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晶體硅太陽能電池的種類及特點(diǎn)

目前世界各國研制的硅太陽能電池種類繁多,主要系列有單晶、多晶、非晶硅幾種。其中單晶硅太陽能電池占50%,多晶硅電池占20%、非晶占30%。我國光伏發(fā)電發(fā)展需解決的關(guān)鍵問題。太陽能光伏發(fā)電發(fā)展的瓶頸是成本高。

為此,需加大研發(fā)力度,集中在降低成本和提高效率的關(guān)鍵技術(shù)上有所突破,主要包括:

a)晶體硅電池技術(shù)。降低太陽硅材料的制備成本:開發(fā)專門用于晶體硅太陽能電池的硅材料,是生產(chǎn)高效和低成本太陽電池的基本條件;同時(shí)實(shí)現(xiàn)硅材料國產(chǎn)化和提高性能,從產(chǎn)業(yè)鏈的源頭,抓好降低成本工作。提高電池/組件轉(zhuǎn)換效率:高效鈍化技術(shù),高效陷光技術(shù),選擇性發(fā)射區(qū),背表面場,細(xì)柵或者單面技術(shù),封裝材料的最佳折射率等高效封裝技術(shù)等。光伏技術(shù)的發(fā)展以薄膜電池為方向,高效率、高穩(wěn)定性、低成本是光伏電池發(fā)展的基本原則。

單晶硅在太陽能的有效利用當(dāng)中,太陽能光電利用是近些年來發(fā)展最快,也是最具活力的研究領(lǐng)域。而硅材料太陽能電池?zé)o疑是市場的主體,硅基(多晶硅、單晶硅)太陽能電池占80%以上,每年全世界需消費(fèi)硅材料3000t左右。生產(chǎn)太陽能電池用單晶硅,雖然利潤比較低,但是市場需求量大,供不應(yīng)求,如果進(jìn)行規(guī)?;a(chǎn),其利潤仍然很可觀。目前,中國擬建和在建的太陽能電池生產(chǎn)線每年將需要680多噸的太陽能電池用多晶硅和單晶硅材料,其中單晶硅400多噸,而且,需求量還以每年15%~20%的增長率快速增長。

硅系列太陽能電池中,單晶硅太陽能電池在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池,其效率為15%,技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熟的加工處理工藝基礎(chǔ)上的?,F(xiàn)在單晶硅的電池工藝已近成熟,在電池制作中,一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù),開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉(zhuǎn)化效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面,德國夫朗霍費(fèi)費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。該研究所采用光刻照相技術(shù)將電池表面織構(gòu)化,制成倒金字塔結(jié)構(gòu)。通過改進(jìn)了的電鍍過程增加?xùn)艠O的寬度和高度的比率:通過以上制得的電池轉(zhuǎn)化效率超過23%。單晶硅具有完整的金剛石結(jié)構(gòu)。通過摻雜得到n,P型單晶硅,進(jìn)而制備出p/n結(jié)、二極管及晶體管,從而使硅材料有了真正的用途。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的,在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位,但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響,致使單晶硅成本價(jià)格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困難的。

多晶硅眾所周知,利用太陽能有許多優(yōu)點(diǎn),光伏發(fā)電將為人類提供主要的能源,但目前來講,要使太陽能發(fā)電具有較大的市場,被廣大的消費(fèi)者接受,提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率,降低生產(chǎn)成本應(yīng)該是我們追求的最大目標(biāo),從目前國際太陽電池的發(fā)展過程可以看出其發(fā)展趨勢為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜)。從工業(yè)化發(fā)展來看,重心已由單晶向多晶方向發(fā)展,主要原因?yàn)椋?/p>

(1)可供應(yīng)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(jìn)展,全自動(dòng)澆鑄爐每生產(chǎn)周期(50小時(shí))可生產(chǎn)200kg以上的硅錠,晶粒的尺寸達(dá)到厘米級;

(4)由于近十年單晶硅工藝的研究與發(fā)展很快,其工藝也被應(yīng)用于多晶硅電池的生產(chǎn),例如選擇腐蝕發(fā)射結(jié)、背表面場、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細(xì)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很小的范圍,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(nèi)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(zhuǎn)換效率超過14%。多晶硅太陽能電池具有獨(dú)特的優(yōu)勢,與單晶硅比較,多晶硅半導(dǎo)體材料的價(jià)格比較低廉,但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點(diǎn)。多晶硅太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為12%~14%。

目前,太陽能多晶硅主要有三個(gè)來源,一是半導(dǎo)體多晶硅的碎片;二是半導(dǎo)體多晶硅的副產(chǎn)品,三是半導(dǎo)體多晶硅廠商用多余的產(chǎn)能生產(chǎn)的太陽能多晶硅。高純多晶硅原料是半導(dǎo)體工業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)共同的上游原材料,2003年年底以來,光伏產(chǎn)業(yè)多晶硅原料供不應(yīng)求,市場短缺非常嚴(yán)重。多晶硅由于成本低,制備簡單,并能與傳統(tǒng)的硅工藝技術(shù)相容,因此它在一些場合成為單晶硅的替代品。

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