多晶硅太陽(yáng)能光伏電池組件
一、多晶硅太陽(yáng)能電池組件——簡(jiǎn)介
多晶硅太陽(yáng)能電池兼具單晶硅電池的高轉換效率和長(cháng)壽命以及非晶硅薄膜電池的材料制備工藝相對簡(jiǎn)化等優(yōu)點(diǎn)的新一代電池,其轉換效率一般為12%左右,稍低于單晶硅太陽(yáng)電池,沒(méi)有明顯效率衰退問(wèn)題,并且有可能在廉價(jià)襯底材料上制備,其成本遠低于單晶硅電池,而效率高于非晶硅薄膜電池。
多晶硅太陽(yáng)能電池的制作工藝與單晶硅太陽(yáng)電池差不多,但是多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉換效率則要降低不少,其光電轉換效率約12%左右(2004年7月1日日本夏普上市效率為14.8%的世界最高效率多晶硅太陽(yáng)能電池)。從制作成本上來(lái)講,比單晶硅太陽(yáng)能電池要便宜一些,材料制造簡(jiǎn)便,節約電耗,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(yáng)能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽(yáng)能電池短。
單晶硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池也是圓片,組成太陽(yáng)能組件平面利用率低。因此,80年代以來(lái),歐美一些國家投入了多晶硅太陽(yáng)能電池的研制。
二、多晶硅太陽(yáng)能電池組件——功能
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:
A. 透光率必須高(一般91%以上);
B. 超白鋼化處理
2) EVA 用來(lái)粘結固定鋼化玻璃和發(fā)電主體(電池片),透明EVA材質(zhì)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(zhì)量除了EVA本身的質(zhì)量外,組件廠(chǎng)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(huì )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(chǎng)上主流的是晶體硅太陽(yáng)電池片、薄膜太陽(yáng)能電池片,兩者各有優(yōu)劣晶體硅太陽(yáng)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(yáng)光下發(fā)電比較適宜薄膜太陽(yáng)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(diǎn),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(yáng)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(zhì)必須耐老化,組件廠(chǎng)家都質(zhì)保25年,鋼化玻璃,鋁合金一般都沒(méi)問(wèn)題,關(guān)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(xiàn)盒 保護整個(gè)發(fā)電系統,起到電流中轉站的作用,如果組件短路接線(xiàn)盒自動(dòng)斷開(kāi)短路電池串,防止燒壞整個(gè)系統接線(xiàn)盒中最關(guān)鍵的是二極管的選用,根據組件內電池片的類(lèi)型不同,對應的二極管也不相同。
8) 硅膠 密封作用,用來(lái)密封組件與鋁合金邊框、組件與接線(xiàn)盒交界處有些公司使用雙面膠條、泡棉來(lái)替代硅膠,國內普遍使用硅膠,工藝簡(jiǎn)單,方便,易操作,而且成本很低。
三、多晶硅太陽(yáng)能電池組件——電池工藝
太陽(yáng)電池從研究室走向工廠(chǎng),實(shí)驗研究走向規;a(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(mǎn)足流水線(xiàn)作業(yè);
[2]能夠大規模、現代化生產(chǎn);
[3]達到高效、低成本。
當然,其主要目標是降低太陽(yáng)電池的生產(chǎn)成本。多晶硅電池的主要發(fā)展方向朝著(zhù)大面積、薄襯底。例如,市場(chǎng)上可見(jiàn)到125×125mm2、150×150mm2甚至更大規模的單片電池,厚度從原來(lái)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。
(1)絲網(wǎng)印刷及其相關(guān)技術(shù)
多晶硅電池的規;a(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(zhù)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(yáng)電池的生產(chǎn)中將會(huì )得到更加普遍的應用。
a.發(fā)射區的形成利用絲網(wǎng)印刷形成PN結,代替常規的管式爐擴散工藝。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、擴散可形成連續性生產(chǎn)。絲網(wǎng)印刷擴散技術(shù)所形成的發(fā)射區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(diǎn),工藝上采用了下面的選擇發(fā)射區工藝技術(shù),使電池的轉換效率得到進(jìn)一步的提高。
b.選擇發(fā)射區工藝在多晶硅電池的擴散工藝中,選擇發(fā)射區技術(shù)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(xué)腐蝕的方法,將金屬電極之間區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(guò)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(chǎng)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(shí),對多晶硅中的雜質(zhì)具有良好的吸除作用,鋁吸雜過(guò)程一般在高溫區段完成,測量結果表明吸雜作用可使前道高溫過(guò)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(chǎng)可明顯地提高電池的開(kāi)路電壓。
d.絲網(wǎng)印刷金屬電極在規;a(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(xué)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,
、)如柵線(xiàn)寬度較大,通常大于150微米;
、)造成遮光較大,電池填充因子較低;
、)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(jìn)的方法可絲網(wǎng)印出線(xiàn)寬達50微米的柵線(xiàn),厚度超過(guò)15微米,方塊電阻為2.5~4mΩ,該參數可滿(mǎn)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(yáng)電池進(jìn)行了比較,各項參數幾乎沒(méi)有差距。
四、多晶硅太陽(yáng)能電池組件——技術(shù)制作
1、光吸收
關(guān)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(xué)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(wú)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(xué)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(cháng)波光(波長(cháng)大于800nm)斜射進(jìn)入電池的原因。激光制作絨面存在的問(wèn)題是在刻蝕中,表面造成損傷同時(shí)引入一些雜質(zhì),要通過(guò)化學(xué)處理去除表面損傷層。該方法所作的太陽(yáng)電池通常短路電流較高,但開(kāi)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(xué)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(wú)法形成各向異性腐蝕所形成的那種尖錐狀結構。據報道,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(zhì)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(wú)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(xué)的角度來(lái)看,是一種理想的方法,但存在的問(wèn)題是硅表面損傷嚴重,電池的開(kāi)路電壓和填充因子出現下降。
[4]制作減反射膜層
對于高效太陽(yáng)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。
2、金屬化
金屬化技術(shù)
在高效電池的制作中,金屬化電極必須與電池的設計參數,如表面摻雜濃度、PN結深,金屬材料相匹配。實(shí)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(xiàn)(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(shí),不屬于低成本工藝技術(shù)。
[1]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(diǎn)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(shí)蒸發(fā)Ti/Pa層,在蒸發(fā)銀層的工藝。另一個(gè)問(wèn)題是金屬與硅接觸面較大時(shí),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(gè)較薄的氧化層(一般厚度為20微米左右)應用功函數較低的金屬(如鈦等)可在硅表面感應一個(gè)穩定的電子積累層(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(kāi)出小窗口(小于2微米),再淀積較寬的金屬柵線(xiàn)(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(shù)。
3、PN結
形成方法
[1]發(fā)射區形成和磷吸雜
對于高效太陽(yáng)能電池,發(fā)射區的形成一般采用選擇擴散,在金屬電極下方形成重雜質(zhì)區域而在電極間實(shí)現淺濃度擴散,發(fā)射區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(cháng)時(shí)間的磷吸雜過(guò)程(一般3~4小時(shí)),可使一些Mc—Si的少子擴散長(cháng)度提高兩個(gè)數量級。在對襯底濃度對吸雜效應的研究中發(fā)現,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(cháng)度(大于200微米),電池的開(kāi)路電壓大于638mv, 轉換效率超過(guò)17%。
[2]背表面場(chǎng)的形成及鋁吸雜
技術(shù)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(kāi)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(jìn)行。其中體缺陷也參與了雜質(zhì)的溶解和沉積,而在較高溫度下,沉積的雜質(zhì)易于溶解進(jìn)入硅中,對Mc—Si產(chǎn)生不利的影響。而區域背場(chǎng)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(chǎng)結構。
[3]雙面Mc—Si電池Mc—Si雙面電池其正面為常規結構,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(gè)獨立的栽流子收集器對背面光照和散射光產(chǎn)生作用,據報道,在A(yíng)M1.5條件下,轉換效率超過(guò)19%。
表面與體鈍化技術(shù)對于Mc—Si,因存在較高的晶界、點(diǎn)缺陷(空位、填隙原子、金屬雜質(zhì)、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(shù)外,鈍化工藝有多種方法,通過(guò)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(guò)程中具有加氫的效果。該工藝也可應用于規;a(chǎn)中。應用Remote PECVD Si3N4可使表面復合速度小于20cm/s。
五、多晶硅太陽(yáng)能電池組件——組件測試
條件(1)由于太陽(yáng)能組件的輸出功率取決于太陽(yáng)輻照度和太陽(yáng)能電池溫度等因素,因此太陽(yáng)能電池組件的測量在標準條件下(STC)進(jìn)行,標準條件定義為: 大氣質(zhì)量AM1.5, 光照強度1000W/m2,溫度25℃。(2)在該條件下,太陽(yáng)能電池組件所輸出的最大功率稱(chēng)為峰值功率,在很多情況下,組件的峰值功率通常用太陽(yáng)能模擬儀測定。影響太陽(yáng)能電池組件輸出性能的主要因素有以下幾點(diǎn):1)負載阻抗2)日照強度3)溫度4)陰影
六、多晶硅太陽(yáng)能電池組件——壽命
太陽(yáng)能電池板廠(chǎng)家提供的數據是包用25年。
七、多晶硅太陽(yáng)能電池組件——功率計算
太陽(yáng)能交流發(fā)電系統是由太陽(yáng)電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成;太陽(yáng)能直流發(fā)電系統則不包括逆變器。為了使太陽(yáng)能發(fā)電系統能為負載提供足夠的電源,就要根據用電器的功率,合理選擇各部件。下面以100W輸出功率,每天使用6個(gè)小時(shí)為例,介紹一下計算方法:
1.首先應計算出每天消耗的瓦時(shí)數(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(shí),則實(shí)際需要輸出功率應為100W/90%=111W;若按每天使用5小時(shí),則耗電量為111W*5小時(shí)=555Wh。
2.計算太陽(yáng)能電池板:按每日有效日照時(shí)間為6小時(shí)計算,再考慮到充電效率和充電過(guò)程中的損耗,太陽(yáng)能電池板的輸出功率應為555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充電過(guò)程中,太陽(yáng)能電池板的實(shí)際使用功率。
八、多晶硅太陽(yáng)能電池組件——應用領(lǐng)域
1、用戶(hù)太陽(yáng)能電源
(1)小型電源10-100W不等,用于邊遠無(wú)電地區如高原、海島、牧區、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;
(3)光伏水泵:解決無(wú)電地區的深水井飲用、灌溉。
2、交通領(lǐng)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(wú)線(xiàn)電話(huà)亭、無(wú)人值守道班供電等。
3、通訊/通信領(lǐng)域太陽(yáng)能無(wú)人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統;農村載波電話(huà)光伏系統、小型通信機、士兵GPS供電等。
4、石油、海洋、氣象領(lǐng)域石油管道和水庫閘門(mén)陰極保護太陽(yáng)能電源系統、石油鉆井平臺生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀(guān)測設備等。
5、家庭燈具電源如庭院燈、路燈、手提燈、野營(yíng)燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節能燈等。
6、光伏電站10KW-50MW獨立光伏電站、風(fēng)光(柴)互補電站、各種大型停車(chē)廠(chǎng)充電站等。
7、太陽(yáng)能建筑將太陽(yáng)能發(fā)電與建筑材料相結合,使得未來(lái)的大型建筑實(shí)現電力自給,是未來(lái)一大發(fā)展方向。
8、其他領(lǐng)域包括
(1)與汽車(chē)配套:太陽(yáng)能汽車(chē)/電動(dòng)車(chē)、電池充電設備、汽車(chē)空調、換氣扇、冷飲箱等;
(2)太陽(yáng)能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統;
(3)海水淡化設備供電;
(4)衛星、航天器、空間太陽(yáng)能電站等。
九、多晶硅太陽(yáng)能電池組件——發(fā)展原因
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(yáng)電池的頭尾料愈來(lái)愈少;
[2] 對太陽(yáng)電池來(lái)講,方形基片更合算,通過(guò)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(jìn)展,全自動(dòng)澆鑄爐每生產(chǎn)周期(50小時(shí))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(chǎng)、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(shù)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(shù)用于多晶硅的生產(chǎn)可大大縮短工藝時(shí)間,單片熱工序時(shí)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(guò)14%。
據報道,在50~60微米多晶硅襯底上制作的電池效率超過(guò)16%。利用機械刻槽、絲網(wǎng)印刷技術(shù)在100平方厘米多晶上效率超過(guò)17%,無(wú)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%。
十、多晶硅太陽(yáng)能電池組件——相關(guān)報道
太陽(yáng)能電池模塊實(shí)現高功率除精密陶瓷外,京瓷還展示了已投入歐洲市場(chǎng)的大型高輸出功率的多晶硅太陽(yáng)能電池模塊新產(chǎn)品。“該模塊使用60塊太陽(yáng)能電池芯片,其優(yōu)勢在于每個(gè)模塊的輸出功率可提高到235W。與過(guò)去210W的模塊相比,建造安裝1MW的系統時(shí),可減少使用約500塊模塊,這既能減少安裝面積,還能節約施工費用。”
吉川英里介紹說(shuō),“因而已被應用于日本北海道電力、東京電力、四國電力和九州電力等電力公司兆瓦級太陽(yáng)能發(fā)電站。
第二個(gè)應用是豐田汽車(chē)公司生產(chǎn)銷(xiāo)售的游艇提供的選配項“豐田太陽(yáng)能電池板”用太陽(yáng)能電池模塊。吉川英里介紹說(shuō),太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的光電流會(huì )貯存在蓄電池里面,可充當船舶內冰箱、微波爐等各種船上電子設備所消耗的部分電力,有利于電子設備長(cháng)時(shí)間的安全使用,其優(yōu)勢在于成本低、發(fā)電穩定、可長(cháng)久使用。
這也是京瓷為豐田混合動(dòng)力車(chē)“普銳斯”提供太陽(yáng)能電池模塊表現優(yōu)異的結果。第三個(gè)應用為住宅。吉川英里介紹,京瓷太陽(yáng)能電池模塊壽命可達30年,尺寸可按屋頂需求設計,1000W需大約花費60萬(wàn)日元,一個(gè)25平方米的房子平均需要4000W,太陽(yáng)能電池模塊可提供80%的能量。京瓷通過(guò)與電力公司合作,目在日本住宅應用率已達到2%。
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