太阳能电池主要的原材料有哪些

太阳能电池生产工艺近些年来，全世界生产应用最多的太阳能电池是由单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池构成的晶体硅太阳能电池，其产量占到当前世界太阳能电池总产量的90％以上。它们工艺技术成熟，性能稳定可靠，光电转换效率高，使用寿命长，已进人工业化大规模生产。因此，本节对地面用晶体硅太阳能电池的一般生产制造工艺进行介绍。晶体硅太阳能电池生产制造工艺包括的内容范围有宽狭之分。宽的内容范围，包括硅材料的制备、太阳能电池的制造和太阳能电池组件的封装三个部分。狭的内容范围，仅包括太阳能电池的制造。下面按照宽的内容范围加以介绍，即不但包括太阳能电池的制造，还包括硅材料的制备和太阳能电池组件的封装。硅材料的制备(一)高纯多晶硅的制备(二)单晶硅锭的制备．单晶硅锭的制备方法很多，可从熔体上生长，也可从气相中沉积。目前国内外在生产中采用的主要有熔体直拉法和悬浮区熔法两种。(三)多晶硅锭的制备多晶硅太阳能电池是以多晶硅为基体材料的太阳能电池。它的出现主要是为了降低晶体硅太阳能电池的成本。其主要优点有：能直接拉制出方形硅锭，设备比较简单，并能制出大型硅锭以形成工业化生产规模，材质电能消耗较省，并能用较低纯度的硅作投炉料；可在电池工艺方面采取措施降低晶界及其他杂质的影响。其主要缺点是生产出的多晶硅电池的转换效率要比单晶硅电池稍低。多晶硅的铸锭工艺主要有定向凝固法和浇铸法两种。(四)片状硅的制备片状硅又称硅带，是从熔体中直接生长出来，可以大为减少切片的损失，片厚约100200~m。主要生长方法有限边喂膜(EFG)法、枝蔓蹼状晶(WEB)法、边缘支撑晶(ESP)法、小角度带状生长法、激光区熔法和颗粒硅带法等。其中枝蔓蹼状晶法和限边喂膜法比较成熟。枝蔓蹼状晶法，是从坩埚里长出两条枝蔓晶，由于表面张力的作用，两条枝晶中间会同时长出一层薄膜，切去两边的枝晶，用中间的片状晶来制作太阳能电池。由于硅片形状如蹼状，所以称为蹼状晶。它在各种硅带中质量最好，但生长速度相对较慢。限边喂膜法，是从特制的模具中拉出筒状硅，然后用激光切割成单片来制作太阳能电池。目前已能拉出每面宽10cm的10面体筒状硅，厚度达300μm。它是目前投入研发最多的硅带，产量已达4MW级。近期硅带的研发目标，是制出125mmXl25mm的硅片，将厚度降至250μm左右。用限边喂膜法进行大批量生产时，应满足的主要技术条件为：①采用自动控制温度梯度、固液交界的新月形的高度及硅带的宽度等，以有效地保证晶体生长的稳定性。②在模具对硅料的污染方面进行控制。从总体上来说，硅带生长方法目前仍在进一步研究试验中，仅建立了少数中试生产线，尚未投入大规模工业化生产。(五)太阳能级硅的研发．快速发展的晶体硅太阳能电池的生产与应用，使硅材料的需要量剧增，耗量巨大。按我国光伏产业现在的生产技术水平，生产1MW硅太阳能电池约需15t硅材料，如果我国到2010年生产IOOMW硅太阳能电池，考虑到届时可将硅片的厚度降到200～250μm左右，则将需耗用1000t左右硅材料，远远大于我国硅材料的供应能力。因此，必须未雨绸缪，下大力气研究解决硅材料的生产供应问题。研发生产太阳能级硅是重要的解决途径。所谓“太阳能级硅”并无精确的定义，由于冶金级硅的杂质含量太高，影响电池的光电转换效率，如设法将其用简单的化学或物理方法提纯，使之能够用于制造太阳能电池，则将大大降低电池的成本，这种硅就称之为“太阳能级硅”。一般认为，能够制造出光电转换效率10％电池的廉价硅材料，即可称之为“太阳能级硅”。而能用于制造集成电路的硅，则称之为“电路级硅”。为探索各种不同杂质原子对太阳能电池效率的影响，科研人员花费了大量精力进行研究实验，已取得如下成果：①钽、钼、铌、锆、钨、钛、钒等元素，在浓度1013—1014／cm3即对电池效率产生很大影响。②镍、铝、钴、铁、锰、铬等元素，则要在浓度1015／cm3以上时才对电池效率有影响。③而磷和铜在浓度高达1018／cm2时才对电池的效率有少量影响。(六)硅片的加工硅片的加工，是将硅锭经表面整形、定向、切割、研磨、腐蚀、抛光、清洗等工艺，加工成具有一定直径、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光洁度，表面无缺陷、无崩边、无损伤层，高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。硅片加工的一般工艺流程，如图11所示。这一流程也包括了太阳能电池制造阶段硅片的表面处理工序，在连续生产中可以归并。将硅锭按照技术要求切割成硅片，才能作为生产制造太阳能电池的基体材料。因此，硅片的切割，即通常所说的切片，是整个硅片加工的重要工序。所谓切片，就是锭通过镶铸金刚砂磨料的刀片(或钢丝)的高速旋转、接触、磨削作用，定向切割成为要求规格的硅片。切片工艺技术直接关系到硅片的质量和成品率。对于切片工艺技术的原则要求是：①切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。②断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹。③提高成品率，缩小刀(钢丝)切缝，降低原材料损耗。④提高切割速度，实现自动化切割。切片的方法目前主要有外圆切割、内圆切割、多线切割以及激光切割等。目前工业生产中较多采用的切割方法之一是内圆切割。它是用内圆切割机将硅锭切割成0．3～0．4mm的薄片。其刀体的厚度为0．1mm左右，刀刃的厚度为0．20～0．25mm，刀刃上黏有金刚砂粉。在切割过程中，每切割一片，硅材料约有0．3～0．35mm的厚度损失，因此硅材料的利用率仅为40％～50％左右。内圆切割刀片的示意图，如图12所示。内圆式切割机的切割方法，可分成图13所示4类：(a)刀片水平安装，硅料水平方向送进切割；(b)刀片垂直安装，硅料水平方向送进切割；(c)刀片垂直安装，硅料垂直方向送进切割；(d)刀片固定，硅片垂直方向送进切割。采用多线切割机切片是当前最为先进的切片方法。它是用钢丝携带研磨微粒完成切割工作。即将lOOkm左右钢丝卷置于固定架上，经过滚动碳化硅磨料切割硅片。此法具有切片质量高、速度快、产量大、成品率高、材料损耗少(切损只有0．2～0．22mm)、可切割更大更薄(0．2mm)的片以及成本低等特点，适宜于大规模自动化生产。典型瑞士多线切割机的生产能力为可同时加工4组125mmXl25mmX520mm的硅锭，用时约3．15h，可切片4160片，片子目前平均厚度为325pm(可更薄)，切割刃口窄，比一般内圆式切割机可节约硅材料约1／4左右。选用制造太阳能电池硅片应考虑的主要技术原则有如下各项：①导电类型在两种导电类型的硅材料中，p型硅常用硼为掺杂元素，用以制造n+／p型硅电池；n型硅用磷或砷为掺杂元素，用以制造P+／n型硅电池。这两种电池的各项参数大致相当。目前国内外大多采用p型硅材料。为降低成本，两种材料均可选用。②电阻率硅的电阻率与掺杂浓度有关。就太阳能电池制造而言，硅材料电阻率的范围相当宽，从0．1～50Ω·cm甚至更大均可采用。在一定范围内，电池的开路电压随着硅基体电阻率的下降而增加。在材料电阻率较低时，能得到较高的开路电压，而短路电流略低，但总的转换效率较高。所以，地面应用宜于使用0．5～3．oΩ·cm的硅材料。太低的电阻率，反而使开路电压降低，并导致填充因子下降。③晶向、位错、寿命太阳能电池较多选用(111)和(110)晶向生长的硅材料。对于单晶硅电池，一般都要求无位错，和尽量高的少子寿命。④几何尺寸主要有?50mm、?70mm、?100mm、?200mm的圆片和lOOmmXlOOmm、125mmX125mm、150mmXl50mm的方片。硅片的厚度目前已由早先的300～450?m降为当前的200—350mm。