太阳能电池行业技术工艺分析

第一节 单晶硅太阳能电池及材料工艺与技术

单晶硅太阳电池是开发得最早、最快的一种太阳电池，其结构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽！ 有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。

一、单晶硅材料

硅主要以SiO2形式存在于石英和砂子中，它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。该过程能量消耗很高，约为14kWh/kg典型的半导体级硅的制备过程：粉碎的冶金级硅在硫化床反应器中与HCL气体混合并反应生成三氯氢硅和氢气。由于SiHCL3在30度以下是液体，因此很容易与氢气分离。接着，通过精馏使SiHCL3与其它氯化物分离，经过精馏的SiHCL3，其杂质水平可低于10-12（质量分数）的电子级硅要求。提纯后的SiHCL3通过CVD原理制备出多晶硅锭。

二、加工工艺

将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3mm硅片经过成形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就在硅片上形成P-N结。然后采用丝网印刷法，将精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射膜，以防大量的光能被光滑的硅片表面反射掉。至此，单晶硅太阳电池的单体片就制成了！ 单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。用户通过系统设计，可将太阳电池组件组成各种大小不同的太阳电池方阵，亦称太阳电池阵列。

单晶硅太阳电池的光电转换效率为15%左右，实验室成果也有20%以上的。其典型代表是斯坦福大学的背面点触电池（POC），新威尔士大学的钝化发射区电池（PESC，PERC，PERL）及德国Fraumhofer太阳能 研究 所的局域化背表面场电池（LBSF），还有埋栅电池（BCSC）等。

第二节 多晶硅太阳能电池及材料工艺与技术

单晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中已超1/2加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。作为单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳电池，其中包括非晶硅薄膜太阳电池、硒铟铜和碲化镉薄膜电池、多晶硅薄膜太阳电池。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅量远较单晶硅少，又无效率衰减问题，并有可能在廉价底材上制备，其成本预期要远低于单晶硅电池，实验室效率已达18%，远高于非晶硅薄膜电池的效率。因此，多晶硅薄膜电池被认为是最有可能替代单晶硅电池和非晶硅薄膜电池的下一代太阳电池！

浇铸多晶硅技术是降低成本的重要途径之一，该技术省去了昂贵的单晶拉制过程，也能用较低纯度的硅作投炉料，材料及电能消耗方面都较省。

1、铸锭工艺：

铸锭工艺主要有定向凝固法和浇铸法2种。定向凝固法是将硅料放在坩埚中加以熔融，然后将坩埚从热场中逐渐下降或从坩埚底部通上冷源以造成一定的温度梯度，使固液界面从坩埚底部向上移动而形成晶锭！

浇铸法的工艺过程是选择电阻率为100-300Ω·cm的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用1：5的氢氟酸和硝酸混合液进行适当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘干。用石英坩埚装好多晶硅料，加入适量硼硅，放入浇铸炉，在真空状态下加热熔化！

熔化后应保温约20min，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材制利用率和方便组装。

铸锭法中需要解决的主要问题是：

硅容器的材质。因为硅熔体冷凝时会牢固地粘附在坩埚的内壁，若两者的膨胀系数不同，硅固化时体积增加9%，会使硅锭产生裂纹或破碎。晶体结构。用调整热场等方法控制晶体结构，以生长出大小适当（数毫米）的具有单向性的晶粒，并尽量减少晶体中的缺陷，这样才有可能制成效率较高的电池。

2、硅片加工技术：

常规的硅片切割采用内圆切片机，其刀损为0.3-0.35mm，使晶体硅切割损失较大，且大硅片不易切得很薄！ 近几年用多线切割机，切损只有0.22mm，硅片可切薄到0.2mm，且切割的损伤小。

制备多晶硅薄膜的工艺方法主要有以下几种：化学气相沉积法（CVD法）、等离子体增强化学气相沉积法（PECVD法）、液相外延法（LPE）和等离子体溅射沉积法（PSM）。

化学气相沉积法就是将衬底加热到适当的温度，然后通以反应气体（如Si2Cl2，SiHCl3，等），在一定的保护气氛下反应生成硅原子并在衬底表面沉积3-5μm厚的硅薄膜。这些反应的温度通常较高，在800-1200度之间。等离子增强化学气相沉积法是利用PECVD技术在非硅衬底上制备晶粒较小的多晶硅薄膜的一种方法。硅粉在高温等离子体中加以熔化，熔化的粒子沉积在衬底上。等离子体由Ar和少量的H构成，沉积多晶薄膜厚度200-1000μm。该薄膜是一种P-I-N结构，主要特点是在P层和N层之间有一层较厚的多晶硅的本征层（I层）。其制备温度很低（100-200度），晶粒很小（7-10M量级），但已属于多晶硅薄膜，几乎没有效率衰减问题。但是，该方法也存在生长速度太慢以及薄膜极易受损等问题，有待今后 研究 改进。液相外延法就是通过将硅熔融在母液里，降低温度使硅析出成膜的一种方法。LPE可在平面和非平面衬底上生长，可获得结构完美的材料。

除了上述制备薄膜的方法外，在用多晶硅薄膜制备太阳电池器件方面人们也采取了一系列工艺步骤，以提高效率。这些工艺步骤包括：衬底的制备和选择；隔离层的制备；籽晶层或匹配层的制备；晶粒的增大；沉积多晶硅薄膜；制备P-N结；光学限制：上下表面结构化，上下表面减反射；电学限制：制备背场（BSF）和前后电极的欧姆接触；制备电极；钝化：晶粒间界的钝化和表面钝化。
几乎所有制备单晶硅高效电池的实验室技术均已用在制备多晶硅薄膜太阳电池的工艺上，甚至还包括一些制备集成电路的方法和工艺。日本三菱公司制成效率高达16.42%的多晶硅电池，北京太阳能 研究 所也成功地制成了效率为12.1%的多晶硅电池。

第三节 多晶硅和微晶硅薄膜太阳能电池及材料工艺与技术

为了获得高效率高稳定性的太阳电池，近年来又出现了微晶硅多晶硅薄膜电池。实验证明用μC-Si和poly-Si薄膜代替a-Si作电池的有源层制备的电池在长期光照下没有任何衰退现象。因此发展晶化的硅基薄膜太阳电池是实现高稳定高效低成本最有前途的方法之一，已成为国际同行 研究 的热点。由于本征μC-Si和poly-Si具有更窄的光学带隙1.12eV。而且比a-SiGe材料具有更好的稳定性因此用iμC-Si和 poly-Si代替a-SiGe做硅基薄膜叠层电池的底电池成为人们关注的 研究 课题。1995年哈尔滨克罗拉太阳能电力公司制备出叠层非晶硅太阳电池，经50小时光照输出功率趋于稳定输出功率平均下降14.4%得到了稳定效率达4.69%的大面积集成型叠层非晶硅太阳电池。

第四节 非晶硅薄膜太阳能电池及材料工艺与技术

开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，早在70年代初，Carlson等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作，近几年它的研制工作得到了迅速发展，世界上己有许多家公司在生产该种电池产品。

非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的这径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。

叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：①它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；②顶电池的i层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证i层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。

非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、PECVD法、LPCVD法等，反应原料气体为H2稀释的SiH4，衬底主要为玻璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。非晶硅太阳能电池的 研究 取得两大进展：第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13%，创下新的记录；第二、三叠层太阳能电池年生产能力达5MW。美国联合太阳能公司（VSSC）制得的单结太阳能电池最高转换效率为9.3%，三带隙三叠层电池最高转换效率为13%.

上述最高转换效率是在小面积（0.25cm2）电池上取得的。曾有文献报道单结非晶硅太阳能电池转换效率超过12.5%，日本中央 研究 院采用一系列新措施，制得的非晶硅电池的转换效率为13.2%。国内关于非晶硅薄膜电池特别是叠层太阳能电池的 研究 并不多，南开大学的耿新华等采用工业用材料，以铝背电极制备出面积为20X20cm2、转换效率为8.28%的a-Si/a-Si叠层太阳能电池。

非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点，有着极大的潜力。但同时由于它的稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

第五节 纳米管太阳能电池

基于纳米管的太阳能电池加快开发：单壁碳纳米管（SWNT）因其具有独特的化学和物理性质而引起人们的极大注意。据美国Natre Dame大学辐射实验室的Guldi D.M.的 研究 ，单壁碳纳米管（SWNT）的重要性在于可开发利用其电子授体集合体的官能度和功能性， 研究 发现，添加不同的原子基团，可使纳米管达到功能化目标，可望用于生产宽范围的电子组件-太阳能电池。Guldi及其同事-意大利Bologna大学Baolucci F.和意大利Trieste大学Parto M. 将二茂络铁附着在单壁碳纳米管（SWNT）的壁上，这种加环反应涉及二茂络铁分子中的原子与纳米管两个碳原子之间的环闭合，约每一百个纳米管附着一个单元的二茂络铁。二茂络铁为二层五元碳环之间插入铁原子的集合体，这些原子可作为电子授体。如果将这种碳纳米管用见光照射，它们可用作由二茂络铁释放的电子的授体。 研究 人员已首次推出开发基于改进的碳纳米管燃料电池的判据。

碳纳米管二茂络铁组合物用作太阳能电池：美国Notre Dame大学的 研究 课题组开发了碳纳米管-二茂络铁组合物，可用作太阳能电池。该组合物材料用光照射，二茂络铁可作为碳纳米管的电子授体，产出电流。

第六节 制备高效空间方面

InN及InGaN（富In）半导体是当今半导体领域 研究 热点，由于该材料体系很难生长，一直来对于其基本的物理性质如缺少认识。最近的 研究 表明该InGaN材料体系能带从0.7到3.4eV连续可调，为全太阳光谱光伏材料体系，理论 研究 表明由该材料制备的太阳能电池效率高于50%（高于目前所有的太阳能电池材料），并且有很高的抗辐射能力，适合在空间应用。该课题将利用MBE技术制备高质量的InN及InGaN薄膜，揭示其基本物性，为制备高效率的太阳能电池提供基础。

第七节 新材料提高太阳能利用率

新材料太阳能电池有色素增感电池和铜、铟、钾、硒等化合物（CIGS）的新型薄膜非硅类电池等。色素增感型太阳能电池的半导体原材料使用了氧化钛。氧化钛的特点是光吸收能力差，所以就用色素来弥补这一缺点。制造方法也比较简单，在附带电极的底板上依次上氧化钛和色素，再在上面粘贴带电极的底板，最后在2枚底板间注入电解液即可。代表厂商是东芝和日立万胜，该工艺的制造成本只有结晶硅的1/4左右，甚至更少，如果在底板中使用塑料，电池面板还可以弯曲。目前需要解决的是面板的耐久性以及转换效率继续提高等问题，色素增感型电池的实验室内转换效率能达到9.3%，使用寿命在8年左右，这两项指标比结晶硅太阳能电池都远远不如，如果把这些因素和成本综合在一起 分析 的化，那么色素增感型电池的成本/效益（投入/产出）比并不比硅类太阳能电池强多少，而且产品性能和稳定性还要差。但该电池的研发进度还是很快的，如果解决好上述问题的话，完全有可能占领部分硅系太阳能电池市场，另外，此电池因为采取塑料衬底可以弯曲，因而可以拥有该部分独特市场，这是一个值得考虑的发展方向。

CIGS新型薄膜非硅类电池的代表厂商主要有本田。CIGS类材料具有如下特点，即理论发电效率比硅类太阳能电池高出25%～30%、材料成本低、而且不存在非晶硅太阳能电池那样的性能恶化问题。但由于采用4种材料，很难在大面积内形成结构均匀的薄膜，而且膜材料以Cd类为主，存在毒性问题，因此一直未能用于实际。本田在这方面取得的突破是：开发出了能够在大面积中形成均匀的CIGS膜的成膜技术以及发现了即使不使用Cd也能实现高效率的缓冲层材料。据说发电成本已经降到了商业用电的成本以下，但由于转换率较低，要想获得相同的电力，必须有较大的面积，这在很大程度上抵消了低能耗和低成本带来的优势。

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