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簡述未來的高效晶硅電池技術發展

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年12月08日  

目前晶硅太陽電池主要分為單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池、以及新興的準單晶電池,但目前后者還主要處于研究層面,單晶硅電池和多晶硅電池在市場上占有較大比重。硅是最理想的太陽能電池材料,這也是太陽能電池以硅材料為主的主要原因。但隨著新材料的不斷開發和相關技術的發展,以其它材料為基礎的太陽能電池也愈來愈顯示出誘人的前景。

高效晶硅電池

晶硅電池是節能環保的新型能源,因其以可再生資源太陽能為原料,利用光伏發電技術,在堅持資源可持續發展的道路上扮演重要的角色。在晶硅電池中,制備晶硅電池的關鍵工藝使電極制作,主要依靠電池的電極收集光生電流,因此,晶硅電池電極制作工藝材料成本的降低和技術的進展一直是晶硅電池產業的重要研究課題。

前言:自1954年晶硅電池技術問世以來,憑借其清潔高效低成本的優勢在能源危機被日益重視的環境下成為太陽能電池的最主要研發方向,在六十年間迅速得到創新與發展,在技術方面取得眾多突破。然而,盡管其光電轉換效率與最初相比已經有極大提高,卻仍與理論極限效率相差甚遠,因此,晶硅電池光電轉化率的提高是目前的研究重點,離子注入法在在這種形勢下應運而生,使晶硅電池技術得到進展,更加高效。

高效晶硅電池

1.太陽能電池的分類

在能源問題日益嚴峻的今天,清潔而高效的可再生資源太陽能無疑處于極為關鍵的地位,目前太陽能電池憑借其原料廣泛、價格低廉等優勢成為電池領域研發的重點。太陽能電池以光伏發電系統為核心,自其開始研發的六十年來,發展迅速,結構和種類日益豐富,依據其材料的不同大致可將目前市場上的太陽能電池分為包括單晶硅和多晶硅在內的晶硅太陽能電池、薄膜太陽能電池和光電化學太陽能電池三大類別。雖然薄膜太陽能電池和例如染料敏化太陽能電池的光電化學太陽能電池均有不斷的更新研發和多項重大技術突破,但是相較之下這兩類處于實驗室研制階段的太陽能電池的技術與效率水平以及市場接受程度依然不能與晶硅電池相比。因此,高效晶硅電池的技術進展備受各行各業的關注。

2.晶硅太陽電池

目前晶硅太陽電池主要分為單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池、以及新興的準單晶電池,但目前后者還主要處于研究層面,單晶硅電池和多晶硅電池在市場上占有較大比重。

2.1單晶硅太陽電池

單晶硅太陽能電池的表面織構化所形成的陷光效應,減少太陽光在硅片表面因反射造成的損失,可以增強對光的吸收,使電池的光電轉化效率有所提高。光伏用的單晶硅電池采用直拉法制造,設備比較簡單,并且可以直接制備出適于規模化生產的大尺寸方型硅錠。利用單晶硅電池擇優腐蝕原理在硅片表面形成金字塔形結構,從而達到使單晶硅電池表面形成陷光結構和絨面結構從以降低表面的反射率,電池內部形成光陷阱以提高太陽電池的轉換效率的目的。目前研究人員采用氫氧化鈉氫氧化鉀強堿弱酸鹽等堿性化學溶液研究單晶硅的表面織構化,但依舊存在絨面均勻性、一致性、可重復性不夠高的問題。影響單晶硅絨面的主要因素有很多,氫氧化鈉含量、硅酸鈉含量,IPA含量,反應的時間、溫度等不同都會對絨面產生不同的影響。

高效晶硅電池

適量的氫氧化鈉含量有助于金字塔的成型,降低反射率,而過少或過多分別會造成金字塔不成形或崩塌現象。硅酸鈉能為反應提供更多的起始點,得到排列更加均勻緊密的金字塔,硅酸鈉水溶液的堿性降低了溶液的張力,解決了直拉單晶硅表面密度低制作不均勻的缺點,并通過促進氫氧根離子與硅的腐蝕作用,為絨面成核提供起點,從而改善單晶硅片表面的濕潤效果。然而過量的硅酸鈉則會阻礙反應的進行,適得其反。IPA可以協助氫氣泡的釋放,減緩反應速率從而減弱氫氧化鈉的腐蝕強度,并且獲得良好的各向異性因子,提高金字塔的覆蓋率。反應的溫度不宜過高,否則IPA的揮發會影響反應的順利進行。單晶硅太陽電池制絨的技術提高可以使其更加完善高效。

2.2多晶硅太陽電池

多晶硅電池具有易制成方形基片、可組件排列、價格低廉且轉換效率較高等特點,是光伏領域中不可或缺的部分,近年來占據市場的主要地位。多晶硅太陽電池主要涉及到鑄造多晶硅、冶金法多晶硅、西門子法多晶硅等,隨著高晶硅電池技術的發展,為了節約成本,多晶硅片子正在往薄的方向發展,旨在接近其僅有五十微米極限厚度。對硅原料進行重熔鑄錠而形成的鑄造多晶硅主要由鍋底料、半導體工業制備單晶硅剩下的頭尾料以及沒制備成功而產生的廢料以及用純度較高的原生多晶硅與純度較低的半導體工業廢料或高純金屬硅混合摻配這兩大類型構成。冶金法多晶硅是將工業硅經濕法冶煉、高溫熔煉和定向凝固等多個階段冶煉提純得來,由于冶金法多晶硅耗能量少,清潔高效,成本低廉,對于多晶硅太陽電池的大規模生產有較大的實踐意義。然而該技術尚處于研發階段,極不成熟,并未投入使用,它的研發與攻克是目前極為重要的課題之一。西門子法是現今多晶硅的主流生產技術,它包括通過氣體分餾進行提純的改良西門子法和通過硅烷熱分解進行提純的硅烷法。用該技術生產的硅的純度已經達到電子級硅的標準,因此通常用其與廢料摻雜來制備。

然而由于較高密度的晶界、位錯、微缺陷以及包括銅、鐵、鈷、鎳等在內重金屬雜質的存在,會嚴重影響多晶硅太陽電池的化學性能,因此吸雜工藝的重要性不言而喻。吸雜分為內吸雜和外吸雜兩大類,前者通過利用硅中氧沉積所產生的缺陷作用將雜質束縛在硅體內,從而在硅表面形成一層潔凈區域;后者則是依借在硅片表面引入的雜質、損傷或沉積某種薄膜等產生的應力作用將雜質從硅片內部吸出,在進行表面清理,以達到吸雜的目的。

3.離子注入電池實現方法

離子注入是當真空中的離子束射向固體材料時,因受到固體材料的抵抗而導致速度降低,并最終停留在固體材料中的現象。其在晶硅電池中的應用價值極為顯著,在半導體領域是一項重要的摻雜技術。在電池的轉化效率方面,離子注入技術遠超于傳統擴散工藝,可以更快地實現晶體硅的產業化,具有廣泛的應用前景。在硅片中注入硼、磷、砷等雜質原子,可改變其表面電導率或形成p-n結,該方法制備出的p-n結的均勻性與雜志分布都比較優良,且硅片表面形成熱氧化鈍化,降低表面復合速率,減少死層。相較于高溫擴散方式制備的p-n結,離子注入法避免了長期高溫對硅片晶格結構造成的損傷,克服了擴散工藝參雜不均勻的缺點。離子注入過程中高能離子會一定程度上損傷硅片晶格,高溫退火法對于消除這類損傷很有幫助,退火的同時會在硅片表面生長一層對硅片表面起到鈍化作用的二氧化硅薄層,離子注入電池需要經過清洗制絨、離子注入制備發射極、退火、PECVD鍍膜、金屬化電極幾步工藝流程來實現離子的注入。

4.結語

高效晶硅太陽電池的研究與技術發展在如今能源需求大,總量嚴重不足的環境下,處于毋庸置疑的重要地位。本文對太陽能電池分類的簡單介紹,以及晶硅太陽電池中單晶硅電池和多晶硅電池的技術與問題分析,并討論了離子注入技術的作用及實現方法,希望對晶硅太陽電池的技術發展有一定啟發。在現今階段,大力發展太陽能光伏產業,充分利用好可再生資源太陽能,實現能源的可持續發展是我們的共同目標。

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