太陽能光伏硅晶片

印寧華|Indining China|

2022-09-28 17:12:07 68

光伏（Photovoltaic – PV）電池也被稱為太陽能電池。一組太陽能光伏板或太陽能光伏組件與太陽能接線，斷路器，太陽能充電器，電池，太陽能逆變器等下游設(shè)備一起構(gòu)成光伏系統(tǒng)。

它們將太陽光轉(zhuǎn)化為電能以儲存或供電其他設(shè)備（包括人造光源）的神奇技術(shù)。那么他們運行的？它是如何制造的？讓我們找出來。

光伏
“Photo”是指光線或可見光譜中的光子或電磁波。 “Volt”是指電位差，它會導(dǎo)致電子流動并產(chǎn)生電流。光伏是指當(dāng)被光源（具有足夠的波長和能量的自然或人造光源）撞擊光電材料表面時,它產(chǎn)生電力。

光伏（PV）電池的運行需要三個基本屬性：

光的吸收，產(chǎn)生電子空穴對或激子。
相反類型的電荷載體的分離。
將這些載流子分開提取到完成電子循環(huán)的外部電路。

在光伏電池中有兩個獨特的不同組，即單結(jié)和多結(jié)電池。

單結(jié)太陽能電池僅具有一個p-n（正 – 負(fù)）結(jié)，而多結(jié)太陽能電池具有多于一個p-n結(jié)。 p-n結(jié)是兩種半導(dǎo)體材料之間的界面，其中一種是富電子半導(dǎo)體（N型），另一種是電子耗盡（P型）。

單結(jié)和多結(jié)光伏電池

單結(jié)光伏電池在市場上大多數(shù)常規(guī)太陽能電池中都能找到。晶體硅太陽能電池（單晶硅和多晶硅）就是最好的例子之一。添加微量硼的純硅將形成P型半導(dǎo)體，而添加微量磷的純硅將形成N型半導(dǎo)體。

當(dāng)太陽光中的光子撞擊太陽能電池并從n區(qū)（高電子濃度）中去除電子時，脫離的電子從該區(qū)域逸出，并通過電路到達(dá)p區(qū)（低電子濃度）。這種電子流動構(gòu)成了電力。

太陽能電池的基本工作原理當(dāng)太陽光中的光子撞擊太陽能電池并從n區(qū)（高電子濃度）中去除電子時，脫離的電子從該區(qū)域逸出，并通過電路到達(dá)p區(qū)（低電子濃度）。這種電子流動構(gòu)成了電力。

單結(jié)太陽能電池可能的最高理論效率約為34％（Shockley Queisser Efficiency Limit）。關(guān)于效率的更多信息在接下來的幾章中。

為了尋求更高效率的光伏器件，通過堆疊多層不同的p型和n型半導(dǎo)體來形成多層p-n結(jié)。這使得能夠?qū)⒏鼜V泛的光能轉(zhuǎn)換成電能。

使用不同的半導(dǎo)體材料，例如磷化銦鎵（GaInP），砷化鎵銦（GaInAs）和鍺（Ge）。這些半導(dǎo)體中的每一個都使用不同波長范圍的太陽光來發(fā)電。

多結(jié)太陽能電池的一個例子

太陽能電池的類型

最常見的是晶體硅（c-Si）類型。正如名稱所示，它是由硅晶體制成的。它占據(jù)了目前市場上近90％的太陽能用量。然而市場上有太多的太陽能電池板。它的構(gòu)建材料和形式都不相同。

首先我們看看兩種最常見的硅太陽能光伏 – 單晶硅和多晶硅光伏。

典型的單晶太陽能電池板

單晶硅太陽能光伏 (Moocrystaline Solar Cells) – 最高效的硅基太陽能電池，是由人工生長的單晶硅晶片通過切克勞斯基工藝制成的。它具有最高的純度，顯得黑暗均勻，并且通常具有切割邊緣的明顯特征，因為從晶錠切下四個側(cè)面以形成均勻的晶片。在溫暖和低光環(huán)境下表現(xiàn)更好，效率在15-22％之間。多晶的太陽能電池也比較昂貴。

典型的多晶太陽能電池板

多晶硅太陽能光伏 (Polycrystaline Solar Cells) – 最經(jīng)濟(jì)的硅基太陽能電池。它被稱為多晶硅（p-Si）或（mc-Si）。獨特的斑點特征是由于一起生長的多個互鎖硅晶體。不使用切克勞斯基工藝，而是將熔融硅倒入方形模具中以形成晶體。因此，生產(chǎn)純度較低，成本較低。效率稍低于單晶，特別是在較高的熱量下，效率為13-18％。為了彌補(bǔ)效率略低，與同瓦數(shù)相比，聚太陽能面板的面積要大于面板的面積。而且更新的聚乙烯板有效率，可以與單板競爭。

接下來我們來看看市場上太陽能電池的其他變化 – 薄膜太陽能電池。

典型的薄膜太陽能板

薄膜太陽能電池（TFSC） – 光伏材料不是使用經(jīng)典的硅晶體（晶體厚，硬而脆，在彎曲壓力下會開裂），而是非常薄地沉積在襯底上，使其更加輕便靈活。薄膜面板制造簡單，顯得均勻，看起來很有吸引力，而且靈活。效率變量取決于光伏材料。薄膜電池板可以由多種材料構(gòu)成，主要選擇是非晶硅（a-Si），最普遍的類型是碲化鎘（CdTe）和硒化銅銦鎵（CIS / CIGS）。

非晶硅（a-Si）太陽能電池 – 非晶硅太陽能電池沒有使用硅晶體，而是在襯底（例如玻璃和塑料）上非常薄地（很少量的硅 – 約1％）沉積硅。但效率較低，約為7％ – 9％（最佳效率為13.4％）。它可以在像太陽能計算器這樣的小型消費電子產(chǎn)品中找到。
碲化鎘（CdTe）太陽能電池 – 一個更*的選擇。它超過了晶體硅太陽能電池板的成本效益。基于碲化鎘的太陽能電池板的效率通常在9-11％的范圍內(nèi)運行（最佳的電池效率為19.0％）。但是，由于其成本效益，如果土地面積不是問題，它正被用于多千瓦系統(tǒng)。它占據(jù)了薄膜市場份額的43％。無論如何，鎘是劇毒的。
銅銦鎵硒（CIS / CIGS）太陽能電池– 它可以使用玻璃基板或其他柔性基板。 CIGS太陽能電池板的效率通常在10-12％的范圍內(nèi)運行（最佳的電池效率為20.4％）。薄膜類別的效率最高，但三者的成本最高。

建筑一體化光電（BIPV）它更像是太陽能技術(shù)和建筑的混合或整合（或者是硅晶片或者薄膜，或者兩者兼而有之），而不是一個獨立的太陽能電池板。與陽光接觸的外墻，屋頂，窗戶，墻壁以及其他許多東西都可以與光伏材料結(jié)合使用。它們就像發(fā)電的忍者一樣，不是完全隱身的，而是比傳統(tǒng)的方法更有吸引力。

太陽能電池是如何制造的？

想知道太陽能電池是如何制造的？這是一個復(fù)雜而又美妙的概念。我們舉一個如何制作單晶硅太陽能電池的例子。盡管硅在地球上是被遺忘的（宇宙中最常見的元素），而沙子主要是硅，但顯然你不能在家制造太陽能。這一切都回到如何通過切克勞斯基人工生長水晶。

(Czochralski process)切克勞斯基工藝是用于獲得單晶（半導(dǎo)體，金屬和寶石）的晶體生長方法。高純度多晶硅（在二氧化硅石英的還原和純化后形成的雜質(zhì)僅為百萬分之幾）在約1500攝氏度的高純度真空坩堝中熔化。

在此期間，可以將摻雜雜質(zhì)添加到熔融硅中以摻雜（改變其材料的電性質(zhì)）硅。 n型硅（電子濃度高于空穴濃度）的普通摻雜劑是磷。普通的p型硅摻雜劑（空穴濃度高于電子濃度）是硼

將軸端的純硅棒作為晶種浸入熔融硅中緩慢拉起，逆時針旋轉(zhuǎn)。硅晶體將通過硅的均勻沉積而在晶種上緩慢生長，形成一個大的圓柱形晶體（或稱為圓形或硅錠），其下面可能重200-700kg。拉，旋轉(zhuǎn)和冷卻的速度（溫度梯度）將決定所形成晶體的質(zhì)量和尺寸。這個過程可能需要幾個星期到幾個月時間，并且占單晶太陽能電池生產(chǎn)成本的三分之一。

之后將硅錠研磨至特定的直徑，并用金剛石鋸將其切成特定的形狀。由直徑約為150毫米的錠塊生產(chǎn)的125毫米×125毫米的晶片，以及由直徑約為200毫米的錠塊生產(chǎn)的156毫米×156毫米的晶片。具有切割邊緣的單晶太陽能電池的奇形狀主要是因為最大可用平方表面是由一個圓確定的，以使硅損失最小化。

之后，通過線鋸將硅錠切片以形成硅晶片。這被稱為晶圓。它經(jīng)歷了從晶圓制造太陽能電池的各種過程。

預(yù)檢和預(yù)處理 :- 選擇具有特定幾何形狀和厚度一致性的*晶片。
紋理 :- 隨機(jī)金字塔紋理蝕刻在表面上以減少入射光的反射損失。
酸洗 :- 去除表面紋理化的粒子。
擴(kuò)散 :- 將摻雜劑添加到硅晶片以使其導(dǎo)電。例如，預(yù)摻雜的p型硼晶片通過在高溫下用磷源擴(kuò)散而給予負(fù)（n型）表面，產(chǎn)生正負(fù)（p-n）結(jié)。
蝕刻和邊緣隔離 :- 以除去由晶片邊緣和背面周圍的n型磷擴(kuò)散形成的不希望的電通路。
蝕刻后清洗 :- 去除蝕刻中的所有顆粒殘留物。
抗反射涂層沉積 :- 減少表面反射并增加吸收的光量。
接觸印刷和干燥 :- 金屬內(nèi)嵌印在晶圓的兩側(cè)以產(chǎn)生歐姆接觸。燒結(jié)爐用于固化晶片上的干燥金屬漿料。干燥后的晶圓可稱為太陽能電池。
測試和太陽能電池分選 :- 太陽能電池在模擬燈下進(jìn)行測試，并根據(jù)效率和等級進(jìn)行分類。

形成單晶太陽能電池的復(fù)雜過程

在聚甲基丙烯酸甲酯太陽能電池制造中，也經(jīng)歷了上述類似的過程，但沒有切克勞斯基工藝。高純度多晶硅被粉碎熔化，直接鑄成方形多晶硅錠。在沒有切克勞斯基工藝的情況下，工藝速度要快得多，比多晶硅和單晶的成本降低了20-30％。

光伏發(fā)展

美國是現(xiàn)代太陽能光伏發(fā)明者和先驅(qū)。它曾經(jīng)是1954-1996年的光伏主要領(lǐng)導(dǎo)。美國貝爾實驗室的工程師Russell Ohl于1946年獲得了*個現(xiàn)代太陽能電池的專利。*個實用的晶體硅電池于1954年開發(fā)出來，從那以后電池效率得到了提高

隨后，日本在1997 – 2004年率先成為全球最大的光伏電力生產(chǎn)國。

德國在2005 – 2014年間*。 2000年引入“可再生能源法案”，使可再生能源在電網(wǎng)上得到普及。許多人已經(jīng)投資了可再生能源技術(shù)，導(dǎo)致光伏發(fā)電量的增加。 2016年，德國的光伏裝機(jī)容量超過了40吉瓦大關(guān)。

中國在2010年初開始涉足光伏太陽能產(chǎn)業(yè)。到2015年底，中國超過了德國的產(chǎn)能，成為*上最大的光伏發(fā)電生產(chǎn)國，并持續(xù)增長。

由于全球?qū)夥黾拥男枨螅杵圃斓某墒煲约肮杵a(chǎn)廠的數(shù)量的增加，光伏正變得越來越受消費者的歡迎。

太陽能效率背后的神話

地球在高層大氣層接收到太陽輻射174瓦（PW）。在太陽光達(dá)到海平面之前，約有30％被反射回太空，其余的則被大氣中的分子吸收，如臭氧，氧氣和水。

大氣層頂部和海平面的太陽輻射光譜。由于太陽輻射光的一部分在地球大氣層中被臭氧，氧氣和水吸收,在海平面看到的最終光譜中有許多缺失的波長

太陽能效率基本上是一個平方米多少的光能量被捕獲和轉(zhuǎn)換成電能。

然而，光電半導(dǎo)體材料實際上可以吸收多少光子并轉(zhuǎn)化為電能存在限制。具有較低能量（較長波長）的光子不會被吸收。只有能量高于帶隙能量的光子才能通過在光伏材料中產(chǎn)生電子 – 空穴對來擊退電子并發(fā)電，然而來自光子的多余能量將轉(zhuǎn)化為熱量。

光伏太陽能電池中使用的不同材料的帶隙。注意到在低端和高端具有帶隙的材料往往效率較低。結(jié)晶硅是光伏電池中使用最多的材料，屬于光譜的中間

這使單個p-n結(jié)的太陽能電池的理論上最大效率有局限。它被稱為Shockley Queisser效率限制或SQ限制。假設(shè)單個p-n結(jié)的帶隙為1.34eV（使用AM1.5太陽光譜），該極限值使最大太陽能轉(zhuǎn)換效率在33.7％左右。

AM 1.5太陽光譜是最常用的標(biāo)準(zhǔn)，因為大部分太陽能使用國位于溫帶地區(qū)（歐洲，中國，日本，美國，印度北部，南非和澳大利亞）。

為了提高超出SQ Limit的太陽能電池的效率，通常需要多結(jié)太陽能電池。其他創(chuàng)新，包括太陽能集中器和量子點被使用，但成本較高。

單結(jié)和多結(jié)太陽能電池的區(qū)別。
展示兩個細(xì)胞如何將全光譜轉(zhuǎn)化為電力。單結(jié)硅太陽能電池可以接受能量大于1.12eV的光子，任何超過1.12eV的能量都會浪費掉。在多結(jié)太陽能電池中，不同的半導(dǎo)體可以收集不同能級的光子，從而提高總效率。

具有多結(jié)太陽能電池的集中光伏已經(jīng)達(dá)到了超過44％的太陽能電池效率。然而，由于成本和復(fù)雜性，正常的消費市場仍然遙遙無期。

從1976年到2017年，全球最好的研究太陽能電池的各種光伏技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率。

資源： National Renewable Energy Laboratory (NREL), Golden, CO

當(dāng)我們了解到單晶硅比多晶硅和薄膜效率更高時，是不是意味著放棄購買單晶硅板而忘記其余的？答案是不。

類似功率輸出的光伏電池板的尺寸比較。請注意，效率較低的電池，需要更大的尺寸才能獲得相同的能量

與100瓦額定值的單晶面板相比，100瓦額定的多晶面板產(chǎn)生的功率輸出量幾乎相同，但是與單晶面板相比，多晶面板的表面會更大，以輸出相同的功率量。薄膜面板的表面會更大，以獲得相同的功率輸出（取決于使用的光伏材料）。

選擇哪個面板的決定取決于我們在哪里放置面板。在一個小屋頂?shù)男》孔樱髦堑玫揭粋€非常高效的太陽能電池板，以獲得最大的利益。很明顯，它具有更高的價格標(biāo)簽。但是，如果你有一塊草坪用于太陽能項目，你可以很容易地得到相同的產(chǎn)量，非常*的太陽能電池板效率很低，但覆蓋面積更大。

全球光伏行業(yè)逐漸走出“寒冬”，發(fā)展?jié)u漸回暖，企業(yè)經(jīng)營狀況也得到較大改善。從第四季度財報來看，我國多數(shù)電池骨干企業(yè)扭虧為盈。而且隨著國內(nèi)太陽能市場的開發(fā)，光伏企業(yè)的向好趨勢仍然保持*勢頭。下面，為您盤點一下全球光伏行業(yè)十大硅片企業(yè)的產(chǎn)能、產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

* 協(xié)鑫光伏（GCL）　　
*：中國產(chǎn)能：10GW　產(chǎn)量：8.6GW 　產(chǎn)能利用率：86%

NO.2 英利 　　　　
*：中國　　產(chǎn)能：2.8GW 　　產(chǎn)量：2.3GW 　產(chǎn)能利用率：82.1%

NO.3 昱輝陽光　　
*：中國　　產(chǎn)能：2.2GW 　　產(chǎn)量：2.1GW 　產(chǎn)能利用率：95.5%

NO.4 綠能科技 　　
*：中國（臺灣）　　產(chǎn)能：2GW 　產(chǎn)量：1.9GW 產(chǎn)能利用率：95%

NO.5 旭陽雷迪 　
*：中國　產(chǎn)能：1.8GW 　　產(chǎn)量：1.6GW 　產(chǎn)能利用率：88.9%

NO.6 賽維LDK 　　
*：中國　產(chǎn)能：3.3GW 　產(chǎn)量：1.5GW 　產(chǎn)能利用率：45.5%

NO.7 晶科能源 　　
*：中國　產(chǎn)能：1.8GW 　產(chǎn)量：1.5GW 　產(chǎn)能利用率：83.3%

NO.8 Nexolon
*：韓國產(chǎn)能：1.7GW 　產(chǎn)量：1.3GW 產(chǎn)能利用率：76.5%

NO.9 隆基 　
*：中國　產(chǎn)能：1.3GW 產(chǎn)量：1.2GW 　產(chǎn)能利用率：92.3%

*0 天合光能　　
*：中國　　產(chǎn)能：1.4GW 　產(chǎn)量：1.2GW 　　產(chǎn)能利用率：85.7%

太陽能電池片

太陽能電池板單晶硅與多晶硅相比要貴一些，兩者區(qū)別如下：

1、制作工藝不同

加工單晶太陽電池片，首先要在硅片上摻雜和擴(kuò)散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴(kuò)散是在石英管制成的高溫擴(kuò)散爐中進(jìn)行。這樣就在硅片上形成P/N結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法，將配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，至此，單晶硅太陽電池的單體片就制成了。

加工多晶太陽電池片工藝過程是選擇電阻率為100～300歐姆厘米的多晶塊料或單晶硅頭尾料，經(jīng)破碎，用1：5的氫氟酸和硝酸混合液進(jìn)行適當(dāng)?shù)母g，然后用去離子水沖洗呈中性，并烘干。

用石英坩堝裝好多晶硅料，加入適量硼硅，放入澆鑄爐，在真空狀態(tài)中加熱熔化。熔化后應(yīng)保溫約20分鐘，然后注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻后，即得多晶硅錠。這種硅錠可鑄成立方體，以便切片加工成方形太陽電池片，可提高材質(zhì)利用率和方便組裝。

2、光電轉(zhuǎn)換率不同

單晶硅電池片在實驗室最高轉(zhuǎn)化效率為24.7%，普通商品化的轉(zhuǎn)換效率為10%-18%。多晶硅太陽能電池實驗室最高效率達(dá)到20.3%，普通商品化的一般為10%-16%。雖然看上去單晶硅的轉(zhuǎn)化率更高，但單晶和多晶電池片，制成的太陽能板成品最終的效率是差不多的。

首先，單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池的壽命和穩(wěn)定性都很好。其次，雖然單晶硅太陽能電池的平均轉(zhuǎn)換效率比多晶硅太陽能電池的平均轉(zhuǎn)換效率高2%左右，但是由于單晶硅太陽能電池只能做成準(zhǔn)正方形（四個頂端是圓弧），當(dāng)組成太陽能電池組件時就有一部分面積填不滿，而多晶硅太陽能電池是正方形，不存在這個問題。因此對于太陽能電池板來說，效率基本是一樣的。

3、外觀不同

顏色：單晶硅面底色是黑色或淡藍(lán)色，多晶硅面底色多是藍(lán)色或彩色。

面積：相同功率的單晶板跟多晶板比較，多晶板面積稍大于單晶板面積。

太陽能板：單晶硅太陽能電池片因為制作工藝問題，一般其半成硅錠為圓柱形，切片后單片單晶硅電池片的四角為圓角，拼接成太陽能板后，會有明顯的菱形空隙。

多晶硅太陽能電池片，一般其半成硅錠為立方體形，切片后單片多晶硅電池片為方形，拼接成太陽能板時，有最高的填充率，產(chǎn)品相對也比較美觀。

4、市場趨勢與價格不同

由于兩種太陽能電池材料的制造工藝不一樣，多晶硅太陽能電池制造過程中消耗的能量要比單晶硅太陽能電池少30%左右。

從制作成本上來講，多晶硅太陽能電池比單晶硅太陽能電池要*一些，材料制造更簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此多晶太陽能電池板在如今得到大量發(fā)展，也是使用的最廣泛的太陽能電池板。

所以單晶太陽能板市場價格相對高一些，但多晶太陽能板的安裝使用更加廣泛。不過由于單晶電池不能鋪滿整塊太陽能板，而多晶電池沒有面積上的浪費，所以綜合起來，兩者的發(fā)電效率并沒有多大的差別。

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