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1 晶体硅太阳电池片

2 主要内容 一 基础概念 二 硅片的生产流程 三 电池片的生产流程 四 电池片的检测

3 半导体介绍 一 基础概念 本征半导体纯净晶体结构的半导体称为本征半导体 常用的半导体材素是元素周期表中的 4 价元素, 如 : 硅 (Si) 锗 (Ge) 其原子结构中最外层轨道上有 4 个电子 ; 晶体中相邻的两个原子的一对最外层电子 ( 价电子 ) 结合成为共有电子, 组成共价键 ; 原子可以形成稳定的 8 原子壳层 共价键中的价电子在热运动中能获得能量形成自由电子和空穴 ( 空穴带正电 ) 本征半导体中存在的自由电子和空穴, 两者是成对产生, 所以在本征半导体中两者浓度是相同的, 因此本征半导体本身称电中性

4 P 型半导体如果在纯净的硅晶体中掺入 3 价杂质, 如硼 ( 或鋁 镓或铟等 ), 这些 3 价杂质原子的最外层只有 3 个价电子, 当它与相邻的硅原子形成共价键时, 还缺少 1 个价电子, 在其本身位置形成空穴 此种半导体主要靠空穴导电 ; 此种半导体称之为 P 型半导体 P 型半导体材料中, 空穴数目很多, 称为多数载流子, 而电子数目很少, 称为少数载流子 P 型半导体如左下图所示 : N 型半导体如果在纯净的硅晶体中掺入少量的 5 价杂质磷 ( 或砷, 锑等 ), 由于磷原子具有 5 个价电子, 所以 1 个磷原子同相邻的 4 个硅原子结成共价键时, 还多余 1 个价电子, 这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引束缚而变成自由电子, 此种半导体主要靠自由电子导电 ; 此种半导体称之为 N 型半导体 N 型半导体材料中, 空穴数目很少, 称为少数载流子, 而电子数目很多, 称为多数载流子 N 型半导体如右上图所示

5 p-n 结的形成 p 型半导体和 n 型半导体形成冶金级接触时,n 型半导体中的电子和 p 型半导体中的空穴分别向对方扩散 扩散的结果是在交界面形成空间电荷区, 即为 PN 结, 电荷聚积形成内建电场 E, 电场方向 : N -> P, 此电场作用下, 少数载流子将做漂移运动, 方向与扩散方向相反, 阻止扩散运动 当达到平衡时, 扩散和漂移运动作用相等, 界面通过的载流子数为 0,PN 结无电流通过 PN 结的单向导通性 P 区的电位高于 N 区的电位, 称为加正向电压, 简称正偏 PN 结加正向电压时, 呈现低电阻,PN 结导通 P 区的电位低于 N 区的电位, 称为加反向电压, 简称反偏 PN 结加反向电压时, 呈现高电阻,PN 结截止 5

6 光生伏特效应 - 吸收光子, 产生电子空穴对 - 电子空穴对被内建电场分离, 在 PN 结两端产生电势 - 将 PN 结用导线连接, 形成电流 - 在太阳电池两端连接负载, 实现了将光能向电能的转换 太阳电池等效电路图

7 为什么选择硅作为太阳能电池的主要材料 单晶硅电池的吸收波段 (200nm 到 1200nm) 对太阳能电池材料的一般要求 1 半导体材料的禁带不能太宽 2 要有较高的光电转换效率 3 材料本身对环境不造成污染 4 材料便于工业化且材料性能稳定 太阳电池的光谱响应 被收集的载流子数与入射光子数之比 基于以上几个方面考虑, 硅是理想的太阳电池材料, 也是太阳电池以硅材料的主要原因

8 为什么 P 型硅电池成为主流的硅太阳电池 1 发展初期, 太阳电池主要应用于航天领域, 所以在选择基体时必须考虑材料的抗辐射能力 1963 年 Bell 实验室发现在高能辐射下 n 型太阳电池性能衰减严重, 稳定后的转换效率低于类似结构的 P 型太阳电池 这一结果使 P 型太阳电池成为太空应用的优先选择, 其电池结构和生产技术得到不断完善 在随后太阳电池转向地面应用的过程中,P 型太阳电池结构得到沿用, P 型晶体硅太阳电池成为主流 2 P 型硅单晶生产容易,P 型硅作为衬底的硅太阳电池技术发展比较完善, 成本上较 N 型硅太阳电池低 目前 P 型多晶硅转换效率超过 17%, 单晶硅电池转换效率一般超过 18%, 一线大厂的效率超过 19%

9 P 型硅太阳电池的光致衰减 光致衰减的主因 : 光照或电流注入导致硅片中的硼和氧形成硼氧复合体, 从而使少子寿命降低, 引起电池转换效率下降 据文献中报道 : ( 一 ) 含有硼和氧的硅片经过光照后出现不同程度的衰减 硅片中的硼 氧含量越大, 在光照或电流注入条件下产生的硼氧复合体越多, 少子寿命降低的幅度就越大 ( 二 ) 在低氧 掺镓 掺磷的硅片中少子寿命随光照时间的衰减幅度极小 主流电池片的早期相对衰减 : 单晶电池片不超过 1%, 多晶电池片不超过 0.5%

10 二 硅片的生产流程 单晶炉 单晶硅棒 切割 切割 单晶硅片 硅料纯度 6 个 9 在整个晶体内, 原子都是周期性的规则排列, 称之为单晶 由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶 铸锭炉 切割 切割 多晶硅片 多晶硅锭

11 三 电池片的生产流程 制绒 扩散前清洗 : 去除表面杂质 磷扩散 : 制 PN 结 刻蚀 : 去除边缘 PN 结, 防止上下短路 去磷硅玻璃 : 去除表面含磷元素的 SiO2 镀膜 印刷烧结

12 制绒目的 制绒 利用陷光原理, 减少光的反射, 提高短路电流 (Isc), 增加 PN 结面积, 最终提高电池的光电转换效率单晶制绒原理 : 碱液 ( NaOH) 各向异性腐蚀多晶制绒原理 : 酸液 ( HNO 3 +HF) 各向同性腐蚀 单晶制绒后表面 多晶制绒后表面

13 目的 : 在 P 型半导体表面掺杂五价磷元素 在硅片表面形成 PN 结 原理 :POCl 3 液态源 : 通过气体携带 POCL 3 分子进入扩散炉管, 使之反应生成磷沉淀在表层 磷在高温下渗透入硅片内部形成 N 区 外层 : 磷硅玻璃 磷扩散 : 制 PN 结 中间 :N 型半导体硅 P 型半导体硅 磷硅玻璃 (PSG) N 型硅 P 型硅

14 镀膜 镀膜的作用 保护层 : 在后道工序和使用过程中保护电池片表面不被损伤和污染 减反射层 : 镀膜后, 可以充分吸收太阳光, 降低反射 多晶反射率由 ~25% 降 到 ~8%; 单晶由 ~15% 降到 ~5% H 钝化 : 表面钝化和体钝化 反射光 透射光成为反射光的一部分 Si 氮化硅膜 N 型硅 P 型半导体硅 电池表面一般呈现的蓝色就是一定厚度 SiN 薄膜的颜色, 颜色的变化与 SiN 的厚度有关

15 印刷烧结 印刷 : 制作太阳能电池的正负两个电极 烧结 : 使有机溶剂在烘干过程中完全挥发, 金属电极材料层和硅片紧密接触在一起 正面电极印刷 正面电极有主栅线和副栅线组成 使用银浆, 形成负电极 作用 : 收集电流 背面印刷 1 背电极印刷 : 在太阳电池背面引出电极 使用银浆 ; 作用 : 易于焊接 2 背电场印刷 : 使用铝浆 ; 作用 : 收集载流子

16 单晶电池片生产过程 原始硅片 丝网印刷正面电极 制绒 丝网印刷背电场 清洗甩干 扩散 刻蚀和去磷硅玻璃 镀膜 丝网印刷 背电极

17 四 电池片检测设备 1 电流 - 电压特性的测量 HALM 2 光谱响应 OL750 3 影像测量仪 4 ALL REAL 小稳态

18 1 HALM 工作原理 : 本系统通过模拟 AM W/m 2 太阳光脉冲照射 PV 电池表面产生光电流, 通过转换计算得到 IV 曲线及其它指标, 并根据实际光强和温度对它们进行修正, 最终输出 STC 下的电流 - 电压特性曲线 用 Fraunhofer 校准的电池片作为一级标片将校准参数传递给 monitor cell, 进行光强调节 HALM 模拟器样品放置 电池片检测项目 1 电性能 I-V 测试, 性能参数包括 Isc,Voc,Vm,Im,Pm,FF,Eta,Rs,Rshunt,Irev, 可对晶硅类 薄膜类太阳电池测试 2 低辐照度测试 (200W/m W/m 2 ) 3 不同温度下的电性能测试 4 温度系数测试, 包括 Isc,Voc,Vm,Im,Pm 的温度系数

19 2 OL750 光谱响应 : 每一波长以一定等量的辐射光能入射到太阳电池上, 用响应范围内一系列不同波长的单色光照射器件, 测量短路电流密度 光谱响应曲线峰值越高, 越平坦, 对应电池的短路电流密度就越大, 效率也越高 光谱响应测试, 包括光谱响应, 内 / 外量子效率, 反射率

20 3 影像测量仪 自动计算面积和周长观察表面微观缺陷, 放大倍数 ALL REAL 小稳态 提供 3A 的稳态光源精确的温控平台可进行 4 栅电池片的测试

21 谢谢! 地址 : 无锡市新区新华路 5 号创新创意产业园 A 幢 10 楼 光伏组件 : PVTEST@wxzjs.com * 本课件内容仅供技术探讨, 部分素材来源于网络

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