多晶矽太陽能電池

多晶矽太陽能電池兼具單晶矽電池的高轉換效率和長壽命以及非晶矽薄膜電池的材料製備工藝相對簡化等優點的新一代電池，其轉換效率一般為17-18%左右，稍低於單晶矽太陽電池，沒有明顯效率衰退問題，並且有可能在廉價襯底材料上製備，其成本遠低於單晶矽電池，而效率高於非晶矽薄膜電池。

基本介紹

• 中文名：多晶矽太陽能電池
• 外文名：Multicrystalline silicon solar cell
• 製作工藝：與單晶矽太陽電池大致相同
• 上市日期：2004年7月1日
• 性質：太陽能電池
• 領域：電力

基本簡介

多晶矽太陽能電池的製作工藝與單晶矽太陽電池差不多，但是多晶矽太陽能電池的光電轉換效率則要降低不少，其光電轉換效率約17-18%左右。多晶矽片生產能耗低，生產過程無污染，與單晶矽太陽電池相比，多晶
矽太陽電池更加經濟。從製作成本上來講，比單晶矽太陽能電池要便宜一些，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。此外，多晶矽太陽能電池的使用壽命也要比單晶矽太陽能電池短。

單晶矽太陽能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，在太陽能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，切片製作太陽能電池也是圓片，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能電池的研製。由於多晶矽記憶體在明顯的晶粒界面，晶格錯位等缺陷，其效率還比較低。還有載流子遷移率、壽命和擴散長度等，與單晶矽太陽電池相比，多晶矽太陽電池都低很多。

電池組件

1） 鋼化玻璃 其作用為保護髮電主體（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（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，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，國內普遍使用矽膠，工藝簡單，方便，易操作，而且成本很低。

製造工藝

太陽電池從研究室走向工廠，實驗研究走向規模化生產是其發展的道路，所以能夠達到工業化生產的特徵應該是：

[1]電池的製作工藝能夠滿足流水線作業；

[2]能夠大規模、現代化生產；

[3]達到高效、低成本。

當然，其主要目標是降低太陽電池的生產成本。多晶矽電池的主要發展方向朝著大面積、薄襯底。例如，市場上可見到125×125mm2、156×156mm2甚至更大規模的單片電池，厚度從原來的300微米減小到250、200及200微米以下。效率得到大幅度的提高。日本京磁（Kyocera）公司150×150的電池小批量生產的光電轉換效率達到17.1%，該公司1998年的生產量達到25.4MW。

（1）絲網印刷及其相關技術

多晶矽電池的規模化生產中廣泛使用了絲網印刷工藝，該工藝可用於擴散源的印刷、正面金屬電極、背接觸電極，減反射膜層等，隨著絲網材料的改善和工藝水平的提高，絲網印刷工藝在太陽電池的生產中將會得到更加普遍的套用。

a.發射區的形成

利用絲網印刷形成PN結，代替常規的管式爐擴散工藝。一般在多晶矽的正面印刷含磷的漿料、在反面印刷含鋁的金屬漿料。印刷完成後，擴散可在網帶爐中完成（通常溫度在900度），這樣，印刷、烘乾、擴散可形成連續性生產。絲網印刷擴散技術所形成的發射區通常表面濃度比較高，則表面光生載流子複合較大，為了克服這一缺點，工藝上採用了下面的選擇發射區工藝技術，使電池的轉換效率得到進一步的提高。

b.選擇發射區工藝

在多晶矽電池的擴散工藝中，選擇發射區技術分為局部腐蝕或兩步擴散法。局部腐蝕為用乾法（例如反應離子腐蝕）或化學腐蝕的方法，將金屬電極之間區域的重擴散層腐蝕掉。最初，Solarex套用反應離子腐蝕的方法在同一台設備中，先用大反應功率腐蝕掉金屬電極間的重摻雜層，再用小功率沉積一層氮化矽薄膜，該膜層發揮減反射和電池表面鈍化的雙重作用。在100cm2的多晶上作出轉換效率超過13%的電池。在同樣面積上，套用兩部擴散法，未作機械絨面的情況下轉換效率達到16%。

c.背表面場的形成

背PN結通常由絲網印刷A漿料並在網帶爐中熱退火後形成，該工藝在形成背表面結的同時，對多晶矽中的雜質具有良好的吸除作用，鋁吸雜過程一般在高溫區段完成，測量結果表明吸雜作用可使前道高溫過程所造成的多晶矽少子壽命的下降得到恢復。良好的背表面場可明顯地提高電池的開路電壓。

d.絲網印刷金屬電極

在規模化生產中，絲網印刷工藝與真空蒸發、金屬電鍍等工藝相比，更具有優勢，在當今的工藝中，正面的印刷材料普遍選用含銀的漿料，其主要原因是銀具有良好的導電性、可焊性和在矽中的低擴散性能。經絲網印刷、退火所形成的金屬層的導電性能取決於漿料的化學成份、玻璃體的含量、絲網的粗糟度、燒結條件和絲網版的厚度。八十年度初，絲網印刷具有一些缺陷，Ⅰ)如柵線寬度較大，通常大於150微米；Ⅱ)造成遮光較大，電池填充因子較低；Ⅲ)不適合表面鈍化，主要是表面擴散濃度較高，否則接觸電阻較大。如今用先進的方法可絲網印出線寬達50微米的柵線，厚度超過15微米，方塊電阻為2.5~4mΩ，該參數可滿足高效電池的要求。有人在15×15平方厘米的Mc—Si上對絲網印刷電極和蒸發電極所作太陽電池進行了比較，各項參數幾乎沒有差距。

技術製作

光吸收

關於光的吸收

對於光吸收主要是：

（1）降低表面反射；

（2）改變光在電池體內的路徑；

（3）採用背面反射。

對於單晶矽，套用各向異性化學腐蝕的方法可在（100）表面製作金字塔狀的絨面結構，降低表面光反射。但多晶矽晶向偏離（100）面，採用上面的方法無法作出均勻的絨面，目前採用下列方法:

多晶矽太陽能電池

[1]雷射刻槽

用雷射刻槽的方法可在多晶矽表面製作倒金字塔結構，在500～900nm光譜範圍內，反射率為4～6%，與表面製作雙層減反射膜相當。而在（100）面單晶矽化學製作絨面的反射率為11%。用雷射製作絨面比在光滑面鍍雙層減反射膜層（ZnS/MgF2）電池的短路電流要提高4%左右，這主要是長波光（波長大於800nm）斜射進入電池的原因。雷射製作絨面存在的問題是在刻蝕中，表面造成損傷同時引入一些雜質，要通過化學處理去除表面損傷層。該方法所作的太陽電池通常短路電流較高，但開路電壓不太高，主要原因是電池表面積增加，引起複合電流提高。

[2]化學刻槽

套用掩膜（Si3N4或SiO2）各向同性腐蝕，腐蝕液可為酸性腐蝕液，也可為濃度較高的氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，該方法無法形成各向異性腐蝕所形成的那種尖錐狀結構。據報導，該方法所形成的絨面對700～1030微米光譜範圍有明顯的減反射作用。但掩膜層一般要在較高的溫度下形成，引起多晶矽材料性能下降，特別對質量較低的多晶材料，少子壽命縮短。套用該工藝在225cm2的多晶矽上所作電池的轉換效率達到16.4%。掩膜層也可用絲網印刷的方法形成。

[3]反應離子腐蝕（RIE）

該方法為一種無掩膜腐蝕工藝，所形成的絨面反射率特別低，在450～1000微米光譜範圍的反射率可小於2%。僅從光學的角度來看，是一種理想的方法，但存在的問題是矽表面損傷嚴重，電池的開路電壓和填充因子出現下降。

多晶矽太陽能電池

[4]製作減反射膜層

對於高效太陽電池，最常用和最有效的方法是蒸鍍ZnS/MgF2雙層減反射膜，其最佳厚度取決於下面氧化層的厚度和電池表面的特徵，例如，表面是光滑面還是絨面，減反射工藝也有蒸鍍Ta2O5, PECVD沉積 Si3N3等。ZnO導電膜也可作為減反材料。

金屬化

金屬化技術

在高效電池的製作中，金屬化電極必須與電池的設計參數，如表面摻雜濃度、PN結深，金屬材料相匹配。實驗室電池一般面積比較小（面積小於4cm2），所以需要細金屬柵線（小於10微米），一般採用的方法為光刻、電子束蒸發、電子鍍。工業化大生產中也使用電鍍工藝，但蒸發和光刻結合使用時，不屬於低成本工藝技術。

[1]電子束蒸發和電鍍

通常，套用正膠剝離工藝，蒸鍍Ti/Pa/Ag多層金屬電極，要減小金屬電極所引起的串聯電阻，往往需要金屬層比較厚（8～10微米）。缺點是電子束蒸發造成矽表面/鈍化層介面損傷，使表面複合提高，因此，工藝中，採用短時蒸發Ti/Pa層，在蒸發銀層的工藝。另一個問題是金屬與矽接觸面較大時，必將導致少子複合速度提高。工藝中，採用了隧道結接觸的方法，在矽和金屬成間形成一個較薄的氧化層（一般厚度為20微米左右）套用功函式較低的金屬(如鈦等)可在矽表面感應一個穩定的電子積累層(也可引入固定正電荷加深反型)。另外一種方法是在鈍化層上開出小視窗（小於2微米），再澱積較寬的金屬柵線（通常為10微米），形成mushroom—like狀電極，用該方法在4cm2 Mc-Si上電池的轉換效率達到17.3%。此外，在機械刻槽表面也運用了Shallow angle (oblique)技術。

PN結

形成方法

[1]發射區形成和磷吸雜

對於高效太陽能電池，發射區的形成一般採用選擇擴散，在金屬電極下方形成重雜質區域而在電極間實現淺濃度擴散，發射區的淺濃度擴散即增強了電池對藍光的回響，又使矽表面易於鈍化。擴散的方法有兩步擴散工藝、擴散加腐蝕工藝和掩埋擴散工藝。如今採用選擇擴散，15×15cm2電池轉換效率達到16.4%，n++、n+區域的表面方塊電阻分別為20Ω和80Ω.

對於Mc—Si材料，擴磷吸雜對電池的影響得到廣泛的研究，較長時間的磷吸雜過程（一般3～4小時），可使一些Mc—Si的少子擴散長度提高兩個數量級。在對襯底濃度對吸雜效應的研究中發現，即便對高濃度的襯第材料，經吸雜也能夠獲得較大的少子擴散長度（大於200微米），電池的開路電壓大於638mv, 轉換效率超過17%。

[2]背表面場的形成及鋁吸雜技術在Mc—Si電池中，背p+p結由均勻擴散鋁或硼形成，硼源一般為BN、BBr、APCVD SiO2：B2O8等，鋁擴散為蒸發或絲網印刷鋁，800度下燒結所完成，對鋁吸雜的作用也開展了大量的研究，與磷擴散吸雜不同，鋁吸雜在相對較低的溫度下進行。其中體缺陷也參與了雜質的溶解和沉積，而在較高溫度下，沉積的雜質易於溶解進入矽中，對Mc—Si產生不利的影響。而區域背場已套用於單晶矽電池工藝中，但在多晶矽中，還是套用全鋁背表面場結構。

多晶矽電池組件

[3]雙面Mc—Si電池

Mc—Si雙面電池其正面為常規結構，背面為N+和P+相互交叉的結構，這樣，正面光照產生的但位於背面附近的光生少子可由背電極有效吸收。背電極作為對正面電極的有效補充，也作為一個獨立的栽流子收集器對背面光照和散射光產生作用，據報導，在AM1.5條件下，轉換效率超過19%。

表面與體鈍化技術

對於Mc—Si，因存在較高的晶界、點缺陷（空位、填隙原子、金屬雜質、氧、氮及他們的複合物）對材料表面和體內缺陷的鈍化尤為重要，除前面提到的吸雜技術外，鈍化工藝有多種方法，通過熱氧化使矽懸掛鍵飽和是一種比較常用的方法，可使Si-SiO2界面的複合速度大大下降，其鈍化效果取決於發射區的表面濃度、界面態密度和電子、空穴的浮獲截面。在氫氣氛中退火可使鈍化效果更加明顯。採用PECVD澱積氮化矽正面十分有效，因為在成膜的過程中具有加氫的效果。該工藝也可套用於規模化生產中。套用Remote PECVD Si3N4可使表面複合速度小於20cm/s。

優缺點

多晶矽太陽能電池以其生產原材料豐富、成本低、轉換效率高、穩定性好等優點而備受青睞,也順應社會的需求占據了太陽能電池市場的主要份額。重心已由單晶向多晶方向發展，主要原因為：

[1]可供應太陽電池的頭尾料愈來愈少；

[2] 對太陽電池來講，方形基片更合算，通過澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶矽可直接獲得方形材料；

[3]多晶矽的生產工藝不斷取得進展，全自動澆鑄爐每生產周期（50小時）可生產200公斤以上的矽錠，晶粒的尺寸達到厘米級；

[4]由於近十年單晶矽工藝的研究與發展很快，其中工藝也被套用於多晶矽電池的生產，例如選擇腐蝕發射結、背表面場、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細金屬柵電極，採用絲網印刷技術可使柵電極的寬度降低到50微米，高度達到15微米以上，快速熱退火技術用於多晶矽的生產可大大縮短工藝時間，單片熱工序時間可在一分鐘之內完成，採用該工藝在100平方厘米的多晶矽片上作出的電池轉換效率超過14%。據報導，在50～60微米多晶矽襯底上製作的電池效率超過16%。利用機械刻槽、絲網印刷技術在100平方厘米多晶上效率超過17%，無機械刻槽在同樣面積上效率達到16%，採用埋柵結構，機械刻槽在130平方厘米的多晶上電池效率達到15.8%。

多晶矽太陽能電池組件

性能測試條件

（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

電池板壽命

太陽能電池板廠家提供的數據是包用25年。

功率計算

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。

套用領域

為了降低太陽能級多晶矽生產成本,從而降低太陽能電池製造成本,促進太陽能光伏產業的發展。

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。