1、南昌大學畢 業 論 文題 目： 晶硅太陽能電池發展 專 業： 光伏材料加工技術與應用 班 級： 自考 準考證號： 056912300379 學生姓名： 馬 玉 鴻 院 系： 光伏材料系 指導教師： 肖全松 日 期： 2014年10月 目 錄摘 要11.單晶硅太陽能電池的發展背景和意義12.單晶硅太陽能電池的特點12.1單晶硅太陽能電池的結構22.2單晶硅太陽能電池的優點3單晶硅的直拉法53.晶體硅的優缺點63.1 單晶硅太陽能電池及其產品的優缺點73.2晶體硅太能電池產業化技術發展74. 晶體硅太陽能電池網印刷和燒結工藝84.1 晶體硅印刷和燒結工藝94.2. 晶體硅印刷和燒結工藝概述10致謝

2、12參考文獻12摘 要太陽能電池是一種取之不盡，用之不竭的可再生能源。在過去的50年間，不僅太陽能電池的產業，相關的科學和技術也得到了很大的發展，一方面，硅太陽電池的效率不斷的提高，在實驗中達到25%左右，逐漸接近理論值；另一方面不斷有新的高性能半導體材料被用于太陽能光電材料。本文首先從晶硅太陽電池發展入手，介紹了國內外太陽電池設備技術現狀，分析了我國太陽電池生產與國際的差距；此后，從硅太陽電池的發電原理及制作過程,分析了單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽電池的種類和特點；最后，分析了提高晶硅太陽能電池轉換效率的方法，并提出了未來太陽能電池技術的發展趨勢方向。關鍵詞：單晶硅、多晶硅、太陽能電池、成本

3、發展方向1. 單晶硅太陽能電池的發展背景和意義太陽能電池是一種取之不盡，用之不竭的可再生能源。在過去的50年間，不僅太陽能電池的產業，相關的科學和技術也得到了很大的發展，一方面，硅太陽電池的效率不斷的提高，在實驗中達到25%左右，逐漸接近理論值；另一方面不斷有新的高性能半導體材料被用于太陽能光電材料。高速興起的光伏產業光伏產業是興起于世紀之交的各種可再生能源產業中最受歡迎的明星，迄今為止，人類所取得的文明和成就均是建立在規模利用的基礎之上。然而，化石能源的儲量有限，終將被開采用盡；同時，在現有的技術條件下，使用化石能源不可避免帶來的污染排放，特別是溫室氣體的排放，直接威脅到地球人類生存的空間。

4、因此大力發展可再生能源，實現人與自然的可持續發展已經成為人類關注的焦點。早在上世紀70年代石油危機西方國家的經濟危機開始，西方國家便加強了對新能源研究和探索；光伏發電技術由于它獨特的優勢，在各種新能源技術的研究的步伐，成為全球關注的新能源產業。從上世紀90年代開始，光伏產業在政府的推動下穩步發展，1999年至今，9年間光伏產業增長速率超過40%，已經是全球發展最快的。2. 單晶硅太陽能電池的特點單晶硅太陽能池是當前開發得最快的一種太陽能電池，它的構造和生產工藝已定型，產品已廣泛用于空間和地面。這種太陽能電池以高純的單晶硅棒為原料。為了降低生產成本，現在地面應用的太陽能電池等采用太陽能級的單晶硅

5、棒，材料性能指標有所放寬。有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經過直拉制成太陽能電池專用的單晶硅棒。將單晶硅棒切成片，一般片厚約0.3毫米。硅片經過拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太陽能電池片，首先要在硅片上摻雜和擴散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴散是在石英管制成的高溫擴散爐中進行，這樣就硅片上形成P-N結。在去除PSG后，涂覆減反射膜，以防大量的光子被硅片表面反射掉。然后采用絲網印刷法，將配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經過燒結，同時制成背電極。因此，單晶硅太陽能電池的單體片就制成了。單體片經過抽查檢驗，即可按所需要的規格組裝成太陽能電池組件（太陽能電池板），

6、用串聯和并聯的方法構成一定的輸出電壓和電流。最后用框架和材料進行封裝。用戶根據系統設計，可將太陽能電池組件組成各種大小不同的太陽能電池方陣，亦稱太陽能電池陣列。目前單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15左右，實驗室成果也有20以上的。近5年來，中國光伏電池產量年增長速度為1-3倍，光伏電池產量占全球產量的比例也由2002年1.07增長到2008年的近15。商業化晶體硅太陽能電池的效率也從3年前的13-14提高到16-17。總體來看，中國太陽能電池的國際市場份額和技術競爭力大幅提高。在產業布局上，中國太陽能電池產業已經形成了一定的集聚態勢。在長三角、環渤海、珠三角、中西部地區，已經形成了各具特色的

7、太陽能產業集群。太陽能光伏發電在不遠的將來會占據世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規能源，而且將成為世界能源供應的主體。預計到2030年，可再生能源在總能源結構中將占到30以上，而太陽能光伏發電在世界總電力供應中的占比也將達到10以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50以上，太陽能光伏發電將占總電力的20以上；到21世紀末，可再生能源在能源結構中將占到80以上，太陽能發電將占到60以上。這些數字足以顯示出太陽能光伏產業的發展前景及其在能源領域重要的戰略地位。由此可以看出，太陽能電池市場前景廣闊。2.1單晶硅太陽能電池的結構單晶硅太陽能的結構示意圖如下；光譜射照度為1000W/m2,

8、光譜為AM 1.5，電池溫度為25。填充因子：最大輸出功率與電池的短路電流和開路電壓的最大乘積的比值。轉換效率：在外電路連接最佳負載電阻R時，得到最大轉換效率。太陽電池的光譜效應：是指一定量的單色光照到太陽電池上，產生的廣晟載流子被光吸收后形成的光生電流的大小。在光照條件下，具有足夠能量的光子進入p-n區附近才能產生電子對空穴對。對于晶體硅太陽來說。太陽光譜中的波長小于1.1mm，的光線都可能產生光伏效應。對與不同材料的太陽能來說，盡管光譜相應的范圍不同，但光電轉化的原理是一致的。最后造成在太陽能電池受光有大量的負荷積累，而電池背光面有大量的正電荷積累。如在電池上、下表面做上金屬電極，并用導線

9、接上負載，在負載上就有電流通過。只有太陽光照射下負載才能有電流通過。背板：作用，密封、絕緣、防水（一般都用TPT、TPE等材質必須耐老化，組件廠家都質保25年，鋼化玻璃，鋁合金一般都沒問題，關鍵就在與背板和硅膠是否能達到要求鋼化玻璃：其作用為保護發電主體（如電池片），透光其選用是有要求的：1.透光率必須高（一般91%以單晶硅太陽能電池上）；2.超白鋼化處理EVA用來粘結固定鋼化玻璃和發電主體（如電池片），透明EVA材質的優劣直接影響到組件的壽命，暴露在空氣中的EVA易老化發黃，從而影響組件的透光率，從而影響組件的發電質量除了EVA本身的質量外，組件廠家的層壓工藝影響也是非常大的，如EVA膠連度

10、不達標，EVA與鋼化玻璃、背板粘接強度.2.2單晶硅太陽能電池的優點降低生產成本，地面應用的太陽能電池等采用太陽能級的單晶硅棒，材料性能指標有所放寬。有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經過復拉制成太陽能電池專用的單晶硅棒。單晶硅太陽能電池將單晶硅棒切成片，一般片厚約0.3毫米。硅片經過拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太陽能電池片，首先要在硅片上摻雜和擴散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴散是在石英管制成的高溫擴散爐中進行。這樣就硅片上形成P>N結。然后采用絲網印刷法，精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經過燒結，同時制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射源，以防

11、大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，單晶硅太陽能電池的單體片就制成了。單體片經過抽查檢驗，即可按所需要的規格組裝成太陽能電池組件（太陽能電池板），用串聯和并聯的方法構成一定的輸出電壓和電流。最后用框架和材料進行封裝。用戶根據系統設計，可將太陽能電池組件組成各種大小不同的太陽能電池方陣，亦稱太陽能電池陣列。單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15%左右，實驗室成果也有20%以上的。1可供應太陽電池的頭尾料愈來愈少；2對太陽電池來講，方形基片更合算，通過澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料；3多晶硅的生產工藝不斷取得進展，全自動澆鑄爐每生產周期（50小時）可生產200公斤以上的硅錠，

12、晶粒的尺寸達到厘米級；4由于近十年單晶硅工藝的研究與發展很快，其中工藝也被應用于多晶硅電池的生產，例如選擇腐蝕發射結、背表面場、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細金屬柵電極，采用絲網印刷技術可使柵電極的寬度降低到50微米，高度達到15微米以上，快速熱退火技術用于多晶硅的生產可大大縮短工藝時間，單片熱工序時間可在一分鐘之內完成，采用該工藝在100平方厘米的多晶硅片上的電池轉換效率超過14。據報道，目前在5060微米多晶硅襯底上制作的電池效率超過16。利用機械刻槽、絲網印刷技術在100平方厘米多晶上效率超過17，無機械刻槽在同樣面積上效率達到16，采用埋柵結構，機械刻槽在130平方厘米的多晶上電池效率達到

13、15.8。（1）單晶硅太陽能電池：目前單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15%左右，最高的達到24，這是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的，但制作成本很大，以致于它還不能被大量廣泛和普遍地使用。由于單晶硅一般采用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝，因此其堅固耐用，使用壽命一般可達15年，最高可達25年。晶硅太陽電池制作工藝與單晶硅太陽電池差晶硅太陽能電池光電轉換效率則要降低少其光電轉換效率約12%左右(2004年7月1本夏普市效率14.8%世界高效率晶硅太陽能電池)制作本講比單晶硅太陽能電池要便宜些材料制造簡便節約電耗總產本較低量發展.2.2.1單晶硅的直拉法單晶硅中直拉法熱傳導示意圖如下；

14、直拉法，目前98%的電子元件都是用硅材料制作的，其中約85%是用直拉單晶硅制作的。直拉硅單晶由于具有較高的氧含量，機械強度要高，在制作電子儀器過程中不容易變形。目前300mm的硅單晶已普遍使用，直徑450mm的硅單晶也已制造成功，直徑的增大有利于制作電子元件的單位成本。主要有：爐體、晶體及坩堝的升降和轉動部分、電氣控制部分和氣體控制部分，還有熱場的配置組成。1溫度梯度與單晶生長橫向排列，單晶就逐漸形成了，但是要求一定的過冷度，才有利于二維晶核的不斷形成，同時不允許其他地方的產生新的晶核，熱場的溫度梯度必須滿足這個要求。2單晶硅生長時，熱場中存在著不同的溫度梯度，Ta為結晶度，熱場的徑向溫度梯度

15、，油加熱器共給的熱能、結晶潛熱的散發決定。固液交界面處，晶體上部，中心溫度較低，晶體邊緣溫度較高，固液界面對晶體而言呈凹形。（1）所用的晶粒必須經過清洗才可以使用。（2）裝爐，把晶粒固定在晶相軸上。（3）抽空，將爐子封閉（4）加熱熔化，檢查通入氬氣，使用壓力保持溫度一定的范圍。（5）晶勁生長，硅料熔化完后，將加熱功率引頸位置（6）放肩，晶體生長完后，降低溫度和拉速（7）等徑生長，升溫生拉進行生長。3. 晶體硅的優缺點缺點：近年來環境問題已經變得越來越嚴重,太陽能電池作為一種清潔能源也越來越受重視,近十年來以高達25%-40%的年增長率高速發展。晶體硅太陽電池是首先被發展和依然得到最廣泛應用的太

16、陽電池,現在世界太陽電池產量中超過90%的是晶體硅太陽電池。在實際工作情況的太陽能電池組件的效率將比組件標準測試條件下的效率低,組件準測試條件下效率是在標準測試條件(STC)下給出的,即:電池溫度25±2,光源輻照度為1000W/m2,并具有AM1.5太陽光譜輻照度分布條件。這是晴朗冬季的太陽電池工作溫度,夏季的太陽輻照度,春季的太陽光譜分布,因此太陽電池組件戶外的實際工作條件與。近年來環境問題已經變得越來越嚴重,太陽能電池作為一種清潔能源也越來越受重視,近十年來以高達25%40%的年增長率高速發展。晶體硅太陽電池是首先被發展和依然得到最廣泛應用的太陽電池,現在世界太陽電池產量中超過

17、90%的是晶體硅太陽電池。在實際工作情況的太陽能，醋酸對太陽電池的腐蝕特性以及對太陽電池組件性能的影響。實驗結果表明：（1）稀醋酸使涂錫銅焊帶發生電化學腐蝕，產生氧化黃變，此腐蝕對其電阻率影響較小；（2）稀醋酸腐蝕電池片表面銀電極和鋁背場，使銀電極變黑，鋁背場與硅片的附著力下降，對電池片造成損害影響其電性能；（3）組件在濕熱試驗過程中EVA發生老化反應，產生的醋酸會有腐蝕封裝其中的涂錫銅焊帶和太陽電池，使串聯電阻Rs增大，填充因子FF降低，組件輸出功率降低。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源也是清潔能源，不產生任何的環境污染。在太陽能的有效利用當中；大陽能光電利用是近些年來發展最快，最具

18、活力的研究領域，是其中最受矚目的項目之一。為此，人們研制和開發了太陽能電池。制作太陽能電池主要是以半導體材料為基礎，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發生光電于轉換反應，根據所用材料的不同，太陽能電池可分為：1、硅太陽能電池；2、以無機鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；3、功能高分子材料制備的大陽能電池；4、納米晶太陽能電池等。不論以何種材料來制作電池，對太陽能電池材料一般的要求有：1、半導體材料的禁帶不能太寬；要有較高的光電轉換效率：3、材料本身對環境不造成污染；4、材料便于工業化生產且材料性能穩定。基于以上幾個方面考慮，硅是最理想的太陽能電池材料，這也是太

19、陽能電池以硅材料為主的主要原因。但隨著新材料的不斷開發和相關技術的發展，以其它村料為基礎的太陽能電池也愈來愈顯示出誘人的前景。本文簡要地綜述了太陽能電池的種類及其研究現狀，并討論了太陽能電池的發展及趨勢。的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結合通過改進了的電鍍過程增加柵極的寬度和高度的比率：通過以上制得的電池轉化效率超過23%，是大值可達233。Kyocera公司制備的大面積（225cm2）單電晶太陽能電池轉換效率為1944%，國內北京太陽能研究所也積極進行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發，研制的平面高效單晶硅電池。3.1 單晶硅太陽能電池及其產品的優缺點擴散是在石英管制成的高溫擴散爐中進行。這樣

20、就硅片上形成P>N結。然后采用絲網印刷法，精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經過燒結，同時制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，單晶硅太陽能電池的單體片就制成了。單體片經過抽查檢驗，即可按所需要的規格組裝成太陽能電池組件（太陽能電池板），用串聯和并聯的方法構成一定的輸出電壓和電流。最后用框架和材料進行封裝。用戶根據系統設計，可將太陽能電池組件組成各種大小不同的太陽能電池方陣，亦稱太陽能電池陣列。單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15%左右，實驗室成果也有20%以上的。3.2晶體硅太能電池產業化技術發展1、太陽能電池產業化技術在電池背面生長一層10

21、30nmSiN膜以期最大限度對電池進行鈍化與缺陷的修復從而提高電池的效率是如何減少電磁波對電池表面PN結輻射損傷以及損傷的有效修復是該工藝的核心技術，處理不好往往導致電池效率一致性較差絲網印刷技術是低成本太陽能電池產業化生產的關鍵技術，其主要技術進步與電極漿料及網版制版技術緊密相聯。根據電池表面擴散薄層方塊電阻、擴散結深以及表面減反射膜厚度與密度等開發相對應的漿料已經成為國際一流光伏企業領先同行的一個有力武器：如摻P的正銀漿料實現低成本的選擇性發射極技術；向漿料中添加添加劑實現80100um細柵技術；配合超薄片的低翹曲背鋁漿料等等。2.設備方面：目前國內外各制造廠商設備缺乏統一接口標準，導致上下道工序之間無法有效銜接，導致較大的時間與資源浪費！物化新工藝的裝備滯后于市場的發展！3、發展展望：以硅片為載體的光伏電池制造技術，其理論極限效率為29。近年來由于一系列新技術的突破，硅太陽能電池轉換效率產業化水平單晶16%18、多晶15%17，按目前的晶體硅電池效率路線圖與電池技術，提升效率的難度已經非常大。可以預見通過中國廣大“光伏人”的努力，今后這些革命性的技術突破將會在我們中國本土企業與科研機構中產生！致謝感謝我的導師肖老師，他們嚴謹細致、一絲不茍的作