片表面多次反射和折射，有助于有助于减少光的反射，增加光减少光的反射，增加光的吸收，提高电池效率。的吸收，提高电池效率。图图3-28 绒面结构绒面结构减少光的反射减少光的反射 3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 4.扩散制结扩散制结 制结过程：制结过程：在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散层。层。制结方法：制结方法：热扩散法、离子注入法、薄膜生长法、合金热扩散法、离子注入法、薄膜生长法、合金法、激光法和高频电注入法等。法、激光法和高频电注入法等。热扩散法制结：热扩散法制结：采用片状氮
42、化硼作源，在氮气保护下进行采用片状氮化硼作源，在氮气保护下进行扩散。扩散前，氮化硼片先在扩散温度下通氧扩散。扩散前，氮化硼片先在扩散温度下通氧30min，使其，使其表面的三氧化二硼与硅发生反应，形成硼硅玻璃沉积在硅表面的三氧化二硼与硅发生反应，形成硼硅玻璃沉积在硅表面，硼向硅内部扩散。扩散温度为表面，硼向硅内部扩散。扩散温度为950l000，扩散时间，扩散时间为为1530min，氮气流量为，氮气流量为2L/min。扩散要求：扩散要求：获得适合于太阳能电池获得适合于太阳能电池p-n结需要的结需要的结深结深(0.30.5 m)和和扩散层方块电阻扩散层方块电阻R(平均为平均为20l00/囗囗)。3.
43、3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 5.去除背结去除背结 在扩散过程中，硅片的背面也形成在扩散过程中，硅片的背面也形成了了p-n结，所以在制结，所以在制作电极前需要去除背结。作电极前需要去除背结。去除背结的常用方法，主要有化学腐蚀法、磨片法和蒸去除背结的常用方法，主要有化学腐蚀法、磨片法和蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法等。铝或丝网印刷铝浆烧结法等。（1）化学腐蚀法化学腐蚀法 掩蔽前结后用腐蚀液蚀去其余部分的扩散层。该法可同掩蔽前结后用腐蚀液蚀去其余部分的扩散层。该法可同时除去背结和周边的扩散层，因此可省去腐蚀周边的工时除去背结和周边的扩散层，因此可省去腐蚀周边的工序。腐蚀后，背面平整光亮，适合
44、于制作真空蒸镀的电序。腐蚀后，背面平整光亮，适合于制作真空蒸镀的电极。前结的掩蔽一般用涂黑胶的方法。硅片腐蚀去背结后极。前结的掩蔽一般用涂黑胶的方法。硅片腐蚀去背结后用溶剂去真空封蜡，再经浓硫酸或清洗液煮沸清洗，最后用溶剂去真空封蜡，再经浓硫酸或清洗液煮沸清洗，最后用去离子水洗净后烤干备用。用去离子水洗净后烤干备用。3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 （2）磨片法）磨片法 用金刚砂磨去背结。也可将携带砂粒的压缩空气喷射到用金刚砂磨去背结。也可将携带砂粒的压缩空气喷射到硅片背面以除去背结。背结除去后，磨片后背面形成一个硅片背面以除去背结。背结除去后，磨片后背面形成一个粗糙的硅表面，适用
45、于化学镀镍背电极的制造。粗糙的硅表面，适用于化学镀镍背电极的制造。（3）蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法）蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法前两种方法对前两种方法对n+/p型和型和p+/n型电池制造工艺均适用，本型电池制造工艺均适用，本法则仅适用于法则仅适用于n+/p型电池制造工艺。此法是在扩散硅片背型电池制造工艺。此法是在扩散硅片背面真空蒸镀或丝网印刷一层铝，加热或烧结到铝面真空蒸镀或丝网印刷一层铝，加热或烧结到铝-硅共熔硅共熔点点(577)以上使它们成为合金。经过合金化以后，随着降以上使它们成为合金。经过合金化以后，随着降温，液相中的硅将重新凝固出来，形成含有少量铝的再结温，液相中的硅将重新凝固出来，形成含
46、有少量铝的再结晶层。实际上是一个对硅掺杂过程。在足够的铝量和合金晶层。实际上是一个对硅掺杂过程。在足够的铝量和合金温度下，背面甚至能形成与前结方向相同的电场，称为背温度下，背面甚至能形成与前结方向相同的电场，称为背面场。面场。3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 6.制备减反射膜制备减反射膜 硅表面对光的反射损失率高达硅表面对光的反射损失率高达35%左右。左右。减反射膜减反射膜作用作用：减反射膜不但具有减少光反射的作用，：减反射膜不但具有减少光反射的作用，而且对电池表面还可起到钝化和保护的作用。而且对电池表面还可起到钝化和保护的作用。制备制备方法方法：采用真空镀膜法、气相生长法或其它化
47、学方：采用真空镀膜法、气相生长法或其它化学方法等，在已制好的电池正面法等，在已制好的电池正面蒸镀蒸镀一层或多层二氧化硅或二一层或多层二氧化硅或二氧化钛或五氧化二钽或五氧化二铌氧化钛或五氧化二钽或五氧化二铌减反射膜减反射膜。技术技术要求要求：膜对入射光波长范围的吸收率要小，膜的理：膜对入射光波长范围的吸收率要小，膜的理化能稳定，膜层与硅粘接牢固，膜耐腐蚀，制作工艺简化能稳定，膜层与硅粘接牢固，膜耐腐蚀，制作工艺简单、价格低廉。单、价格低廉。二氧化硅膜二氧化硅膜，镀一层减反射膜可将入射光的反射率减少，镀一层减反射膜可将入射光的反射率减少到到10%左右，镀两层则可将反射率减少到左右，镀两层则可将反射
48、率减少到4%以下。以下。3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 7.腐蚀周边腐蚀周边 在扩散过程中，硅片的周边表面也有扩散层形成。硅片在扩散过程中，硅片的周边表面也有扩散层形成。硅片周边表面的扩散层会使电池上下电极形成短路环，必须将周边表面的扩散层会使电池上下电极形成短路环，必须将其去除。周边上存在任何微小的局部短路，都会使电池并其去除。周边上存在任何微小的局部短路，都会使电池并联电阻下降，以致成为废品。联电阻下降，以致成为废品。去边的方法：主要有腐蚀法和挤压法。腐蚀法是将硅片去边的方法：主要有腐蚀法和挤压法。腐蚀法是将硅片两面掩好，在硝酸、氢氟酸组成的腐蚀液中腐蚀两面掩好，在硝酸、氢氟
49、酸组成的腐蚀液中腐蚀30s左右；左右；挤压法则是用大小与硅片相同而略带弹性的耐酸橡胶或塑挤压法则是用大小与硅片相同而略带弹性的耐酸橡胶或塑料与硅片相间整齐地隔开，施加一定压力阻止腐蚀液渗入料与硅片相间整齐地隔开，施加一定压力阻止腐蚀液渗入缝隙，以取得掩蔽的方法。缝隙，以取得掩蔽的方法。3.3 太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺 8.制作上、下电极制作上、下电极 所谓所谓电极电极，就是与电池，就是与电池p-n结形成紧密欧姆接触的导电材结形成紧密欧姆接触的导电材料。通常料。通常对电极的要求对电极的要求有：接触电阻小；收集效率有：接触电阻小；收集效率高；遮蔽面积小；能与硅形成牢固的接触；稳定性高；
50、遮蔽面积小；能与硅形成牢固的接触；稳定性好；宜于加工；成本低；易于引线，可焊性强；好；宜于加工；成本低；易于引线，可焊性强；体电阻小；污染小。体电阻小；污染小。制作方法制作方法：真空蒸镀法、化学镀镍法、银真空蒸镀法、化学镀镍法、银/铝浆印刷烧结铝浆印刷烧结法等。所用法等。所用金属材料金属材料：铝、钛、银、镍等。铝、钛、银、镍等。电池光照面的电极称为电池光照面的电极称为上电极上电极（窄细的栅线状窄细的栅线状，有利于，有利于收集光生电流，并保持较大受光面积收集光生电流，并保持较大受光面积），制作在电池背面，制作在电池背面的电极称为的电极称为下电极下电极或背电极或背电极（全部或部分布满背面，（全部或
