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晶体硅太阳能电池的种类及特点

目前世界各国研制的硅太阳能电池种类繁多,主要系列有单晶、多晶、非晶硅几种。其中单晶硅太阳能电池占50%,多晶硅电池占20%、非晶占30%。我国光伏发电发展需解决的关键问题。太阳能光伏发电发展的瓶颈是成本高。

为此,需加大研发力度,集中在降低成本和提高效率的关键技术上有所突破,主要包括:

a)晶体硅电池技术。降低太阳硅材料的制备成本:开发专门用于晶体硅太阳能电池的硅材料,是生产高效和低成本太阳电池的基本条件;同时实现硅材料国产化和提高性能,从产业链的源头,抓好降低成本工作。提高电池/组件转换效率:高效钝化技术,高效陷光技术,选择性发射区,背表面场,细栅或者单面技术,封装材料的最佳折射率等高效封装技术等。光伏技术的发展以薄膜电池为方向,高效率、高稳定性、低成本是光伏电池发展的基本原则。

单晶硅在太阳能的有效利用当中,太阳能光电利用是近些年来发展最快,也是最具活力的研究领域。而硅材料太阳能电池无疑是市场的主体,硅基(多晶硅、单晶硅)太阳能电池占80%以上,每年全世界需消费硅材料3000t左右。生产太阳能电池用单晶硅,虽然利润比较低,但是市场需求量大,供不应求,如果进行规模化生产,其利润仍然很可观。目前,中国拟建和在建的太阳能电池生产线每年将需要680多吨的太阳能电池用多晶硅和单晶硅材料,其中单晶硅400多吨,而且,需求量还以每年15%~20%的增长率快速增长。

硅系列太阳能电池中,单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%,技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电池工艺已近成熟,在电池制作中,一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面,德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化,制成倒金字塔结构。通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率:通过以上制得的电池转化效率超过23%。单晶硅具有完整的金刚石结构。通过掺杂得到n,P型单晶硅,进而制备出p/n结、二极管及晶体管,从而使硅材料有了真正的用途。单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅成本价格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困难的。

多晶硅众所周知,利用太阳能有许多优点,光伏发电将为人类提供主要的能源,但目前来讲,要使太阳能发电具有较大的市场,被广大的消费者接受,提高太阳电池的光电转换效率,降低生产成本应该是大家追求的最大目标,从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜)。从工业化发展来看,重心已由单晶向多晶方向发展,主要原因为:(1)可供应太阳电池的头尾料愈来愈少;(2)对太阳电池来讲,方形基片更合算,通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料;(3)多晶硅的生产工艺不断取得进展,全自动浇铸炉每生产周期(50小时)可生产200kg以上的硅锭,晶粒的尺寸达到厘米级;(4)由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快,其工艺也被应用于多晶硅电池的生产,例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极,采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到很小的范围,快速热退火技术用于多晶硅的生产可大大缩短工艺时间,单片热工序时间可在一分钟之内完成,采用该工艺在100平方厘米的多晶硅片上作出的电池转换效率超过14%。多晶硅太阳能电池具有独特的优势,与单晶硅比较,多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为12%~14%。目前,太阳能多晶硅主要有三个来源,一是半导体多晶硅的碎片;二是半导体多晶硅的副产品,三是半导体多晶硅厂商用多余的产能生产的太阳能多晶硅。高纯多晶硅原料是半导体工业和光伏产业共同的上游原材料,2003年年底以来,光伏产业多晶硅原料供不应求,市场短缺非常严重。多晶硅由于成本低,制备简单,并能与传统的硅工艺技术相容,因此它在一些场合成为单晶硅的替代品。

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