多晶硅太陽能電池的制作工藝與單晶硅太陽電池差不多,但是多晶硅太陽能電池的光電轉換效率則要降低不少,其光電轉換效率約17-18%左右。從制作成本上來講,比單晶硅太陽能電池要便宜一些,材料制造簡便,節(jié)約電耗,總的生產(chǎn)成本較低,因此得到大量發(fā)展。此外,多晶硅太陽能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。

單晶硅太陽能電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料,而制造這些材料工藝復雜,電耗很大,在太陽能電池生產(chǎn)總成本中己超二分之一。加之拉制的單晶硅棒呈圓柱狀,切片制作太陽能電池也是圓片,組成太陽能組件平面利用率低。因此,80年代以來,歐美一些國家投入了多晶硅太陽能電池的研制。

1、鋼化玻璃 其作用為保護發(fā)電主體(電池片),透光其選用是有要求的, 1.透光率必須高(一般91%以上);2.超白鋼化處理

2、EVA 用來粘結固定鋼化玻璃和發(fā)電主體(電池片),透明EVA材質的優(yōu)劣直接影響到組件的壽命,暴露在空氣中的EVA易老化發(fā)黃,從而影響組件的透光率,從而影響組件的發(fā)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膠連度不達標,EVA與鋼化玻璃、背板粘接強度不夠,都會引起EVA提早老化,影響組件壽命。

3、電池片 主要作用就是發(fā)電,發(fā)電主體市場上主流的是晶體硅太陽電池片、薄膜太陽能電池片,兩者各有優(yōu)劣晶體硅太陽能電池片,設備成本相對較低,但消耗及電池片成本很高,但光電轉換效率也高,在室外陽光下發(fā)電比較適宜薄膜太陽能電池,相對設備成本較高,但消耗和電池成本 很低,但光電轉化效率相對晶體硅電池片一半多點,但弱光效應非常好,在普通燈光下也能發(fā)電,如計算器上的太陽能電池。

4、EVA 作用如上,主要粘結封裝發(fā)電主體和背板

5、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。)

6、鋁合金保護層壓件,起一定的密封、支撐作用

7、接線盒 保護整個發(fā)電系統(tǒng),起到電流中轉站的作用,如果組件短路接線盒自動斷開短路電池串,防止燒壞整個系統(tǒng)接線盒中最關鍵的是二極管的選用,根據(jù)組件內電池片的類型不同,對應的二極管也不相同。

8、硅膠 密封作用,用來密封組件與鋁合金邊框、組件與接線盒交界處有些公司使用雙面膠條、泡棉來替代硅膠,國內普遍使用硅膠,工藝簡單,方便,易操作,而且成本很低。

太陽電池從研究室走向工廠,實驗研究走向規(guī)模化生產(chǎn)是其發(fā)展的道路,所以能夠達到工業(yè)化生產(chǎn)的特征應該是：

1、電池的制作工藝能夠滿足流水線作業(yè);

2、能夠大規(guī)模、現(xiàn)代化生產(chǎn);

3、達到高效、低成本。

當然,其主要目標是降低太陽電池的生產(chǎn)成本。多晶硅電池的主要發(fā)展方向朝著大面積、薄襯底。例如,市場上可見到125×125mm2、156×156mm2甚至更大規(guī)模的單片電池,厚度從原來的300微米減小到250、200及200微米以下。效率得到大幅度的提高。日本京磁(Kyocera)公司150×150的電池小批量生產(chǎn)的光電轉換效率達到17.1%,該公司1998年的生產(chǎn)量達到25.4MW。

絲網(wǎng)印刷及其相關技術

多晶硅電池的規(guī)模化生產(chǎn)中廣泛使用了絲網(wǎng)印刷工藝,該工藝可用于擴散源的印刷、正面金屬電極、背接觸電極,減反射膜層等,隨著絲網(wǎng)材料的改善和工藝水平的提高,絲網(wǎng)印刷工藝在太陽電池的生產(chǎn)中將會得到更加普遍的應用。

a、發(fā)射區(qū)的形成

利用絲網(wǎng)印刷形成PN結,代替常規(guī)的管式爐擴散工藝。一般在多晶硅的正面印刷含磷的漿料、在反面印刷含鋁的金屬漿料。印刷完成后,擴散可在網(wǎng)帶爐中完成(通常溫度在900度),這樣,印刷、烘干、擴散可形成連續(xù)性生產(chǎn)。絲網(wǎng)印刷擴散技術所形成的發(fā)射區(qū)通常表面濃度比較高,則表面光生載流子復合較大,為了克服這一缺點,工藝上采用了下面的選擇發(fā)射區(qū)工藝技術,使電池的轉換效率得到進一步的提高。

b、選擇發(fā)射區(qū)工藝

在多晶硅電池的擴散工藝中,選擇發(fā)射區(qū)技術分為局部腐蝕或兩步擴散法。局部腐蝕為用干法(例如反應離子腐蝕)或化學腐蝕的方法,將金屬電極之間區(qū)域的重擴散層腐蝕掉。最初,Solarex應用反應離子腐蝕的方法在同一臺設備中,先用大反應功率腐蝕掉金屬電極間的重摻雜層,再用小功率沉積一層氮化硅薄膜,該膜層發(fā)揮減反射和電池表面鈍化的雙重作用。在100cm2的多晶上作出轉換效率超過13%的電池。在同樣面積上,應用兩部擴散法,未作機械絨面的情況下轉換效率達到16%。

c、背表面場的形成

背PN結通常由絲網(wǎng)印刷A漿料并在網(wǎng)帶爐中熱退火后形成,該工藝在形成背表面結的同時,對多晶硅中的雜質具有良好的吸除作用,鋁吸雜過程一般在高溫區(qū)段完成,測量結果表明吸雜作用可使前道高溫過程所造成的多晶硅少子壽命的下降得到恢復。良好的背表面場可明顯地提高電池的開路電壓。

d、絲網(wǎng)印刷金屬電極

在規(guī)模化生產(chǎn)中,絲網(wǎng)印刷工藝與真空蒸發(fā)、金屬電鍍等工藝相比,更具有優(yōu)勢,在當今的工藝中,正面的印刷材料普遍選用含銀的漿料,其主要原因是銀具有良好的導電性、可焊性和在硅中的低擴散性能。經(jīng)絲網(wǎng)印刷、退火所形成的金屬層的導電性能取決于漿料的化學成份、玻璃體的含量、絲網(wǎng)的粗糟度、燒結條件和絲網(wǎng)版的厚度。八十年度初,絲網(wǎng)印刷具有一些缺陷,Ⅰ)如柵線寬度較大,通常大于150微米;Ⅱ)造成遮光較大,電池填充因子較低;Ⅲ)不適合表面鈍化,主要是表面擴散濃度較高,否則接觸電阻較大。如今用先進的方法可絲網(wǎng)印出線寬達50微米的柵線,厚度超過15微米,方塊電阻為2.5~4mΩ,該參數(shù)可滿足高效電池的要求。有人在15×15平方厘米的Mc-Si上對絲網(wǎng)印刷電極和蒸發(fā)電極所作太陽電池進行了比較,各項參數(shù)幾乎沒有差距。

光吸收

關于光的吸收

對于光吸收主要是:

1、降低表面反射;

2、改變光在電池體內的路徑;

3、采用背面反射。

對于單晶硅,應用各向異性化學腐蝕的方法可在(100)表面制作金字塔狀的絨面結構,降低表面光反射。但多晶硅晶向偏離(100)面,采用上面的方法無法作出均勻的絨面,目前采用下列方法:

1、激光刻槽

用激光刻槽的方法可在多晶硅表面制作倒金字塔結構,在500~900nm光譜范圍內,反射率為4~6%,與表面制作雙層減反射膜相當。而在(100)面單晶硅化學制作絨面的反射率為11%。用激光制作絨面比在光滑面鍍雙層減反射膜層(ZnS/MgF2)電池的短路電流要提高4%左右,這主要是長波光(波長大于800nm)斜射進入電池的原因。激光制作絨面存在的問題是在刻蝕中,表面造成損傷同時引入一些雜質,要通過化學處理去除表面損傷層。該方法所作的太陽電池通常短路電流較高,但開路電壓不太高,主要原因是電池表面積增加,引起復合電流提高。

2、化學刻槽

應用掩膜(Si3N4或SiO2)各向同性腐蝕,腐蝕液可為酸性腐蝕液,也可為濃度較高的氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液,該方法無法形成各向異性腐蝕所形成的那種尖錐狀結構。據(jù)報道,該方法所形成的絨面對700~1030微米光譜范圍有明顯的減反射作用。但掩膜層一般要在較高的溫度下形成,引起多晶硅材料性能下降,特別對質量較低的多晶材料,少子壽命縮短。應用該工藝在225cm2的多晶硅上所作電池的轉換效率達到16.4%。掩膜層也可用絲網(wǎng)印刷的方法形成。

3、反應離子腐蝕(RIE)

該方法為一種無掩膜腐蝕工藝,所形成的絨面反射率特別低,在450~1000微米光譜范圍的反射率可小于2%。僅從光學的角度來看,是一種理想的方法,但存在的問題是硅表面損傷嚴重,電池的開路電壓和填充因子出現(xiàn)下降。

4、制作減反射膜層

對于高效太陽電池,最常用和最有效的方法是蒸鍍ZnS/MgF2雙層減反射膜,其最佳厚度取決于下面氧化層的厚度和電池表面的特征,例如,表面是光滑面還是絨面,減反射工藝也有蒸鍍Ta2O5, PECVD沉積 Si3N3等。ZnO導電膜也可作為減反材料。

金屬化

金屬化技術

在高效電池的制作中,金屬化電極必須與電池的設計參數(shù),如表面摻雜濃度、PN結深,金屬材料相匹配。實驗室電池一般面積比較小(面積小于4cm2),所以需要細金屬柵線(小于10微米),一般采用的方法為光刻、電子束蒸發(fā)、電子鍍。工業(yè)化大生產(chǎn)中也使用電鍍工藝,但蒸發(fā)和光刻結合使用時,不屬于低成本工藝技術。

電子束蒸發(fā)和電鍍

通常,應用正膠剝離工藝,蒸鍍Ti/Pa/Ag多層金屬電極,要減小金屬電極所引起的串聯(lián)電阻,往往需要金屬層比較厚(8~10微米)。缺點是電子束蒸發(fā)造成硅表面/鈍化層介面損傷,使表面復合提高,因此,工藝中,采用短時蒸發(fā)Ti/Pa層,在蒸發(fā)銀層的工藝。另一個問題是金屬與硅接觸面較大時,必將導致少子復合速度提高。工藝中,采用了隧道結接觸的方法,在硅和金屬成間形成一個較薄的氧化層(一般厚度為20微米左右)應用功函數(shù)較低的金屬(如鈦等)可在硅表面感應一個穩(wěn)定的電子積累層(也可引入固定正電荷加深反型)。另外一種方法是在鈍化層上開出小窗口(小于2微米),再淀積較寬的金屬柵線(通常為10微米),形成mushroom-like狀電極,用該方法在4cm2 Mc-Si上電池的轉換效率達到17.3%。此外,在機械刻槽表面也運用了Shallow angle (oblique)技術。

PN結

形成方法

1、發(fā)射區(qū)形成和磷吸雜

對于高效太陽能電池,發(fā)射區(qū)的形成一般采用選擇擴散,在金屬電極下方形成重雜質區(qū)域而在電極間實現(xiàn)淺濃度擴散,發(fā)射區(qū)的淺濃度擴散即增強了電池對藍光的響應,又使硅表面易于鈍化。擴散的方法有兩步擴散工藝、擴散加腐蝕工藝和掩埋擴散工藝。如今采用選擇擴散,15×15cm2電池轉換效率達到16.4%,n++、n+區(qū)域的表面方塊電阻分別為20Ω和80Ω.

對于Mc-Si材料,擴磷吸雜對電池的影響得到廣泛的研究,較長時間的磷吸雜過程(一般3~4小時),可使一些Mc-Si的少子擴散長度提高兩個數(shù)量級。在對襯底濃度對吸雜效應的研究中發(fā)現(xiàn),即便對高濃度的襯第材料,經(jīng)吸雜也能夠獲得較大的少子擴散長度(大于200微米),電池的開路電壓大于638mv, 轉換效率超過17%。

2、背表面場的形成及鋁吸雜技術在Mc-Si電池中,背p+p結由均勻擴散鋁或硼形成,硼源一般為BN、BBr、APCVD SiO2:B2O8等,鋁擴散為蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷鋁,800度下燒結所完成,對鋁吸雜的作用也開展了大量的研究,與磷擴散吸雜不同,鋁吸雜在相對較低的溫度下進行。其中體缺陷也參與了雜質的溶解和沉積,而在較高溫度下,沉積的雜質易于溶解進入硅中,對Mc-Si產(chǎn)生不利的影響。而區(qū)域背場已應用于單晶硅電池工藝中,但在多晶硅中,還是應用全鋁背表面場結構。

3、雙面Mc-Si電池

Mc-Si雙面電池其正面為常規(guī)結構,背面為N+和P+相互交叉的結構,這樣,正面光照產(chǎn)生的但位于背面附近的光生少子可由背電極有效吸收。背電極作為對正面電極的有效補充,也作為一個獨立的栽流子收集器對背面光照和散射光產(chǎn)生作用,據(jù)報道,在AM1.5條件下,轉換效率超過19%。

表面與體鈍化技術

對于Mc-Si,因存在較高的晶界、點缺陷(空位、填隙原子、金屬雜質、氧、氮及他們的復合物)對材料表面和體內缺陷的鈍化尤為重要,除前面提到的吸雜技術外,鈍化工藝有多種方法,通過熱氧化使硅懸掛鍵飽和是一種比較常用的方法,可使Si-SiO2界面的復合速度大大下降,其鈍化效果取決于發(fā)射區(qū)的表面濃度、界面態(tài)密度和電子、空穴的浮獲截面。在氫氣氛中退火可使鈍化效果更加明顯。采用PECVD淀積氮化硅正面十分有效,因為在成膜的過程中具有加氫的效果。該工藝也可應用于規(guī)模化生產(chǎn)中。應用Remote PECVD Si3N4可使表面復合速度小于20cm/s。

重心已由單晶向多晶方向發(fā)展,主要原因為;[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(chǎn)工藝不斷取得進展,全自動澆鑄爐每生產(chǎn)周期(50小時)可生產(chǎn)200公斤以上的硅錠,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(fā)展很快,其中工藝也被應用于多晶硅電池的生產(chǎn),例如選擇腐蝕發(fā)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(wǎng)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(chǎn)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作出的電池轉換效率超過14%。據(jù)報道,在50~60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(wǎng)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15.8%。

1、由于太陽能組件的輸出功率取決于太陽輻照度和太陽能電池溫度等因素,因此太陽能電池組件的測量在標準條件下(STC)進行,標準條件定義為: 大氣質量AM1.5, 光照強度1000W/m2,溫度25℃。

2、在該條件下,太陽能電池組件所輸出的最大功率稱為峰值功率,在很多情況下,組件的峰值功率通常用太陽能模擬儀測定。影響太陽能電池組件輸出性能的主要因素有以下幾點:

1)負載阻抗

2)日照強度

3)溫度

4)陰影

太陽能電池板廠家提供的數(shù)據(jù)是包用25年。

太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成;太陽能直流發(fā)電系統(tǒng)則不包括逆變器。為了使太陽能發(fā)電系統(tǒng)能為負載提供足夠的電源,就要根據(jù)用電器的功率,合理選擇各部件。下面以100W輸出功率,每天使用6個小時為例,介紹一下計算方法:

1、首先應計算出每天消耗的瓦時數(shù)(包括逆變器的損耗):若逆變器的轉換效率為90%,則當輸出功率為100W時,則實際需要輸出功率應為100W/90%=111W;若按每天使用5小時,則耗電量為111W*5小時=555Wh。

2、計算太陽能電池板:按每日有效日照時間為6小時計算,再考慮到充電效率和充電過程中的損耗,太陽能電池板的輸出功率應為555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充電過程中,太陽能電池板的實際使用功率。

一、用戶太陽能電源

1、小型電源10-100W不等,用于邊遠無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電,如照明、電視、收錄機等;
2、3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng);
3、光伏水泵:解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉。

二、交通領域

如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標志燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。

三、通訊/通信領域

太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng);農村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機、士兵GPS供電等。

四、石油、海洋、氣象領域

石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等。

五、家庭燈具電源

如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。

六、光伏電站

10KW-50MW獨立光伏電站、風光(柴)互補電站、各種大型停車廠充電站等。

七、太陽能建筑

將太陽能發(fā)電與建筑材料相結合,使得未來的大型建筑實現(xiàn)電力自給,是未來一大發(fā)展方向。

八、其他領域包括

1、與汽車配套:太陽能汽車/電動車、電池充電設備、汽車空調、換氣扇、冷飲箱等;
2、太陽能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng);
3、海水淡化設備供電;
4、衛(wèi)星、航天器、空間太陽能電站等。