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1、太阳能产业链,从“泥沙”到“白金” 太阳能电池产业链,一、工业硅冶炼 工业硅是制备多晶硅的基本原料，其制备的方法很多，通常用还原剂油焦在高温中将SiO2还原为单质硅。还原剂有碳、镁、铝等。一般工业生产中选用价格低的焦炭（和木炭）、木材、玉米芯等还原剂。 在生产中采用工业电炉，将碳电极插入硅石和还原剂组成的炉料中，加热到16001800还原出硅，反应式为：,太阳能产业链,二、工业硅提纯,多晶硅生产 产业链最上游是7家太阳能多晶硅（ Silicon ）厂商：Hemlock、德国Wacker、日本德山(Tokuyama)、REC、MEMC、Misubishi和Sumitomo，他们对全球的多晶硅供应
2、造成了严重的垄断，总产量占到全球太阳能多晶硅总产量的95%以上，其中，前3大厂产能约占全球总产能近6成，而龙头厂Hemlock市占率高达23% 。 由于技术门槛，几乎没有企业可以很快进入多晶硅生产制造领域，而且产能也远不是全球7巨头的对手。,太阳能产业链,二、硅晶片生产 第二层是22家硅片(Wafer)厂商，包括RWE Schott Solar、Sharp、Q-cells、BP Solar、Deutsche Solar、Kyocera等，在这一环节主要的技术流程包括铸锭（或单晶生长）、切方滚磨、用多线切割机切片、化学腐蚀抛光，其中铸锭（或单晶生长）环节属于高能耗，切割机等投资规模亦相对较大，设
3、备投资约占初期总投资的60%以上。 中国保定天威英利是这个领域的中国代表，具备生产单晶硅片的制造能力。技术难度仅次于多晶硅的制造难度。,太阳能产业链,三、太阳电池制造 第三层是太阳能电池（Cell）制造，全球电池厂商有40余家；中国的代表企业是无锡尚德和天威英利，产能产量都属于全球主流的太阳能电池制造商。,太阳能产业链,四、太阳电池组件封装 最下面是组件，将制作好的电池封装，技术含量相对较低，进入门槛亦低，属于劳动力密集型产业，全球厂商数量超过200 家，国内也有相当多企业进行封装作业。,太阳能产业链,五、安装组成太阳能发电系统 最后，把封装好的太阳电池组件进行安装，即可组成太阳能发电系统,太
4、阳能产业链,一、冶炼,硅材料及冶炼,南安三晶冶炼厂进行金属硅冶炼,二、冶炼过程,硅材料及冶炼,石英石,木屑,石油焦,工业硅的精制,工业硅（又称金属硅）用途广泛，可以用于保温材料（例如耐火砖，高温密封件，电焊条等），冶炼用硅（高硅铸铁，硅钢，矽钢片，碳化硅材料等），化学用硅（有机硅集合物，硅胶，硅烷，耐低温润滑油等等),电子用硅，用于制造晶体管，集成电路，功率器件，提纯光电高纯硅）。 工业硅根据不同领域的应用，需要经过进一步加工方能够在各种加工厂所使用，特别在某些特殊元素的处理上，比如Fe,Al,Ga的含量有特殊要求，产品的粒度有特殊要求，产品的均匀性，颗粒的大小，产品的初步挑选等等方面有特殊的
5、要求，这就是工业硅的精制。特别是制作高纯硅材料的工业硅，需要更加特别。,高纯硅材料化学提纯方法,在第二次世界大战期间美国杜邦公司采用锌（Zn）还原SiCl4制出多晶硅，供美国的电子公司生产高频二极管 ，但用途未扩大 。 1955年西门子公司研究成功了用H2还原SiHCl3，在硅芯发热体上沉积硅的工艺技术，并于1957年建厂进行工业规模生产，这就是通常所说的西门子法。 随后，西门子工艺的改进主要集中在减少单位多晶硅产品的原料、辅料、电能消耗以及降低成本等方面，于是出现了改良西门子法。 1956年英国国际标准电气公司的标准电讯实验所研究成功了SiH4热分解制备多晶硅的方法，被称为硅烷法。1959年
6、日本的石冢研究所也同样成功研究出该方法。美国联合碳化物公司研究歧化法制备SiH4，1980年发表最终报告，综合上述工艺并加以改进，诞生了新硅烷法多晶硅生产工艺技术。,硅材料的提纯,改良西门子法的典型代表,Wacker公司 Wacker公司是一家大的化工企业，有自建的水力发电厂。主要产品有多晶硅、单晶硅硅片、有机硅、高纯SiHCl3、SiCl4、HCl等。,Wacker的氢还原炉,Wacker生产的多晶硅棒,硅材料的提纯,高纯硅材料物理提纯方法,随着太阳能光伏发电市场的一步步发展，硅材料的紧张局势在90年代中期就已经被很多科学家和有识之士所注意到，以日本川崎制铁，挪威Elkem，中国的福建南安三
7、晶为代表的工厂开始致力于物理法提纯高纯硅材料。旨在解决化学方法所面临的产量难以扩大，成本难以降低的问题。 物理提纯方法制取太阳能级高纯硅材料是基于化合反应生成机理。根据金属硅所含的各种杂质元素的化学性质，在液态硅中将化合物（气体）导入液态硅熔炉中，控制不同温度、压力，通过高温汽化将杂质元素挥发去除，或生成新的化合物而粘附在液态硅表面或附着于中间包桶壁，达到去杂的效果。,硅材料的提纯,其中的一种物理提纯法：,硅材料的提纯,物理提纯法：,物理提纯中，一般设计到三个步骤： 第一是去除硅材料中的P元素 第二是去除硅材料中的B元素 第三是通过定向凝固去除硅材料中的金属元素 目前，去除P、B，特别是B元素
8、成为物理提纯法中最为关键的步骤。B元素的含量成为评判物理法硅材料最重要的指标。,硅材料的提纯,物理提纯法与化学提纯的比较：,太阳能级硅材料,太阳级硅简称SoG硅（Solar Grade Silicon）是指其性能可以满足制造晶体硅太阳电池需要的硅材料，本质上也应当是高纯度硅。绝大多数非人为掺入硅中的杂质都是有害无利的，因此采用多种方法提纯工业硅，去除硅中杂质到一定限度，使其不至于对器件（太阳电池也是一种光电转换的器件）性能产生不良影响。 SoG硅涵义包括两层意思，其一是SoG硅与通常半导体级硅是有一定的区别，晶体硅太阳电池结构属光电二极管，比mos器件和双极型器件对硅材料的杂质、缺陷要求低一些
9、；其二是SoG硅要求太阳光照射产生的非平衡少数载流子寿命要足够长，因此对硅材料的电阻率、杂质和缺陷有一定的要求。,太阳能级硅材料,挪威科技大学（NTNU）的太阳能级多晶硅标准（ppmw*）,物理提纯法生产的高纯多晶硅材料在各种参数中符合SOG多晶硅的要求，这也成为这种低成本的硅材料在未来代替现有的高纯硅创造了条件。,各种太阳能级硅材料,物理法太阳能级硅材料,IC次等硅片,高纯硅材料,太阳能级晶体硅片生产,太阳能级硅片生产,硅晶体制作,太阳能级硅晶生长技术,硅晶体制作,直拉（CZ）法 ： 目前大多数的单晶硅是采用直拉法生长的,最新的技术已经可以生长直径为300mm的硅锭,单个重量可达300kg.
10、直拉法主要用于拉制中、低阻以及重掺单晶。,硅晶体制作：Mono-Silicon（单晶硅）,区熔（FZ）法： 区熔法相比于直拉法，能够获得更高纯度的高阻单晶硅，但是受限于其工作机理，区熔法直拉单晶的尺寸较小，成本也较直拉法高昂。,硅晶体制作：Mono-Silicon（单晶硅）,硅晶体制作：Mono-Silicon（多晶硅）,传统切割技术是根据半导体工艺的需求发展起来的，面向单晶硅棒的切割技术，且单片厚度较大（0.5mm以上）。 太阳电池生产的硅片使用量远远大于半导体工艺，且电池用硅片厚度较小（0.2mm左右），随着近年来太阳电池生产的飞速发展，出现了一批专用于太阳能级硅片切割的设备。 例如：HC
11、T公司和MAYER- BEGER公司的大型多线切割机。其生产效率高，可以满足太阳电池产业的需要。,晶体硅切片技术,太阳能级硅片生产,多晶硅切片,多线切割,带硅 极具潜力的晶体硅片生长技术,带状硅生长主要分为两种方式： 垂直于固-液界面生长 近似于平行固-液界面生长 根据siliconsultant网站的报道：使用上述技术获得的带硅在制成太阳能电池后，最高电池效率已达17.3%，但商业化效率仍然偏低，仅在12%-14.5%。同时，带硅的产能也仍然是一个需要解决的问题，这也是未来带硅技术发展所急需解决的两点。,带硅生长,带硅 水平生长,带硅生长,晶体硅太阳电池发展方向,未来的发展方向: 大尺寸(2
12、10mm-325mm) 薄片(180m-150m) 高转换效率(多晶：17%-20%；单晶：20-23%),发展方向,太阳能电池制作,地面用太阳能电池主要包括硅片清洗、清除表面损伤层、绒面制作、P/N结制作、等离子腐蚀刻边、减反射膜制作、电极制备、最后测试分档。,地面用晶体硅太阳电池制备工艺流程框图,太阳能电池制作,一、清洗、绒面制作,太阳能电池制作,二、扩散,太阳能电池制作,三、减反射膜制作,太阳能电池制作,三、丝网印刷,太阳能电池制作,三、烧结,太阳能电池制作,三、成品电池,五 、太阳能组件和系统,太阳能组件和系统,太阳电池组件分类,太阳能组件和系统,太阳电池组件的结构和工艺流程,晶体硅太
13、阳电池组件的结构 下图为太阳电池的典型封装结构示意图 。 常规的太阳电池组件结构形式有下列几种，玻璃壳体式结构，底盒式组件，平板式组件，无盖板的全胶密封组件。,太阳能组件和系统,玻璃壳体式太阳电池组件示意图 1玻璃壳体；2硅太阳电池；3互连条；4粘接剂；5衬底；6下底板；7边框线；8电极接线柱,底盒式太阳电池组件示意图 1玻璃盖板；2硅太阳电池；3盒式下底板；4粘接剂；5衬底；6固定绝缘胶；7电极引线；8互连条。,平板式太阳电池组件示意图 1边框；2边框封装胶；3上玻璃盖板；4粘接剂；5下底板；6硅太阳电池；7互连条；8引线护套；9电极引线。,全胶密封太阳电池组件示意图 1硅太阳电池；2粘接剂；3电极引线；4下底板；5互连条。,太阳能组件和系统,薄膜太阳电池组件的结构,薄膜光伏电池同晶体硅电池的封装有些不同。衬底的类型不同，封装的方式不同，半导体材料与衬底的相对位置不同将影响组件的结构。,非钢化玻璃衬底的前壁型太阳能电池封装结构,非钢化玻璃衬底的后壁型太阳能电池封装结构,其他类型衬底的太阳能电池封装结构,太阳能组件和系统,
