电池片生产工艺

硅电池生成工艺基础知识硅电池生成工艺基础知识 一、光伏理论知识一、光伏理论知识 1.11.1 光生伏特效应光生伏特效应 1839 年，法国 Becqueral 第一次发现，在光照条件下，某些系统的两端具有 电压，用导线将两端连接起来后，有电流输出，这就是光生伏特效应 （photovoltaics，简称 PV） 。 1954 年,贝尔实验室 Chapin 等人开发出效率为 6％的单晶硅太阳电池，现代 硅太阳电池时代从此开始。 1.21.2 太阳能电池的应用太阳能电池的应用 太阳能电池在航空航天、工农业、生活中随处可见。 神州五号飞船上的太阳能帆板神州五号飞船上的太阳能帆板光伏发电站光伏发电站 太阳能飞行器太阳能飞行器光伏供电的通信基站光伏供电的通信基站 太阳能充电器太阳能充电器太阳能路灯太阳能路灯 1.31.3 太阳能电池的分类太阳能电池的分类 太阳能电池的分类，如图示。 太阳电池 硅太阳电池薄膜太阳化合物太有机半导 电池阳电池体太阳电 单晶硅太多晶硅太非晶硅太 阳电池阳电池阳电池 单晶硅单晶硅多晶硅多晶硅 二．硅太阳能电池工作原理与结构二．硅太阳能电池工作原理与结构 2.12.1 太阳能电池发电的原理太阳能电池发电的原理 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应。 当光线照射太阳电池表面 时， 一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子， 使电子发生了越迁， 成为自由电子在 P-N 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的 作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是光 子能量转换成电能的过程。 2.22.2 硅（半导体）材料中硅（半导体）材料中 P-NP-N 结的形成结的形成 硅材料是一种半导体材料， 太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体 的光电效应。一般半导体的分子结构是这样的图1 中，正电荷表示硅原子，负 电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼（黑 色或银灰色固体，熔点 2300℃，沸点 3658℃，密度 2.34 克/厘米，硬度仅次于 金刚石，在室温下较稳定，可与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和金属 氧化物反应，形成金属硼化物。这些化合物通常是高硬度、耐熔、高导电率和化 学惰性的物质。）、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个空穴。 在图 2 中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子， 而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有 3 个电子， 所以就会产生如图 所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中 和，形成 P（positive）型半导体。（在半导体材料硅或锗晶体中掺入三价元素 杂质可构成缺壳粒的 P 型半导体， 掺入五价元素杂质可构成多余壳粒的 N 型半导 体。） 同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得 非常活跃，形成 N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的 电子，如图 2 所示。 图图 1 1图图 2 2 P 型半导体中含有较多的空穴，而 N 型半导体中含有较多的电子，这样，当 P 型和 N 型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是 PN 结。 当 P 型和 N 型半导体结合在一起时， 在两种半导体的交界面区域里会形成一 个特殊的薄层，界面的 P 型一侧带负电，N 型一侧带正电。这是由于 P 型半导体 多空穴， N 型半导体多自由电子， 出现了浓度差。 P 区的空穴会自发扩散到 N 区， N 区的电子会自发扩散到 P 区，由于电子和空穴的相向，原来呈现电中性的P 型 半导体在界面附近就富集负电荷由于一部分空穴扩散到 N 区去了，类似的， 原 来呈现电中性的 N 型半导体在界面附近就富集正电荷由于一部分电子扩散到 P 区去了，这样就形成了一个有 N 指向 P 的“内电场”，从而阻止电子和空穴扩 散的进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成 PN 结。当晶片受光后，PN 结中，N 型半导体的空穴往 P 型区移动，而 P 型区中 的电子往 N 型区移动，从而形成从 N 型区到 P 型区的电流。然后在 PN 结中形成 电势差，这就形成了电源。下面就是这样的电源图。 由于半导体不是电的良导体， 电子在通过 p-n 结后如果在半导体中流动， 电 阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电 流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖 p-n 结（如图 梳状电极），以增加入 射光的面积。 另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科 学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），实际工业生产基本都 是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜，厚度在 1000 埃左右。将反射损失减小到 5甚至更小。 一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池 （通常是 36 个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。 三、硅片生产工艺三、硅片生产工艺 3.13.1 硅片生产方法硅片生产方法 3.1.1 单晶硅硅棒生产方法 目前单晶硅硅棒生产方法主要有 CZ 法（直拉法） ，FZ 法（区熔法） 。 （1）CZ 法是利用旋转着的籽晶从坩埚中的熔体中提拉制备出单晶的方法， 又称直拉法。目前国内太阳电池单晶硅硅片生产厂家大多采用这种技术。 （2）区域熔化是对锭条的一部份进行熔化，熔化的部分称为熔区，当熔区 从头到尾移动一次后，杂质随熔区移到尾部。利用这种方法可以进行多次提纯， 一次一次移动熔区以达到最好的提纯效果，但由于液固相转变温度高，能耗大， 多次区熔提纯成本高。区熔法有水平区熔和悬浮区熔，前者主要用于锗提纯及生 长锗单晶，硅单晶的生长则主要采用悬浮区熔法，生长过程中不使用坩埚，熔区 悬浮于多晶硅棒和下方生长出的单晶之间。由于悬浮区熔时，熔区呈悬浮状态， 不与任何物质接触，因而不会被沾污。此外，由于硅中杂质的分凝效应和蒸发效 应， 可获得高纯单晶硅。目前航天领域用的太阳电池所用硅片主要用这种方式生 长。 3.1.2 多晶硅锭生产方法 多晶硅锭生产方法主要有浇铸、热交换法及布里曼法、电磁铸锭法这三种。 （1）浇铸法将熔炼及凝固分开，熔炼在一个石英砂炉衬的感应炉中进行， 熔融的硅液浇入一个石墨模型中， 石墨模型置于一个升降台上， 周围用电阻加热， 然后以 1mm/min 的速度下降。 其特点是熔化和结晶在两个不同的坩埚中进行，这 种生产方法可以实现半连续化生产，其熔化、结晶、冷却分别位于不同的地方， 可以有效提高生产效率， 降低能源消耗。 缺点是因为熔融和结晶使用不同的坩埚， 会导致二次污染， 此外因为有坩埚翻转机构及引锭机构， 使得其结构相对较复杂。 浇筑法硅锭炉示意图浇筑法硅锭炉示意图 （2）热交换法及布里曼法都是把熔化及凝固置于同一坩埚中（ 避免了二次 污染） ， 其中热交换法是将硅料在坩埚中熔化后， 在坩埚底部通冷却水或冷气体， 在底部进行热量交换，形成温度梯度，促使晶体定向生长。下图为一个使用热交 换法的结晶。炉示意图该炉型采用顶底加热，在熔化过程中，底部用一个可移动 的热开关绝热， 结晶时则将它移开以便将坩埚底