1.4 晶体硅太阳电池和组件的制造

1.太阳电池晶体硅材料的制造

用高纯度原生多晶硅生长的晶体硅是晶体硅太阳电池的基础原材料，目前基本采用直拉单晶硅法和定向凝固多晶硅法这两种技术分别生长单晶硅棒和多晶硅锭，再利用多线切割机将硅棒和硅锭切割成一定尺寸的单晶硅片和多晶硅片。

1）多晶硅材料的制备 首先在电弧炉中将石英砂在高温下与还原剂进行焦炭反应，得到纯度为97%～99%的冶金级金属硅，再从冶金级金属硅生产高纯多晶硅，采用的技术主要有改良西门子法和流化床法。

西门子法最早由德国西门子（Siemens）公司发明并实现了工业化生产。改良西门子法增加了还原尾气干法回收系统、SiCl4氢化工艺，将还原炉排出的尾气H2、SiHCl3、SiCl4、SiH2Cl2和HCl分离后再利用，实现了闭路循环，降低了能耗和原/辅材料的消耗，基本避免了环境污染。

流化床法是以SiCl4（或SiF4）、H2、HCl和冶金硅为原料，在高温、高压流化床（沸腾床）内生成SiHCl3，再将SiHCl3歧化加氢反应生成SiH2Cl2，继而生成SiH4；然后将SiH4通入加有小颗粒硅粉的流化床反应炉内进行热分解反应，生成粒状多晶硅。

此外，还有用物理方法生产的太阳级（SOG）硅，这种材料在成本上有一定的优势，但是质量尚待提高。

2）单晶硅棒的制备 目前制造太阳电池用的单晶硅棒主要采用熔体直拉法（Cz），即将硅料在真空或保护性气氛下的单晶炉内加热熔化，同时掺杂，用硅单晶籽晶与硅熔体熔接，并以一定速度旋转提升，形成单晶硅棒。还有用悬浮区熔法（Fz）生产的单晶硅棒，通常用于制造高效单晶硅太阳电池。

3）多晶硅锭的制备 与单晶硅生产工艺相比，多晶硅锭的铸锭炉比较简单，耗电少、生产效率高，因而生产成本较低，但用其生产出的多晶硅片制造的太阳电池转换效率稍低于单晶硅太阳电池。目前，太阳电池用的多晶硅锭大多采用定向凝固法制造。

定向凝固法是将装有高纯多晶硅材料的坩埚置于铸锭炉中，加热熔化多晶硅原材料后，自坩埚的底部开始逐渐降温，形成一定的温度梯度，使坩埚底部的熔体首先结晶，熔体由下而上逐步生长成多晶硅锭。不同铸锭炉的加热方法、热场移动方法和冷却方法各不相同。准单晶锭的制造方法类似于定向凝固法制造方法，在石英陶瓷坩埚的底部铺设一个或数个单晶硅籽晶，形成具有均匀晶向生长的类单晶体。

4）硅片的加工 晶体生长形成后，须要用带锯或线开方机将单晶硅棒或多晶硅锭切割成具有一定横截面积的柱状体，横截面积的大小决定了硅片的尺寸，通常采用的是5in或6in标准尺寸。然后将硅棒或硅块粘连在玻璃衬底上，用多线切割机，将其切割成厚度一致、表面平整的硅片。

多线切割一般采用游离磨料，利用一根表面镀铜的钢丝绕在导轮上形成一排线锯网，在导轮驱动下以较高的速度运转，含有SiC或金刚石磨料的黏性浆料被带入硅棒切割区域，磨料滚压嵌入硅棒切割硅晶体。另一种切割技术是将金刚石黏结并以电镀的方式固定在金刚线上，通过金刚线往复高速移动进行切割。金刚线切割技术具有切割效率高、硅片损伤层小和钢线的磨损率低等特点，已全面应用于单晶硅片的切割，并正在逐步推广到多晶硅片的切割。

2.太阳电池器件的制造

太阳电池器件包括太阳电池和太阳电池组件。

1）太阳电池的制造 现在，制造晶体硅太阳电池通常采用p型硅片。硅片进行清洗、腐蚀制绒后，将其置于扩散炉石英管内，用三氯氧磷在p型硅片上扩散磷原子形成深度约为0.5μm的pn结，再在受光面上制作减反射膜，并通过丝网印刷和烧结工艺制作正面电极和背面电极。正面电极位于受光面上，采用栅线状电极，以便透光。其典型制造工艺流程如图1-11所示。

具有先进的制造工艺和相应的设备、品质优良的原材料和辅助材料、净化级别达标的操作环境、高素质的生产管理人员以及完善的质量管理制度是生产高效率太阳电池应具备的基本条件。

本书第5～9章讨论了太阳电池制造的工艺原理，为了对实际生产过程有所了解，列举了一些生产工艺例子。由于生产时所选的设备性能、原材料性质和生产环境等方面具体条件不同，生产线上的工艺细节甚至工序的次序也各有不同；同时，相关技术还在迅速发展中，生产工艺正在不断改进，因此所举例子只能作为参考。

2）太阳电池组件的制造 太阳电池组件的封装生产工艺直接关系到组件的输出电参数、工作寿命、可靠性和成本。

太阳电池组件由玻璃面板、EVA黏结胶膜、太阳电池和TPT背板等部分组成，其基本结构如图1-12所示。玻璃面板是太阳电池的正面保护层，TPT背板是其背面保护层，中间是太阳电池。位于正面的玻璃面板必须具有高透射率；TPT背板必须能有效地防止水、氧及腐蚀性气液体等对太阳电池的侵蚀。EVA黏结胶膜用于太阳电池与玻璃面板和TPT背板之间的黏结。此外，还有互连条、汇流条和接线盒等部件。互连条和汇流条都是焊在电极之间起电连接作用的金属连接件。

封装太阳电池组件时，须要对单体太阳电池进行串/并联，应尽可能选用性能接近的太阳电池进行封装，以提高太阳电池组件的效率。

如图1-13所示，为了减少串联太阳电池中由于个别并联太阳电池失效而产生的“热斑”效应，导致电能损失，对太阳电池组件须安装旁路二极管；同时，为防止太阳电池组件发电量不足时发生电流倒流，对太阳电池组件须安装隔离二极管（也称防逆流二极管），用以保护组件。

太阳电池组件的封装工序可在全自动或半自动的封装设备中进行，在自动组件封装设备中制成的产品性能一致性好，生产效率高，但设备价格比较高。

太阳电池组件封装的基本工艺步骤为：太阳电池分类和分选→电极焊接→组件叠层→组件层压→安装外框和接线盒，最终封装成太阳电池组件。

玻璃背板太阳电池组件通常称为双面玻璃封装组件。这类太阳电池组件有诸多优点，如具有较强的抗PID性能，抗盐雾、酸碱和沙尘的耐候性能等。

3.太阳电池及太阳电池组件的测试

太阳电池性能参数的测试对于获得高效率太阳电池组件非常重要。太阳电池/组件测试系统主要由太阳模拟器、测试电路和专用计算机三部分组成，如图1-14所示。实际上，现在的太阳模拟器通常包含了测试电路和专用计算机。

太阳模拟器采用人造光源模拟1kW/m2太阳辐照度、AM1.5太阳光谱、均匀而稳定的标准地面阳光条件，以测量太阳电池的I-U特性。

1）单体太阳电池测试 测量太阳电池的光电性能主要是在规定的标准测试条件下，采用太阳电池测试系统测量其I-U特性。太阳电池的测试项目包括开路电压Uoc、短路电流Isc、最佳工作电压Um、最佳工作电流Im、最大输出功率Pm、光电转换效率η、填充因子FF、I-U特性曲线、短路电流温度系数α、开路电压温度系数β、内部串联电阻Rs、内部并联电阻Rsb等。

2）太阳电池组件测试 对于太阳电池组件，除了测量光电参数，还应进行设计鉴定和定型测试。测量太阳电池光电性能参数方法的总原则同样适用于太阳电池组件参数测量。在太阳电池组件参数测量和校准辐照度时，均须采用标准组件。

太阳电池组件测试系统包括太阳模拟器、电子负载、高速数据采集器，以及数据处理、显示和存储设备等。由于太阳电池组件被测面积大，为了获得瞬时的强光辐照度，通常采用脉冲式太阳电池组件测试系统。

3）太阳电池组件的设计鉴定和定型 国际电工委员会TC82为晶体硅太阳电池组件制定了质量鉴定标准IEC 61215（与其等同的国家标准为GB/T 9535—2006）。为了保证太阳电池组件质量，该标准对太阳电池组件的设计鉴定和定型工作规定了合理的要求，以及具体的鉴定试验程序和方法。

4）太阳电池组件的室外测试 太阳电池在室外工作时，会经历不同的辐照条件和不同的工作温度。

室外系统的性能评价方法之一是对系统在一段时间内的性能进行评估。在晴天/气温高、晴天/气温低、多云/气温高、多云/气温低以及气温适宜等5种天气条件下测定太阳电池组件每小时的输出功率，获得每种气候条件下太阳电池组件的输出能量数据。在室外阳光下太阳电池组件测试可采用室外太阳光伏测试系统。

5）太阳电池和组件的诊断测试 在太阳电池和组件产品研究、开发和生产过程中，诊断测试很重要。诊断测试方法有暗环境下的太阳电池暗I-U特性曲线测量、太阳电池光谱响应测量、电致发光（EL）检测、光诱导电流（LBIC）、红外成像摄像和超声波技术等。不同原理的检测设备有不同的性能特点、不同的检测功能和用途。

6）太阳电池和组件的认证 太阳电池组件运行寿命直接关系到太阳能发电的成本。要确保太阳电池组件的使用寿命，就必须有良好的太阳电池组件质量。IEC已制定了IEC 61215等标准，可作为太阳电池组件质量测试的依据。德国TUV、美国UL等机构根据这些IEC标准对太阳电池组件进行检测试验，其结果可得到很多国家的认可。

产品认证就是对产品的质量和安全性的认定的过程，由可信的测试实验室和认证机构来实施，具有认证标志的产品表明该产品已经通过测试，其质量和安全性均符合标准要求，消费者可放心使用。

以下各章将详细讨论太阳电池的多晶硅材料、硅锭、硅片、太阳电池/太阳电池组件及其性能的测试、鉴定和认证等内容。