硅太阳能电池课件

硅太阳能硅太阳能电池池1A硅太阳能电池1A目录硅太阳能硅太阳能电池分池分类和和简介介多晶硅薄膜硅太阳能多晶硅薄膜硅太阳能电池的制池的制备以及以及应用用硅太阳能硅太阳能电池的池的发展展历史史2A目录硅太阳能电池分类和简介多晶硅薄膜硅太阳能电池的制备以及应3A3A一、一、太阳能太阳能电电池的池的发发展展历历史史18391839年法国物理学家年法国物理学家贝贝克勒克勒尔尔首次首次发现发现光伏效光伏效应应。19541954年美国年美国贝贝尔尔实验实验室制成第一个室制成第一个单单晶硅太阳能晶硅太阳能电电池。池。19581958年我国研制出了首年我国研制出了首块块硅硅单单晶，研晶，研发发出的出的电电池主要用于空池主要用于空间领间领域。域。7070年年代代末末，我我国国与与国国际际同同期期开开展展了了砷砷化化镓镓太太阳阳能能电电池池研研究究，该该电电池池具有很高的光吸收系数，具有很高的光吸收系数，19991999年，年，22cm22cm2 2电电池的池的转换转换效率达效率达2222。19751975年年宁宁波波、开开封封先先后后成成立立太太阳阳电电池池厂厂，电电池池制制造造工工艺艺模模仿仿早早期期生生产产空空间电间电池的工池的工艺艺，太阳能，太阳能电电池的池的应应用开始从空用开始从空间间降落到地面。降落到地面。8080年年代代末末期期，国国内内先先后后引引进进了了多多条条太太阳阳能能电电池池生生产产线线，生生产产能能力力由由原原来来的的几几百百KWKW（千千瓦瓦）一一下下子子提提升升到到4.5MW4.5MW，这这种种产产能能一一直直持持续续到到20022002年，年，产产量量则则只有只有2MW2MW左右。左右。19991999年年，保保定定天天威威英英利利新新能能源源有有限限公公司司承承建建了了 “多多晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池及及应应用用系系统统示示范范工工程程”项项目目，20032003年年1212月月正正式式通通过过国国家家验验收收，全全线线投投产产，填，填补补了我国不能商了我国不能商业业化生化生产产多晶硅太阳能多晶硅太阳能电电池的空白。池的空白。4A一、太阳能电池的发展历史1839年法国物理学家贝克勒尔首次发20022002年年9 9月月，尚尚德德第第一一条条10MW10MW太太阳阳电电池池生生产产线线正正式式投投产产，产产能能相相当当于于此此前前四四年年全全国国太太阳阳电电池池产产量量的的总总和和，一一举举将将我我国国与与国国际际光伏光伏产业产业的差距的差距缩缩短了短了1515年。年。20042004年年1 1月月1919日日，中中国国第第一一台台1212对对棒棒多多晶晶硅硅高高效效节节能能大大还还原原炉炉在在中中硅硅高高科科试试验验成成功功，各各项项技技术术指指标标均均达达到到国国际际先先进进水水平平。至至此此，中中国国人人掌掌握握了了由由美美国国、日日本本、德德国国等等国国垄垄断断2020余余年年的的多多晶晶硅生硅生产产核心技核心技术术。20052005年年，国国内内第第一一个个300300吨吨多多晶晶硅硅生生产产项项目目在在洛洛阳阳中中硅硅建建成成投投产产，拉开了中国多晶硅大，拉开了中国多晶硅大发发展的序幕。展的序幕。20052005年年1212月月1414日日，无无锡锡尚尚德德在在美美国国纽纽约约证证券券交交易易所所挂挂牌牌，成成为为中中国国内内地地首首家家在在纽纽交交所所挂挂牌牌上上市市的的民民营营高高科科技技企企业业。从从此此，国国内太阳能内太阳能电电池的生池的生产产和研和研发发也也驶驶入了快入了快车车道。道。20072007年年，我我国国太太阳阳能能电电池池产产量量约约占占世世界界总总产产量量的的三三分分之之一一，成成为为世界第一大太阳能世界第一大太阳能电电池生池生产产国。国。5A2002年9月，尚德第一条10MW太阳电池生产线正式投产，产二、太阳能二、太阳能电池的分池的分类：6A二、太阳能电池的分类：6A1.1.单晶硅太阳能晶硅太阳能简介：介：转换转换效率最高，技效率最高，技术术最最为为成熟成熟其其高高性性能能依依赖于于高高质质量量单单晶晶硅硅材材料料和和相相关关的的成成熟熟的加工的加工处处理工理工艺艺制制作作一一般般都都采采用用表表面面织织构构化化、发发射射区区钝钝化化、分分区区掺杂掺杂等技等技术术开开发的主要有的主要有:平面平面单晶硅晶硅电池、刻槽埋池、刻槽埋栅电极极单晶硅晶硅电池池 7A1.单晶硅太阳能简介：转换效率最高，技术最为成熟7A单晶硅太阳能晶硅太阳能电池池优缺点缺点优点：点：转换效率最高效率最高缺点：缺点：单晶硅成本价格晶硅成本价格高、大幅度降低高、大幅度降低成本困成本困难解决：解决：寻找替代品找替代品传统的硅太阳能的硅太阳能电池池刚硬、硬、沉重而且不透明沉重而且不透明 8A单晶硅太阳能电池优缺点优点：转换效率最高传统的硅太阳能电池刚2.2.多晶硅太阳能多晶硅太阳能简介介多多晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池兼兼具具单单晶晶硅硅电电池池的的高高转转换换效效率率和和长长寿寿命命以以及及非非晶晶硅硅薄薄膜膜电电池池的的材材料料制制备备工工艺艺相相对对简简化化等等优优点点的的新新一一代代电电池池，其其转转换换效效率率一一般般为为15%左左右右，稍稍低低于于单单晶晶硅硅太太阳阳电电池池，没没有有明明显显效效率率衰衰退退问问题题，并并且且有有可可能能在在廉廉价价衬衬底底材材料料上上制制备备，其其成成本本远远低低于于单单晶晶硅硅电电池池，而而效效率率高高于于非非晶晶硅硅薄薄膜膜电电池池。此此外外，多多晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池的的使使用寿命也要比用寿命也要比单单晶硅太阳能晶硅太阳能电电池短。池短。9A2.多晶硅太阳能简介多晶硅太阳能电池兼具单晶硅电池的高转换效3.3.多晶硅薄膜太阳能多晶硅薄膜太阳能电池池多多晶晶硅硅薄薄膜膜太太阳阳能能电池池是是将将多多晶晶硅硅薄薄膜膜生生长在在低低成成本本的的衬底底材材料料上上，用用相相对薄薄的的晶晶体体硅硅层作作为太太阳阳能能电池池的的激激活活层，不不仅保保持持了了晶晶体体硅硅太太阳阳能能电池池的的高高性性能能和和稳定定性性，而而且且材材料料的的用用量量大大幅幅度度下下降降，明明显地地降降低低了了电池池成成本本。多多晶晶硅硅薄薄膜膜太太阳阳能能电池池的的工工作作原原理理与与其其他他太太阳阳能能电池池一一样，是是基基于于太太阳阳光光与与半半导体体材材料料的的作作用用而而形形成成光光伏伏效效应。光光与与半半导体体的的相相互互作作用用可可以以产生生光光生生载流流子子。当当将将所所产生生的的电子子-空空穴穴对靠靠半半导体体内内形形成成的的势垒分分开开到到两两极极时，两两极极间会会产生生电势，称称为光光生伏打效生伏打效应，简称光伏效称光伏效应。10A3.多晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池是将多晶硅薄膜生11A区别11A单单晶晶,多多晶晶太太阳阳能能电电池池板板的的使使用用寿寿命命一一般般为为25年年，非非晶晶硅硅一一般般为为10年年，单单晶晶与与多多晶晶转转换换效效率率高高，但但是是价价格格高高，能能源源回回收收期期长长，非非晶晶太太阳阳能能转转换换率率低低一一些些，但但是是价价格格低低，潜潜力力大大，能能源源回回收收期期短短，是是未未来来的的发发展展方方向向，技技术术主主要要掌掌握握在在美国、德国和日本少数国家手上。美国、德国和日本少数国家手上。在在猛猛烈烈阳阳光光底底下下，单单晶晶体体式式太太阳阳能能电电池池板板较较非非晶晶体体式式能能够够转转化化多多一一倍倍以以上上的的太太阳阳能能为为电电能能，但但可可惜惜单单晶晶体体式式的的价价格格比比非非晶晶体体式式的的昂昂贵贵两两三三倍倍以以上上，而而且且在在阴阴天天的的情情况况下下非非晶晶体式反而与晶体式能体式反而与晶体式能够够收集到差不多一收集到差不多一样样多的太阳能。多的太阳能。12A单晶,多晶太阳能电池板的使用寿命一般为25年，非晶硅一般为1三三.多晶薄膜硅太阳能多晶薄膜硅太阳能电池的基本原理：池的基本原理：基本原理基本原理 光生伏特效光生伏特效应PNPN结的光生伏特效的光生伏特效应在光的照射下，半在光的照射下，半导体体 p-np-n结的两端的两端产生生电位差位差 的的现象象。13A三.多晶薄膜硅太阳能电池的基本原理：13A硅硅材材料料是是一一种种半半导导体体材材料料，太太阳阳能能电电池池发发电电的的原原理理主主要要就就是是利利用用这这种种半半导导体体的的光光电电效效应应。一一般般半半导导体体的的分分子子结结构构是是这样这样的：的：当当硅硅晶晶体体中中掺掺入入其其他他的的杂杂质质，如如硼硼（黑黑色色或或银银灰灰色色固固体体，熔熔点点23002300，沸沸点点36583658，密密度度2.342.34克克/厘厘米米，硬硬度度仅仅次次于于金金刚刚石石，在在室室温温下下较较稳稳定定，可可与与氮氮、碳碳、硅硅作作用用，高高温温下下硼硼还还与与许许多多金金属属和和金金属属氧氧化化物物反反应应，形形成成金金属属硼硼化化物物。这这些些化化合合物物通通常常是是高高硬硬度度、耐耐熔熔、高高导导电电率率和和化化学学惰惰性性的的物物质质。）、磷磷等等，当当掺掺入入硼硼时时，硅硅晶晶体体中中就就会会存存在在一一个个空空穴穴。14A硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种图图中中，正正电电荷荷表表示示硅硅原原子子，负负电电荷荷表表示示围围绕绕在在硅硅原原子子旁旁边边的的四四个个电电子子，而而黄黄色色的的表表示示掺掺入入的的硼硼原原子子，因因为为硼硼原原子子周周围围只只有有3 3个个电电子子，所所以以就就会会产产生生如如图图所所示示的的蓝蓝色色的的空空穴穴，这这个个空空穴穴因因为为没没有有电电子子而而变变得得很很不不稳稳定定，容易吸收容易吸收电电子而中和，形成子而中和，形成P P（positivepositive）型半）型半导导体。体。15A图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子同同样样，掺掺入入磷磷原原子子以以后后，因因为为磷磷原原子子有有五五个个电电子子，所所以以 就就 会会 有有 一一 个个 电电 子子 变变 得得 非非 常常 活活 跃跃，形形 成成N N（negativenegative）型型半半导导体体。黄黄色色的的为为磷磷原原子子核核，红红色色的的为为多余的多余的电电子，如下子，如下图图所示：所示：16A同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电P P型型半半导导体体中中含含有有较较多多的的空空穴穴，而而N N型型半半导导体体中中含含有有较较多多的的电电子子，这这样样，当当P P型型和和N N型型半半导导体体结结合合在在一起一起时时，就会在接触面形成，就会在接触面形成电势电势差，差，这这就是就是PNPN结结。17AP型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的电子，这当当P P型型和和N N型型半半导导体体结结合合在在一一起起时时，在在两两种种半半导导体体的的交交界界面面区区域域里里会会形形成成一一个个特特殊殊的的薄薄层层，界界面面的的P P型型一一侧侧带带负负电电，N N型型一一侧侧带带正正电电。这这是是由由于于P P型型半半导导体体多多空空穴穴，N N型型半半导导体体多多自自由由电电子子，出出现现了了浓浓度度差差。N N区区的的电电子子汇汇扩扩散散到到P P区区，P P区区的的空空穴穴会会扩扩散散到到N N区区，一一旦旦扩扩散散就就形形成成了了一一个个有有N N指指向向P P的的“内内电电场场”，从从而而阻阻止止扩扩散散进进行行。达达到到平平衡衡后后，就就形形成成了了这这样样一一个个特特殊殊的的薄薄层层形形成成电电势势差差，从从而而形形成成PNPN结结。当当晶晶片片受受光光后后，PNPN结结中中，N N型型半半导导体体的的空空穴穴往往P P型型区区移移动动，而而P P型型区区中中的的电电子子往往N N型型区区移移动动，从从而而形形成成从从N N型型区区到到P P型型区区的的电电流流。然然后后在在P PN N结结中中形形成成电电势势差差，这这就形成了就形成了电电源。源。18A当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会19A19A四四.晶体硅太阳能晶体硅太阳能电池生池生产流程流程20A四.晶体硅太阳能电池生产流程20A多晶硅：硅锭 硅片 电池片 组件单晶硅：硅棒 硅片 电池片 组件21A多晶硅：硅锭 硅片 电池1.1.多晶硅薄膜太阳能多晶硅薄膜太阳能电电池池制制备 低低压压化学气相沉化学气相沉积积（LPCVDLPCVD）化学气相沉化学气相沉积积法法 等等 离离 子子 增增 强强 化化 学学 气气 相相 沉沉 积（PECVDPECVD）此外，此外，液相外延法（液相外延法（LPPELPPE）和和 溅溅射沉射沉积积法法也可用来制也可用来制备备多晶硅薄膜多晶硅薄膜电电池。池。22A1.多晶硅薄膜太阳能电池制备22A化学气相沉化学气相沉积积：反反应应气体气体SiH2Cl2SiH2Cl2、SiHCl3SiHCl3、SiSiC Cl4l4或或SiH4SiH4 （一定保（一定保护气氛下）气氛下）硅原子硅原子沉沉积积在加在加热热的的衬衬底上底上衬衬底材料一般底材料一般选选用用SiSi、SiOSiO2 2、SiSi3 3N N4 4等。等。非硅非硅衬衬底上很底上很难难形成形成较较大的晶粒大的晶粒，容易在晶粒容易在晶粒间间形成空隙。形成空隙。解决解决办法：法：LPCVDLPCVD得到得到较较薄非晶硅薄非晶硅层层 将将非晶硅非晶硅层层退火，得到退火，得到较较大晶粒大晶粒 籽晶上沉籽晶上沉积积厚的多晶硅薄膜厚的多晶硅薄膜因此，因此，再再结结晶技晶技术术无疑是很重要的一个无疑是很重要的一个环节环节 （固相固相结结晶法晶法、中区熔再中区熔再结结晶法晶法）23A化学气相沉积：23A 工工艺特特点点：多多晶晶硅硅薄薄膜膜电电池池除除采采用用了了再再结结晶晶工工艺艺外外，另另外外采采用用了了几几乎乎所所有有制制备备单单晶晶硅硅太太阳阳能能电电池池的的技技术术，这这样样制制得得的的太太阳阳能能电电池池转换转换效率明效率明显显提高提高。德德国国费费莱莱堡堡太太阳阳能能研研究究所所采采用用区区馆馆再再结结晶晶技技术术在在 FZSiFZSi衬衬底底上上制制得得的的多多晶晶硅硅电电池池转转换换效效率率为为1919，日日本本三三菱菱公公司司用用该该法法制制备备电电池池，效率达效率达16.42%16.42%。多晶硅薄膜多晶硅薄膜电池生池生产车间24A 工艺特点：多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了2.转换效率提高的工艺途径主要是靠主要是靠单单晶硅晶硅 表面微表面微结结构构处处理理 和和 分区分区掺杂掺杂 工工艺艺德德国国夫夫朗朗霍霍费费费费莱莱堡堡太太阳阳能能系系统统研研究究所所保保持持着着世世界界领领先水平先水平电池池转化效率超化效率超过23%23%，最大，最大值可达可达23.3KyoceraKyocera公公司司制制备的的大大面面积（225cm225cm2 2 ）单电晶晶太太阳阳能能电池池转换效率效率为191944%44%北北京京太太阳阳能能研研究究所所研研制制的的平平面面高高效效单晶晶硅硅电池池（2cmX2cm2cmX2cm）转换效效率率达达到到19.79%19.79%，刻刻槽槽埋埋栅电极极晶晶体硅体硅电池（池（5cmX5cm5cmX5cm）转换效率达效率达8.6%8.6%25A2.转换效率提高的工艺途径主要是靠单晶硅 表面微结构处理 和五五.硅太阳能硅太阳能电池的池的应用用多晶硅太阳能电池卫星接收天线 目目前前,太阳能太阳能电电池的池的应应用已从用已从军军事事领领域、航天域、航天领领域域进进入工入工业业、商、商业业、农业农业、通信、家用通信、家用电电器以及公用器以及公用设设施等部施等部门门，尤其可以分散地在尤其可以分散地在边远边远地区、高山、沙地区、高山、沙漠、海漠、海岛岛和和农农村使用，以村使用，以节节省造价很省造价很贵贵的的输电线输电线路。但是在目前路。但是在目前阶阶段，它的成段，它的成本本还还很高，很高，发发出出1kW电电需要投需要投资资上万美上万美元，因此大元，因此大规规模使用仍然受到模使用仍然受到经济经济上的上的限制。限制。26A五.硅太阳能电池的应用多晶硅太阳能电池卫星接收天线 台北太阳塔台北太阳塔27A台北太阳塔27ATHE ENDTHE ENDTHANK YOU!THANK YOU!28ATHE END28A