太阳能光伏硅晶片

印宁华|Indining China|

2022-09-28 17:12:07 79

光伏（Photovoltaic – PV）电池也被称为太阳能电池。一组太阳能光伏板或太阳能光伏组件与太阳能接线，断路器，太阳能充电器，电池，太阳能逆变器等下游设备一起构成光伏系统。

它们将太阳光转化为电能以储存或供电其他设备（包括人造光源）的神奇技术。那么他们运行的？它是如何制造的？让我们找出来。

光伏
“Photo”是指光线或可见光谱中的光子或电磁波。 “Volt”是指电位差，它会导致电子流动并产生电流。光伏是指当被光源（具有足够的波长和能量的自然或人造光源）撞击光电材料表面时,它产生电力。

光伏（PV）电池的运行需要三个基本属性：

光的吸收，产生电子空穴对或激子。
相反类型的电荷载体的分离。
将这些载流子分开提取到完成电子循环的外部电路。

在光伏电池中有两个独特的不同组，即单结和多结电池。

单结太阳能电池仅具有一个p-n（正 – 负）结，而多结太阳能电池具有多于一个p-n结。 p-n结是两种半导体材料之间的界面，其中一种是富电子半导体（N型），另一种是电子耗尽（P型）。

单结和多结光伏电池

单结光伏电池在市场上大多数常规太阳能电池中都能找到。晶体硅太阳能电池（单晶硅和多晶硅）就是最好的例子之一。添加微量硼的纯硅将形成P型半导体，而添加微量磷的纯硅将形成N型半导体。

当太阳光中的光子撞击太阳能电池并从n区（高电子浓度）中去除电子时，脱离的电子从该区域逸出，并通过电路到达p区（低电子浓度）。这种电子流动构成了电力。

太阳能电池的基本工作原理当太阳光中的光子撞击太阳能电池并从n区（高电子浓度）中去除电子时，脱离的电子从该区域逸出，并通过电路到达p区（低电子浓度）。这种电子流动构成了电力。

单结太阳能电池可能的最高理论效率约为34％（Shockley Queisser Efficiency Limit）。关于效率的更多信息在接下来的几章中。

为了寻求更高效率的光伏器件，通过堆叠多层不同的p型和n型半导体来形成多层p-n结。这使得能够将更广泛的光能转换成电能。

使用不同的半导体材料，例如磷化铟镓（GaInP），砷化镓铟（GaInAs）和锗（Ge）。这些半导体中的每一个都使用不同波长范围的太阳光来发电。

多结太阳能电池的一个例子

太阳能电池的类型

最常见的是晶体硅（c-Si）类型。正如名称所示，它是由硅晶体制成的。它占据了目前市场上近90％的太阳能用量。然而市场上有太多的太阳能电池板。它的构建材料和形式都不相同。

首先我们看看两种最常见的硅太阳能光伏 – 单晶硅和多晶硅光伏。

典型的单晶太阳能电池板

单晶硅太阳能光伏 (Moocrystaline Solar Cells) – 最高效的硅基太阳能电池，是由人工生长的单晶硅晶片通过切克劳斯基工艺制成的。它具有最高的纯度，显得黑暗均匀，并且通常具有切割边缘的明显特征，因为从晶锭切下四个侧面以形成均匀的晶片。在温暖和低光环境下表现更好，效率在15-22％之间。多晶的太阳能电池也比较昂贵。

典型的多晶太阳能电池板

多晶硅太阳能光伏 (Polycrystaline Solar Cells) – 最经济的硅基太阳能电池。它被称为多晶硅（p-Si）或（mc-Si）。独特的斑点特征是由于一起生长的多个互锁硅晶体。不使用切克劳斯基工艺，而是将熔融硅倒入方形模具中以形成晶体。因此，生产纯度较低，成本较低。效率稍低于单晶，特别是在较高的热量下，效率为13-18％。为了弥补效率略低，与同瓦数相比，聚太阳能面板的面积要大于面板的面积。而且更新的聚乙烯板有效率，可以与单板竞争。

接下来我们来看看市场上太阳能电池的其他变化 – 薄膜太阳能电池。

典型的薄膜太阳能板

薄膜太阳能电池（TFSC） – 光伏材料不是使用经典的硅晶体（晶体厚，硬而脆，在弯曲压力下会开裂），而是非常薄地沉积在衬底上，使其更加轻便灵活。薄膜面板制造简单，显得均匀，看起来很有吸引力，而且灵活。效率变量取决于光伏材料。薄膜电池板可以由多种材料构成，主要选择是非晶硅（a-Si），最普遍的类型是碲化镉（CdTe）和硒化铜铟镓（CIS / CIGS）。

非晶硅（a-Si）太阳能电池 – 非晶硅太阳能电池没有使用硅晶体，而是在衬底（例如玻璃和塑料）上非常薄地（很少量的硅 – 约1％）沉积硅。但效率较低，约为7％ – 9％（最佳效率为13.4％）。它可以在像太阳能计算器这样的小型消费电子产品中找到。
碲化镉（CdTe）太阳能电池 – 一个更 .的选择。它超过了晶体硅太阳能电池板的成本效益。基于碲化镉的太阳能电池板的效率通常在9-11％的范围内运行（最佳的电池效率为19.0％）。但是，由于其成本效益，如果土地面积不是问题，它正被用于多千瓦系统。它占据了薄膜市场份额的43％。无论如何，镉是剧毒的。
铜铟镓硒（CIS / CIGS）太阳能电池– 它可以使用玻璃基板或其他柔性基板。 CIGS太阳能电池板的效率通常在10-12％的范围内运行（最佳的电池效率为20.4％）。薄膜类别的效率最高，但三者的成本最高。

建筑一体化光电（BIPV）它更像是太阳能技术和建筑的混合或整合（或者是硅晶片或者薄膜，或者两者兼而有之），而不是一个独立的太阳能电池板。与阳光接触的外墙，屋顶，窗户，墙壁以及其他许多东西都可以与光伏材料结合使用。它们就像发电的忍者一样，不是完全隐身的，而是比传统的方法更有吸引力。

太阳能电池是如何制造的？

想知道太阳能电池是如何制造的？这是一个复杂而又美妙的概念。我们举一个如何制作单晶硅太阳能电池的例子。尽管硅在地球上是被遗忘的（宇宙中最常见的元素），而沙子主要是硅，但显然你不能在家制造太阳能。这一切都回到如何通过切克劳斯基人工生长水晶。

(Czochralski process)切克劳斯基工艺是用于获得单晶（半导体，金属和宝石）的晶体生长方法。高纯度多晶硅（在二氧化硅石英的还原和纯化后形成的杂质仅为百万分之几）在约1500摄氏度的高纯度真空坩埚中熔化。

在此期间，可以将掺杂杂质添加到熔融硅中以掺杂（改变其材料的电性质）硅。 n型硅（电子浓度高于空穴浓度）的普通掺杂剂是磷。普通的p型硅掺杂剂（空穴浓度高于电子浓度）是硼

将轴端的纯硅棒作为晶种浸入熔融硅中缓慢拉起，逆时针旋转。硅晶体将通过硅的均匀沉积而在晶种上缓慢生长，形成一个大的圆柱形晶体（或称为圆形或硅锭），其下面可能重200-700kg。拉，旋转和冷却的速度（温度梯度）将决定所形成晶体的质量和尺寸。这个过程可能需要几个星期到几个月时间，并且占单晶太阳能电池生产成本的三分之一。

之后将硅锭研磨至特定的直径，并用金刚石锯将其切成特定的形状。由直径约为150毫米的锭块生产的125毫米×125毫米的晶片，以及由直径约为200毫米的锭块生产的156毫米×156毫米的晶片。具有切割边缘的单晶太阳能电池的奇形状主要是因为最大可用平方表面是由一个圆确定的，以使硅损失最小化。

之后，通过线锯将硅锭切片以形成硅晶片。这被称为晶圆。它经历了从晶圆制造太阳能电池的各种过程。

预检和预处理 :- 选择具有特定几何形状和厚度一致性的 .晶片。
纹理 :- 随机金字塔纹理蚀刻在表面上以减少入射光的反射损失。
酸洗 :- 去除表面纹理化的粒子。
扩散 :- 将掺杂剂添加到硅晶片以使其导电。例如，预掺杂的p型硼晶片通过在高温下用磷源扩散而给予负（n型）表面，产生正负（p-n）结。
蚀刻和边缘隔离 :- 以除去由晶片边缘和背面周围的n型磷扩散形成的不希望的电通路。
蚀刻后清洗 :- 去除蚀刻中的所有颗粒残留物。
抗反射涂层沉积 :- 减少表面反射并增加吸收的光量。
接触印刷和干燥 :- 金属内嵌印在晶圆的两侧以产生欧姆接触。烧结炉用于固化晶片上的干燥金属浆料。干燥后的晶圆可称为太阳能电池。
测试和太阳能电池分选 :- 太阳能电池在模拟灯下进行测试，并根据效率和等级进行分类。

形成单晶太阳能电池的复杂过程

在聚甲基丙烯酸甲酯太阳能电池制造中，也经历了上述类似的过程，但没有切克劳斯基工艺。高纯度多晶硅被粉碎熔化，直接铸成方形多晶硅锭。在没有切克劳斯基工艺的情况下，工艺速度要快得多，比多晶硅和单晶的成本降低了20-30％。

光伏发展

美国是现代太阳能光伏发明者和先驱。它曾经是1954-1996年的光伏主要领导。美国贝尔实验室的工程师Russell Ohl于1946年获得了 .个现代太阳能电池的专利。 .个实用的晶体硅电池于1954年开发出来，从那以后电池效率得到了提高

随后，日本在1997 – 2004年率先成为全球最大的光伏电力生产国。

德国在2005 – 2014年间 .。 2000年引入“可再生能源法案”，使可再生能源在电网上得到普及。许多人已经投资了可再生能源技术，导致光伏发电量的增加。 2016年，德国的光伏装机容量超过了40吉瓦大关。

中国在2010年初开始涉足光伏太阳能产业。到2015年底，中国超过了德国的产能，成为 .上最大的光伏发电生产国，并持续增长。

由于全球对光伏增加的需求，硅片制造的成熟以及硅片生产厂的数量的增加，光伏正变得越来越受消费者的欢迎。

太阳能效率背后的神话

地球在高层大气层接收到太阳辐射174瓦（PW）。在太阳光达到海平面之前，约有30％被反射回太空，其余的则被大气中的分子吸收，如臭氧，氧气和水。

大气层顶部和海平面的太阳辐射光谱。由于太阳辐射光的一部分在地球大气层中被臭氧，氧气和水吸收,在海平面看到的最终光谱中有许多缺失的波长

太阳能效率基本上是一个平方米多少的光能量被捕获和转换成电能。

然而，光电半导体材料实际上可以吸收多少光子并转化为电能存在限制。具有较低能量（较长波长）的光子不会被吸收。只有能量高于带隙能量的光子才能通过在光伏材料中产生电子 – 空穴对来击退电子并发电，然而来自光子的多余能量将转化为热量。

光伏太阳能电池中使用的不同材料的带隙。注意到在低端和高端具有带隙的材料往往效率较低。结晶硅是光伏电池中使用最多的材料，属于光谱的中间

这使单个p-n结的太阳能电池的理论上最大效率有局限。它被称为Shockley Queisser效率限制或SQ限制。假设单个p-n结的带隙为1.34eV（使用AM1.5太阳光谱），该极限值使最大太阳能转换效率在33.7％左右。

AM 1.5太阳光谱是最常用的标准，因为大部分太阳能使用国位于温带地区（欧洲，中国，日本，美国，印度北部，南非和澳大利亚）。

为了提高超出SQ Limit的太阳能电池的效率，通常需要多结太阳能电池。其他创新，包括太阳能集中器和量子点被使用，但成本较高。

单结和多结太阳能电池的区别。
展示两个细胞如何将全光谱转化为电力。单结硅太阳能电池可以接受能量大于1.12eV的光子，任何超过1.12eV的能量都会浪费掉。在多结太阳能电池中，不同的半导体可以收集不同能级的光子，从而提高总效率。

具有多结太阳能电池的集中光伏已经达到了超过44％的太阳能电池效率。然而，由于成本和复杂性，正常的消费市场仍然遥遥无期。

从1976年到2017年，全球最好的研究太阳能电池的各种光伏技术的转换效率。

资源： National Renewable Energy Laboratory (NREL), Golden, CO

当我们了解到单晶硅比多晶硅和薄膜效率更高时，是不是意味着放弃购买单晶硅板而忘记其余的？答案是不。

类似功率输出的光伏电池板的尺寸比较。请注意，效率较低的电池，需要更大的尺寸才能获得相同的能量

与100瓦额定值的单晶面板相比，100瓦额定的多晶面板产生的功率输出量几乎相同，但是与单晶面板相比，多晶面板的表面会更大，以输出相同的功率量。薄膜面板的表面会更大，以获得相同的功率输出（取决于使用的光伏材料）。

选择哪个面板的决定取决于我们在哪里放置面板。在一个小屋顶的小房子，明智得到一个非常高效的太阳能电池板，以获得最大的利益。很明显，它具有更高的价格标签。但是，如果你有一块草坪用于太阳能项目，你可以很容易地得到相同的产量，非常 .的太阳能电池板效率很低，但覆盖面积更大。

全球光伏行业逐渐走出“寒冬”，发展渐渐回暖，企业经营状况也得到较大改善。从第四季度财报来看，我国多数电池骨干企业扭亏为盈。而且随着国内太阳能市场的开发，光伏企业的向好趋势仍然保持 .势头。下面，为您盘点一下全球光伏行业十大硅片企业的产能、产量数据。

. 协鑫光伏（GCL） 　　
.：中国产能：10GW　产量：8.6GW 　产能利用率：86%

NO.2 英利 　　　　
.：中国　　产能：2.8GW 　　产量：2.3GW 　产能利用率：82.1%

NO.3 昱辉阳光　　
.：中国　　产能：2.2GW 　　产量：2.1GW 　产能利用率：95.5%

NO.4 绿能科技 　　
.：中国（台湾）　　产能：2GW 　产量：1.9GW 产能利用率：95%

NO.5 旭阳雷迪 　
.：中国　产能：1.8GW 　　产量：1.6GW 　产能利用率：88.9%

NO.6 赛维LDK 　　
.：中国　产能：3.3GW 　产量：1.5GW 　产能利用率：45.5%

NO.7 晶科能源 　　
.：中国　产能：1.8GW 　产量：1.5GW 　产能利用率：83.3%

NO.8 Nexolon
.：韩国产能：1.7GW 　产量：1.3GW 产能利用率：76.5%

NO.9 隆基 　
.：中国　产能：1.3GW 产量：1.2GW 　产能利用率：92.3%

.0 天合光能　　
.：中国　　产能：1.4GW 　产量：1.2GW 　　产能利用率：85.7%

太阳能电池片

太阳能电池板单晶硅与多晶硅相比要贵一些，两者区别如下：

1、制作工艺不同

加工单晶太阳电池片，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源，以防大量的光子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。

加工多晶太阳电池片工艺过程是选择电阻率为100～300欧姆厘米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，在真空状态中加热熔化。熔化后应保温约20分钟，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，可提高材质利用率和方便组装。

2、光电转换率不同

单晶硅电池片在实验室最高转化效率为24.7%，普通商品化的转换效率为10%-18%。多晶硅太阳能电池实验室最高效率达到20.3%，普通商品化的一般为10%-16%。虽然看上去单晶硅的转化率更高，但单晶和多晶电池片，制成的太阳能板成品最终的效率是差不多的。

首先，单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池的寿命和稳定性都很好。其次，虽然单晶硅太阳能电池的平均转换效率比多晶硅太阳能电池的平均转换效率高2%左右，但是由于单晶硅太阳能电池只能做成准正方形（四个顶端是圆弧），当组成太阳能电池组件时就有一部分面积填不满，而多晶硅太阳能电池是正方形，不存在这个问题。因此对于太阳能电池板来说，效率基本是一样的。