多晶硅太阳能电池片的合成能源材料学专业.doc

题 目： 多晶硅太阳能电池片的合成 摘 要 本文简要阐述了太阳能电池发展历史和分类，以及太阳能电池的发展现状。对不同种类的太阳能电池做了简要介绍，并对比它们的优缺点。文章主要研究太阳能电池中的无机多晶硅太阳能电池的制作工艺。首先自原料硅的合成开始，经一次清洗、扩散、二次清洗、PECVD、丝网印刷、测试、目检七道工序，至多晶硅电池制作完毕包装结束，重点介绍多晶硅电池片合成工艺的各个工序步骤，以及各步骤的反应原理、作用和注意事项。文章结尾对多晶硅电池的研究略作总结。 关键词：多晶硅太阳能电池，合成，工艺，性质，展望 ５ 2 Abstract This paper briefly expounds the developing history and classification of solar cells and solar cell development present situation. For different types of solar cells are briefly introduced, and compared the advantages and disadvantages of them. This paper mainly studies the inorganic polysilicon solar cell production process in the solar cell. Since raw silicon synthesis, first by a clean, diffusion and secondary cleaning, PECVD, screen printing, testing, visual inspection technique for seven procedures, until the end of polysilicon batteries produced packaging, emphasis on the synthesis process of polycrystalline silicon cells of each process step, and the reaction principle and function of the step, and the matters needing attention. The articles at the end of the study of polysilicon batteries summed up slightly. Key words: Polysilicon solar cell, synthesis, process, nature, outlook 目 录 1 绪论 4 1.1概述 4 1.2太阳能电池的分类及优缺点 4 2 原料多晶硅 6 2.1 多晶硅的作用 6 2.2 多晶硅生产方法 6 2.2.1 改良西门子法 6 2.2.2 新硅烷法 7 2.2.3 热分解法 7 3 多晶硅太阳能电池 8 3.1 多晶硅太阳能电池结构及原理 8 3.2 多晶硅太阳能电池的制备工艺 9 3.2.1 一次清洗 9 3.2.2 扩散 12 3.2.3 二次清洗 15 3.2.4等离子体增强化学气相沉积工序（PECVD) 17 3.2.5丝网印刷 18 3.2.6测试分选 20 结 论 23 参考文献 24 3 1 绪论 1.1概述 目前，传统的燃料能源正在不断衰减，同时传统能源对环境也带来一定的危害且日益加剧，并且全世界的能源供应还没有完全普及。所以全世界都在关注可再生能源方面，希望可再生能源能够广泛应用于生产和生活中。这之中太阳能以其自身的优势得到人们广泛的关注。太阳能是一种重要的可再生能源，是取之不尽、用之不竭的新能源，并且它无污染、价格低，是人类能够重复利用的能源。在各国政府和政策的扶持下，光伏产业得到快速有利的发展。 1.2太阳能电池的分类及优缺点 太阳能电池有很多种，往大的方面可分为无机太阳能电池、有机太阳能电池、光化学太阳能电池；无机太阳能电池又可分为多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池。而有机聚合物太阳能电池作为一种新型太阳能电池，其以有机聚合物半导体作为实现光电转换的一种活性材料。[[] 向磊. 全球光伏产业发展状况及趋势. 世界有色金属，2010，(8)，23-24 ]与无机太阳能电池相比较，它的优点有以下几点： （1）生产过程简单，制作时消耗能量少 （2）环保性好，其构成成分均为容易处理的材料 （3）适应性强，高温和弱光条件下的优异 （4）可制成半透明器件，柔性器件等等形式灵活多样的器件 （5）有机物来源广泛，效率提升潜力大 （6）具有很好的发展和应用前景，是目前新能源的主要研究方向之一。 同样，有机太阳能电池存在以下缺点： （1）载流子迁移率低； （2）能量转换效率有待提高； （3）使用寿命短，易损坏； （4）目前为主无法实现大规模商业化； （5）转化效率较低，难于大规模并网发电。[[] Tiger Nie，王海生，孙韵琳，等. 光伏产业目光直指新兴市场. Solarzoom 光 伏杂质，2011，4（1）：2-3 ] 最大效率染料敏化纳米晶电池也仅能达到10%左右。无机太阳能电池生产技术也较为成熟，目前为止，太阳能电池片的生产还是以无机多晶硅电池片为主。本文也主要研究无机多晶硅电池的生产工艺。 图和表应该各自编号，取名 表格最好另外画，尽量避免用现成的图片格式的表格 　 　 最高转换效率 制造能耗 成本 材料来源 工艺成熟性 污染 可靠性 无机块状光伏电池 单晶硅 24.7 最大 最大 丰富 很成熟 最大 最好 多晶硅 18 大 大 丰富 成熟 大 好 薄膜光伏电池 多晶硅薄膜 16 较小 较小 丰富 比较成熟 较小 好 非晶硅薄膜 12 小 小 丰富 比较成熟 较小 不好 碲化镉 15 小 小 比较丰富 比较成熟 大 一般 砷化镓 19.9 小 小 不太丰富 比较成熟 较小 一般 铜铟镓硒 37.4 小 大 不太丰富 不太成熟 大 好 有机太阳能电池 混合异质结 6 小 小 丰富 不成熟 小 未知 染料敏化纳米晶 10 小 小 丰富 不太成熟 小 好 表1-1 各种太阳能电池优缺点比较 图1-1 2007年各类太阳能电池生产比重 （这张图很不清楚，重新找一张或者自己用excel画一张饼状图） 3 2 原料多晶硅 2.1 多晶硅的作用 从硅矿到太阳能电池片,再经光伏组件的组合,到形成完整的发电系统。其过程包括硅的合成、提纯、硅锭/片、太阳能电池片、太阳能电池组件等。最后由或多或少的太阳能电池组件组合成完整的、功率大小不一的太阳能发电站。 图2-1 多晶硅电池生产步骤图示 生产无机太阳能电池片，最主要的原料就是多晶硅。完整的太阳能电池发电系统包含很多部分，但是其中最主要的核心部分由多晶硅经过各种工序加工而成的太阳能电池片，生产太阳能电池片占总成本的82%左右。电子芯片的制造一般用纯度较高的多晶硅。多晶硅生产提纯过程具有高压高温，有毒物质易燃物质较多，生产环境比较恶劣。此外，生产过程的安全性，是否节能环保，工艺人员的对生产流程熟悉程度都是多晶硅生产、提纯过程中的要点。[[] 刘志刚. 多晶硅太阳电池新腐蚀液的研究及其应用：[博士学位论文]. 上海： 上海交通大学理学院物理系，2006 ] 2.2 多晶硅生产方法 2.2.1 改良西门子法 德国西门子公司在硅棒发热体上用H还原成功研究制备多晶硅取得了成功。其系统属于闭路循环系统，利用氢化工艺把副产物SiCld转化为SiHCl，实现了回收利用。大大降低了生产过程中原辅材料的消耗；还原炉采用大型不锈钢钟罩节电还原炉，能耗低。目前该生产工艺还在研究发展中，但基本上在实际生产中已经取代了传统的西门子法。[[] 梁昌鑫，陈孝祺. 太阳能电池现状及其发展前景. 上海电机学院学报，2010， 13（3）：182-186 ] 图2-2 改良西门子法的生产工艺流程图 2.2.2 新硅烷法 新硅烷法是由美国UCC公司率先开发研究的用硅烷生产高纯硅的新工艺。该生产工艺原料相对低廉，是以SiCl4为原料，其系统属于闭路循环系统，不会得到其它产物。 新硅烷法工艺如下： 这种简单的表示式尽量自己重新画，下同 新硅烷法具有以下优点： （1） 新硅烷法中硅烷热分解温度较低； （2） 整个生产流程中能耗较低； （3） 新硅烷法产品更容易提纯，产品纯度高； （4） 新硅烷法硅烷中硅质量分数较高(w=87.5)； （5） 新硅烷法原料消耗低； 液氨在该反应中作为溶剂，不会发生化学反应。硅烷发生的过程伴有纯化现象，能够完全清除挥发性的氢化物杂质，而且除硼效果良好。但其用到的SiCl4属于易燃易爆气体的一种，存储困难，且硅烷热分解炉结构复杂，所以硅棒直径必须受到限制。[[] Helge Haverkamp，Amir Dastgheib-Shirazi，Bernd Raabe，et al. Minimizing the Electrical Losses on the Front Side：Development of a Selective Emitter Process From a Single Diffusion. Photovoltaic Specialists Conference，San Diego，2008， 1-4 ] 2.2.3 热分解法 热分解法：是以对SiH2C12进行加热分解生成多晶硅，此法生产的产品纯度较低，设备没有循环利用装置，其副产物无法循环利用。目前此法很少使用，在此不做详述。 3 多晶硅太阳能电池 3.1 多晶硅太阳能电池结构及原理 图3-1 多晶硅太阳能电池结构 光伏效应产生：第一，需要在P型硅的底部表面上，制取厚度约为0.5um的N型重掺杂层利用三氯氧磷的液态源扩散工艺来获得，当N与P型层相互触碰时，就会形成pn结，从而发生光伏效应。光子将能量传递给硅原子而产生新的电子空穴对。新的电子-空穴对在内建电场的作用下电子由p区流向n区，空穴由n区流向p区，电子和空穴在 pn结两侧集聚形成了电势差，当外部电路接通后，在电势差的作用下，外部电路会有电流流过，从而产生一定的输出功率。[[] 任丙彦，吴鑫，勾宪芳，等. 背接触硅太阳电池研究进展. 材料导报，2008， 22（9）：101-105 ]多晶硅太阳能电池的发电原理如下图所示。 图3-2 多晶硅太阳能电池的p-n结发电原理 3.2 多晶硅太阳能电池的制备流程工艺 由上述多晶硅太阳能电池的组成结构和发电原理，经过历代前辈的不断完善。多晶硅太阳能电池片的制备工艺流程如下：表面制绒→扩散→ 除去背结→PECVD→丝网印刷→测试。接下来向大家介绍多晶硅生产工艺的各个组成部分，以及一些在生产过程中的重要工艺参数和关于对工艺的优化。 3.2.1 一次清洗 3.2.1.1 一次清洗的原理 一次清洗工序是多晶硅太阳能电池片生产制备流程中的第一道工序，其主要目的是去除原硅片表面的脏污和机械损伤层，工序中添加特殊的制绒剂，可以有效的在硅片表面形成不规则的绒面结构（俗称制绒），不规则的绒面结构能够在太阳光照射时增强太阳能电池的陷光作用。我们知道，单