太陽能光伏硅晶片

印寧華|Indining China|

2022-09-28 17:12:07 51

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備一起構成光伏系統。

它們將太陽光轉化為電能以儲存或供電其他設備（包括人造光源）的神奇技術。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，它會導致電子流動并產生電流。光伏是指當被光源（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,它產生電力。

光伏（PV）電池的運行需要三個基本屬性：

光的吸收，產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的外部電路。

在光伏電池中有兩個獨特的不同組，即單結和多結電池。

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

單結和多結光伏電池

單結光伏電池在市場上大多數常規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型半導體，而添加微量磷的純硅將形成N型半導體。

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

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

單結太陽能電池可能的最高理論效率約為34％（Shockley Queisser Efficiency Limit）。關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型半導體來形成多層p-n結。這使得能夠將更廣泛的光能轉換成電能。

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

多結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面以形成均勻的晶片。在溫暖和低光環境下表現更好，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) – 最經濟的硅基太陽能電池。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％。為了彌補效率略低，與同瓦數相比，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。它占據了薄膜市場份額的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合使用。它們就像發電的忍者一樣，不是完全隱身的，而是比傳統的方法更有吸引力。

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，可以將摻雜雜質添加到熔融硅中以摻雜（改變其材料的電性質）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。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，旋轉和冷卻的速度（溫度梯度）將決定所形成晶體的質量和尺寸。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。它經歷了從晶圓制造太陽能電池的各種過程。

預檢和預處理 :- 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。
擴散 :- 將摻雜劑添加到硅晶片以使其導電。例如，預摻雜的p型硼晶片通過在高溫下用磷源擴散而給予負（n型）表面，產生正負（p-n）結。
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 :- 金屬內嵌印在晶圓的兩側以產生歐姆接觸。燒結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行測試，并根據效率和等級進行分類。

形成單晶太陽能電池的復雜過程

在聚甲基丙烯酸甲酯太陽能電池制造中，也經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％。

光伏發展

美國是現代太陽能光伏發明者和先驅。它曾經是1954-1996年的光伏主要領導。美國貝爾實驗室的工程師Russell Ohl于1946年獲得了*個現代太陽能電池的專利。*個實用的晶體硅電池于1954年開發出來，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上得到普及。許多人已經投資了可再生能源技術，導致光伏發電量的增加。 2016年，德國的光伏裝機容量超過了40吉瓦大關。

中國在2010年初開始涉足光伏太陽能產業。到2015年底，中國超過了德國的產能，成為*上最大的光伏發電生產國，并持續增長。

由于全球對光伏增加的需求，硅片制造的成熟以及硅片生產廠的數量的增加，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換成電能。

然而，光電半導體材料實際上可以吸收多少光子并轉化為電能存在限制。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生電子 – 空穴對來擊退電子并發電，然而來自光子的多余能量將轉化為熱量。

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。假設單個p-n結的帶隙為1.34eV（使用AM1.5太陽光譜），該極限值使最大太陽能轉換效率在33.7％左右。

AM 1.5太陽光譜是最常用的標準，因為大部分太陽能使用國位于溫帶地區（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，通常需要多結太陽能電池。其他創新，包括太陽能集中器和量子點被使用，但成本較高。

單結和多結太陽能電池的區別。
展示兩個細胞如何將全光譜轉化為電力。單結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。在多結太陽能電池中，不同的半導體可以收集不同能級的光子，從而提高總效率。

具有多結太陽能電池的集中光伏已經達到了超過44％的太陽能電池效率。然而，由于成本和復雜性，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的轉換效率。

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

當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。在一個小屋頂的小房子，明智得到一個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。

全球光伏行業逐漸走出“寒冬”，發展漸漸回暖，企業經營狀況也得到較大改善。從第四季度財報來看，我國多數電池骨干企業扭虧為盈。而且隨著國內太陽能市場的開發，光伏企業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十大硅片企業的產能、產量數據。

* 協鑫光伏（GCL）　　
*：中國產能：10GW　產量：8.6GW 　產能利用率：86%

NO.2 英利 　　　　
*：中國　　產能：2.8GW 　　產量：2.3GW 　產能利用率：82.1%

NO.3 昱輝陽光　　
*：中國　　產能：2.2GW 　　產量：2.1GW 　產能利用率：95.5%

NO.4 綠能科技 　　
*：中國（臺灣）　　產能：2GW 　產量：1.9GW 產能利用率：95%

NO.5 旭陽雷迪 　
*：中國　產能：1.8GW 　　產量：1.6GW 　產能利用率：88.9%

NO.6 賽維LDK 　　
*：中國　產能：3.3GW 　產量：1.5GW 　產能利用率：45.5%

NO.7 晶科能源 　　
*：中國　產能：1.8GW 　產量：1.5GW 　產能利用率：83.3%

NO.8 Nexolon
*：韓國產能：1.7GW 　產量：1.3GW 產能利用率：76.5%

NO.9 隆基 　
*：中國　產能：1.3GW 產量：1.2GW 　產能利用率：92.3%

*0 天合光能　　
*：中國　　產能：1.4GW 　產量：1.2GW 　　產能利用率：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散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴散是在石英管制成的高溫擴散爐中進行。這樣就在硅片上形成P/N結。然后采用絲網印刷法，將配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經過燒結，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，經破碎，用1：5的氫氟酸和硝酸混合液進行適當的腐蝕，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，在真空狀態中加熱熔化。熔化后應保溫約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，可提高材質利用率和方便組裝。

2、光電轉換率不同

單晶硅電池片在實驗室最高轉化效率為24.7%，普通商品化的轉換效率為10%-18%。多晶硅太陽能電池實驗室最高效率達到20.3%，普通商品化的一般為10%-16%。雖然看上去單晶硅的轉化率更高，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定性都很好。其次，雖然單晶硅太陽能電池的平均轉換效率比多晶硅太陽能電池的平均轉換效率高2%左右，但是由于單晶硅太陽能電池只能做成準正方形（四個頂端是圓弧），當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色，多晶硅面底色多是藍色或彩色。

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，節約電耗，總的生產成本較低，因此多晶太陽能電池板在如今得到大量發展，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，兩者的發電效率并沒有多大的差別。

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