多晶矽太陽電池

太陽電池的一種。 矽體太陽電池近年來得到了廣泛的套用 由於其製造工藝上的不同可分為單晶矽， 多晶矽兩種結構。

多晶矽材料是由許多具有不同晶向的小顆粒單晶矽組成 在小顆粒的單晶晶粒內部矽原子呈周期性有序排列。

多晶矽與單晶矽的主要區別是不同晶向的單晶晶粒間存在晶粒間界 所謂的晶粒間界是指晶粒間的過渡區結構複雜矽原子呈無序排列存在著能在禁帶中引入深能級缺陷的雜質。

基本介紹

• 中文名：多晶矽太陽電池
• 核心：太陽能電池組件
• Isc：2950mA
• Voc：584mV
• FF：0．72
• η：12．4%

概述

太陽電池套用最大障礙就是成本太高,如何進一步降低成本成為太陽電池推廣套用的關鍵。多晶矽太陽電池是目前較成熟的成本相對較低的太陽電池技術,由於多晶矽晶粒取向的多樣性,不能用傳統的單晶矽制絨面技術,如何廉價可靠地製備多晶矽太陽電池的減反射膜是多晶矽太陽電池產業化的關鍵技術之一。

多晶矽太陽電池的性能基本與單晶矽太陽電池相同，目前國外多晶矽太陽電池大部分是10cm×10cm的方片。工業化生產的多晶矽太陽電池的典型特性參數如下：

多晶矽太陽能電池

Isc=2950mA，Voc=584mV，填充因子FF=0．72，轉換效率η=12．4%(測試條件：AM1．5，1000W/m2，25℃)。

多晶矽太陽電池的其它特性與單晶矽太陽電池類似，如溫度特性、太陽電池性能隨入射光強的變化等。

多晶矽電池的優勢

多晶矽太陽能電池的競爭力近年來超越單晶矽太陽電池主要有以下幾點原因
（1）晶體矽生長技術與設備的進步，大型（大於240kg） 的晶錠增加了生產能力減少能源的消耗比起單晶，多晶更適合用較低純度的原材料。晶錠與坩堝尺寸趨向標準化，有助於凝鑄技術的推廣。近年來在原有晶體矽生長方法的基礎上，誕生了熱交換法和電磁澆鑄 方法。可以製造出高質量的多晶矽材料。
（2）氧化矽減反射膜的普遍採用。除了具有減反射的功能外氧化矽膜內的氫原子對矽片表面和體內具 有 良 好 的 鈍 化 作 用。氧 化 矽 膜 比 傳 統 的 氧 化 鈦減反射膜穩定。 （3）多晶矽太陽電池是比較標準的正方形，與準方形的單晶矽太陽電池相比5英寸與6英寸的多晶太陽電池在成本與模板封裝密度上更有優勢
（4）多線切割工藝被普遍採用， 生產自動化程度提高。相對傳統的內圓切割，多線鋸的產量高，切割損失小，
對矽片表面的損傷小，同時可以獲得比較薄的矽片。

多晶矽電池發展歷史

晶體矽太陽能電池的發展可劃分為三個階段，每一階段效率的提升都是因為新技術的引入。

1954年貝爾實驗室Chapin等人開發出效率為6%的單晶矽太陽能電池到1960年為第一發展階段，導致效率提升的主要技術是矽材料的製備工藝日趨完善、矽材料的質量不斷提高使得電池效率穩步上升，這一期間電池效率在15%。1972年到1985年是第二個發展階段，背電場電池（BSF）[1]技術、“淺結”結構、絨面技術、密柵金屬化是這一階段的代表技術，電池效率提高到17%，電池成本大幅度下降。1985年後是電池發展的第三階段，光伏科學家探索了各種各樣的電池新技術、金屬化材料和結構來改進電池性能提高其光電轉換效率：表面與體鈍化技術、Al/P吸雜技術、選擇性發射區技術、雙層減反射膜技術等。許多新結構新技術的電池在此階段相繼出現，如效率達24.4%鈍化發射極和背麵點接觸（PERL）電池。目前相當多的技術、材料和設備正在逐漸突破實驗室的限制而套用到產業化生產當中來。目前已經有多家國內外公司對外宣稱到2008年年底其大規模產業化生產轉換效率單晶將達到18%，多晶將超過17%。

單晶矽太陽電池的生產需要消耗大量的高純矽材料，而製造這些材料工藝複雜，電耗很大，在太陽電池生產總成本中己超二分之一，加之拉制的單晶矽棒呈圓柱狀，切片製作太陽電池也是圓片，組成太陽能組件平面利用率低。因此，80年代以來，歐美一些國家投入了多晶矽太陽電池的研製。

目前太陽電池使用的多晶矽材料，多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶矽料和冶金級矽材料熔化澆鑄而成。其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矽頭尾料，經破碎，用1：5的氫氟酸和硝酸混合液進行適當的腐蝕，然後用去離子水沖洗呈中性，並烘乾。用石英坩堝裝好多晶矽料，加人適量硼矽，放人澆鑄爐，在真空狀態中加熱熔化。熔化後應保溫約20分鐘，然後注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻後，即得多晶矽錠。這種矽錠可鑄成立方體，以便切片加工成方形太陽電池片，可提高材質利用率和方便組裝。

多晶矽太陽電池的製作工藝與單晶矽太陽電池差不多，其光電轉換效率約12%左右，稍低於單晶矽太陽電池，但是材料製造簡便，節約電耗，總的生產成本較低，因此得到大量發展。隨著技術得提高，目前多晶矽的轉換效率也可以達到18%左右。

電池構成及配件作用

1） 鋼化玻璃 其作用為保護髮電主體（如電池片），透光其選用是有要求的， 1.透光率必須高（一般91%以上）；2.超白鋼化處理。

2） EVA 用來粘結固定鋼化玻璃和發電主體（如電池片），透明EVA材質的優劣直接影響到組件的壽命，暴露在空氣中的EVA易老化發黃，從而影響組件的透光率，從而影響組件的發電質量除了EVA本身的質量外，組件廠家的層壓工藝影響也是非常大的，如EVA膠連度不達標，EVA與鋼化玻璃、背板粘接強度不夠，都會引起EVA提早老化，影響組件壽命。

3） 電池片主要作用就是發電，發電主體市場上主流的是晶體矽太陽電池片、薄膜太陽能電池片，兩者各有優劣：晶體矽太陽能電池片，設備成本相對較低，但消耗及電池片成本很高，但光電轉換效率也高，在室外陽光下發電比較適宜；薄膜太陽能電池，相對設備成本較高，但消耗和電池成本很低，但光電轉化效率相對晶體矽電池片一半多點，但弱光效應非常好，在普通燈光下也能發電，如計算器上的太陽能電池。

4） EVA 作用如上，主要粘結封裝發電主體和背板

5） 背板 作用，密封、絕緣、防水（一般都用TPT、TPE等材質必須耐老化，現在組件廠家都質保25年，鋼化玻璃，鋁合金一般都沒問題，關鍵就在與背板和矽膠是否能達到要求。）

6） 鋁合金 保護層壓件，起一定的密封、支撐作用

7） 接線盒 保護整個發電系統，起到電流中轉站的作用，如果組件短路接線盒自動斷開短路電池串，防止燒壞整個系統接線盒中最關鍵的是二極體的選用，根據組件內電池片的類型不同，對應的二極體也不相同。

8） 矽膠 密封作用，用來密封組件與鋁合金框線、組件與接線盒交界處有些公司使用雙面膠條、泡棉來替代矽膠，現在國內普遍使用矽膠，工藝簡單，方便，易操作，而且成本很低。

電池測試條件

（1）由於太陽能組件的輸出功率取決於太陽輻照度和太陽能電池溫度等因素，因此太陽能電池組件的測量在標準條件下（STC）進行，標準條件定義為： 大氣質量AM1.5， 光照強度1000W/m2，溫度25℃。

（2）在該條件下，太陽能電池組件所輸出的最大功率稱為峰值功率，在很多情況下，組件的峰值功率通常用太陽能模擬儀測定。影響太陽能電池組件輸出性能的主要因素有以下幾點：

1）負載阻抗

2）日照強度

3）溫度

4）陰影

功率計算方法

太陽能交流發電系統是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發電系統則不包括逆變器。為了使太陽能發電系統能為負載提供足夠的電源，就要根據用電器的功率，合理選擇各部件。下面以100W輸出功率，每天使用6個小時為例，介紹一下計算方法：

1.首先應計算出每天消耗的瓦時數(包括逆變器的損耗)：若逆變器的轉換效率為90%，則當輸出功率為100W時，則實際需要輸出功率應為100W/90%=111W；若按每天使用5小時，則耗電量為111W*5小時=555Wh。

2.計算太陽能電池板：按每日有效日照時間為6小時計算，再考慮到充電效率和充電過程中的損耗，太陽能電池板的輸出功率應為555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充電過程中，太陽能電池板的實際使用功率。

多孔矽的特點以及在多晶矽電池中的套用

1990年人們發現了多孔矽的可見光發射和明顯的帶隙寬化現象,目前量子限制模型被最廣泛地用來解釋多孔矽和納米結構矽光發射特性的起源。用化學腐蝕或電化學腐蝕[在晶體矽片上形成多孔矽呈現出光螢光和電螢光特性。在太陽電池結構中套用多孔矽有如下優點:
(1)多孔矽高的絨面表面形貌可能用來增強光的捕獲。用多孔矽作為表面絨面來增強多晶矽太陽電池性能,不象傳統的NaOH溶液的絨面腐蝕只能用於[100]取向的單晶矽襯底,多孔矽可以在任何取向的單晶、多晶或微晶矽的表面腐蝕成。多孔矽覆蓋在多晶矽上的減反射可以和其它複雜的表面絨面技術相比。

(2)多孔矽的帶隙可以根據對陽光的最佳吸收來調整,太陽電池理論效率相對於帶隙的曲線最大的峰值在1.5eV附近,該值在已觀察到的多孔矽帶隙值範圍之內。多孔矽明顯寬的帶隙使它可能成為異質結電池理想的頂層材料,Si疊層電池的頂電池的光吸收材料,這一特性還可能用於在擴散結Si太陽電池中建立背或前表面場。

(3)多孔矽的光螢光特性可用於將紫外光和藍光轉變成波長更長的光,Si太陽電池對這些光有更高的量子效率。

(4)在CZ法生長的Si片背面形成的多孔矽可作為雜質原子的有效吸雜中心,這些雜質原子在高溫氧化時可能形成堆積缺陷,這一特性可用於光伏技術,因為高效矽太陽電池的製備常需要多次高溫氧化工藝。
(5)化學腐蝕和電化學腐蝕的簡單性和易於大面積製備使得多孔矽成為適合於大面積套用(如太陽電池)的候選技術。

電池套用領域

一、用戶太陽能電源

（1）小型電源10-100W不等，用於邊遠無電地區如高原、海島、牧區、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等；（2）3-5KW家庭屋頂併網發電系統；（3）光伏水泵：解決無電地區的深水井飲用、灌溉。

二、交通領域

如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標誌燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。

三、通訊/通信領域

太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統；農村載波電話光伏系統、小型通信機、士兵GPS供電等。

四、石油、海洋、氣象領域

石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統、石油鑽井平台生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等。

五、家庭燈具電源

如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節能燈等。

六、光伏電站

10KW-50MW獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。

七、太陽能建築

將太陽能發電與建築材料相結合，使得未來的大型建築實現電力自給，是未來一大發展方向。

八、其他領域包括

（1）與汽車配套：太陽能汽車/電動車、電池充電設備、汽車空調、換氣扇、冷飲箱等；（2）太陽能制氫加燃料電池的再生髮電系統；（3）海水淡化設備供電；（4）衛星、太空飛行器、空間太陽能電站等。