光伏基础知识学习员工培训

第一章 太阳能概况 2
第二章 太阳能电池的发明和未来前景 3
1. 太阳能电池发明 3
2. 太阳能电池前景 3
第三章 太阳能光伏技术 4
1.光伏效应 4
2.光伏电池分类 5
3.晶体硅生产一般工艺流程 5
第四章 硅太阳能电池的工作原理及其结构 12
第五章 太阳能电池基本参数 16
1. 标准测试条件 16
2. 太阳电池等效电路 16
3. 伏安(I-V)特性曲线 17
4. 开路电压 18
5. 短路电流 18
6. 最大功率点 18
7. 最佳工作电压 18
8. 最佳工作电流 18
9. 转换效率 18
10. 填充因子(曲线因子) 19
12. 电压温度系数 19

第一章 太阳能概况 2
第二章 太阳能电池的发明和未来前景 3
1. 太阳能电池发明 3
2. 太阳能电池前景 3
第三章 太阳能光伏技术 4
1.光伏效应 4
2.光伏电池分类 5
3.晶体硅生产一般工艺流程 5
第四章 硅太阳能电池的工作原理及其结构 12
第五章 太阳能电池基本参数 16
1. 标准测试条件 16
2. 太阳电池等效电路 16
3. 伏安(I-V)特性曲线 17
4. 开路电压 18
5. 短路电流 18
6. 最大功率点 18
7. 最佳工作电压 18
8. 最佳工作电流 18
9. 转换效率 18
10. 填充因子(曲线因子) 19
12. 电压温度系数 19

第一章 太阳能概况
太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源,生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能,广义地说,太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种,则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术,再利用热能进行发电的称为太阳能热发电,也属于这一技术领域;通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术,光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的,因此又称太阳能光伏技术。
二十世纪50年代,太阳能利用领域出现了两项重大技术突破:一是1954年美国贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅电池,二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。
70年代以来,鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加,世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973年,美国制定了政府级的阳光发电计划,1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划,累计投入达8亿多美元。1992年,美国政府颁布了新的光伏发电计划,制定了宏伟的发展目标。日本在70年代制定了“阳光计划”,1993年将“月光计划”(节能计划)、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议,讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约,设立国际太阳能基金等,推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动,成为各国制定可持续发展战略的重要内容。
二十多年来,太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展,成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。

第二章 太阳能电池的发明和未来前景
1. 太阳能电池发明
1839年法国物理学家A?E?贝克勒尔意外的发现,两片金属进入溶液构成的伏打电池,受到阳光照射时会产生额外的伏打电势,他把这种现象称为光生伏打效应。1883年,有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。由于半导体PN结器件在阳光下光电转换效率最高,所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池,也称太阳电池和光电池。
2. 太阳能电池前景
电池行业是21世纪的朝阳行业,发展前景十分广阔。在电池行业中,最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池,太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。目前,技术最成熟,并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。
70年代初,世界石油危机促进了新能源的开发,开始将太阳电池转向地面应用,技术不断进步,光电转换效率提高,成本大幅度下降。时至今日,光电转换已展示出广阔的应用前景。
太阳能电池近年也被人们用于生产、生活的许多领域。从1974年世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞成功以来,激起人们对太阳能飞机研究的热潮,太阳能飞机从此飞速地发展起来,只用了六七年时间太阳能飞机从飞行几分钟,航程几公里发展到飞越英吉利海峡。现在,最先进的太阳能飞机,飞行高度可达2万多米,航程超过4000公里。另外,太阳能汽车也发展很快。
在建造太阳能电池发电站上,许多国家也取得了较大进展。1985年,美国阿尔康公司研制的太阳能电池发电站,用108个太阳板,256个光电池模块,年发电能力300万度。德国1990年建造的小型太阳能电站,光电转换率可达30%多,适于为家庭和团体供电。1992年美国加州公用局又开始研制一种“革命性的太阳能发电装置”,预计可供加州1/3的用电量。用太阳能电池发电确实是一种诱人的方式,据专家测算,如果能把撒哈拉沙漠太阳辐射能的1%收集起来,足够全世界的所有能源消耗。
在生产和生活中,太阳能电池已在一些国家得到了广泛应用,在远离输电线路的地方,使用太阳能电池给电器供电是节约能源降低成本的好办法。芬兰制成了一种用太阳能电池供电的彩色电视机,太阳能电池板就装在住家的房顶上,还配有蓄电池,保证电视机的连续供电,既节省了电能又安全可靠。日本则侧重把太阳能电池应用于汽车的自动换气装置、空调设备等民用工业。我国的一些电视差转台也已用太阳能电池为电源,投资省,使用方便,很受欢迎。
当前,太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化、产业化;小功率小面积的太阳能电池在一些国家已大批量生产,并得到广泛应用;同时人们正在开发光电转换率高、成本低的太阳能电池;可以预见,太阳能电池很有可能成为替代煤和石油的重要能源之一,在人们的生产、生活中占有越来越重要的位置。

第三章 太阳能光伏技术
1.光伏效应
是指当半导体受到光照射时,半导体内部就会产生电流或电动势的现象。当电池表面受到光照射时,在电池内部产生的光生电子-空穴对,扩散到P-N结并受结电场影响而分开,电子移向N区,空穴移向P区,这样在P区和N区时间产生了光生电动势,当外路连接起来时就有电流通过。
2.光伏电池分类
目前市场太阳能电池分类:晶体硅光池和非晶硅光电池
晶体硅光电池有单晶硅和多晶硅(包括微晶)电池两大类
非晶体硅光电池有铜铟硒光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池、磷化铟光电池和纳米晶太阳能电池。
3.晶体硅生产一般工艺流程

 

                      图(1-1)一般工艺流程
⑴ 清洗
清洗的目的:
1去除硅片表面的机械损伤层。
2对硅片的表面进行凹凸面(金字塔绒面)处理,增加光在太阳电池片表面的折射次数,利于太阳电池片对光的吸收,以达到电池片对太阳能价值的最大利用率。
3清除表面硅酸钠、氧化物、油污以及金属离子杂质。
化学清理原理:
HF去除硅片表面氧化层:
HCl去除硅片表面金属杂质:盐酸具有酸和络合剂的双重作用,氯离子能与溶解片子表面可能沾污的杂质,铝、镁等活泼金属及其它氧化物。但不能溶解铜、银、金等不活泼的金属以及二氧化硅等难溶物质。
安全提示:NaOH、HCl、HF都是强腐蚀性的化学药品,其固体颗粒、溶液、蒸汽会伤害到人的皮肤、眼睛、呼吸道,所以操作人员要按照规定穿戴防护服、防护面具、防护眼镜、长袖胶皮手套。一旦有化学试剂伤害了员工的身体,马上用纯水冲洗30分钟,送医院就医。
⑵ 制绒
制绒的目的:减少光的反射率,提高短路电流(Isc),最终提高电池的光电转换效率。
制绒的原理
利用低浓度碱溶液对晶体硅在不同晶体取向上具有不同腐蚀速率的各向异性腐蚀特性,在硅片表面腐蚀形成角锥体密布的表面形貌 ,就称为表面织构化。角锥体四面全是由〈111〉面包围形成。
     反应为:Si+2NaOH+H2O →Na2SiO3 +2H2 ↑
   
图(1-2)制绒后绒面显微图                图(1-3)绒面结构可降低反射率
影响绒面的因素:图表 1
1. NaOH浓度
2. 无水乙醇或异丙醇浓度
3. 制绒槽内硅酸钠的累计量
4. 制绒腐蚀的温度
5. 制绒腐蚀时间的长短
6. 槽体密封程度、乙醇或异丙醇的挥发程度
⑶扩散
扩散的目的:在p型晶体硅上进行N型扩散,形成PN结,它是半导体器件工作的“心脏”;
扩散方法:
1.三氯氧磷(POCl3)液态源扩散
2.喷涂磷酸水溶液后链式扩散
3.丝网印刷磷浆料后链式扩散
本公司采用第一种方法
POCl3磷扩散原理:
1. POCl3在高温下(>600℃)分解生成五氯化磷(PCl5)和五氧化二磷(P2O5),其反应式如下:
2.生成的P2O5在扩散温度下与硅反应,生成二氧化硅(SiO2)和磷原子,其反应式如下:
3由上面反应式可以看出,POCl3热分解时,如果没有外来的氧(O2)参与其分解是不充分的,生成的PCl5是不易分解的,并且对硅有腐蚀作用,破坏硅片的表面状态。但在有外来O2存在的情况下,PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气(Cl2)。
4.生成的P2O5又进一步与硅作用,生成SiO2和磷原子,由此可见,在磷扩散时,为了促使POCl3充分的分解和避免PCl5对硅片表面的腐蚀作用,必须在通氮气的同时通入一定流量的氧气 。
5. 在有氧气的存在时,POCl3热分解的反应式为: 4POCL3+5O2→2P2O5+6CL2
6. POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面,P2O5与硅反应生成SiO2和磷原子,并在硅片表面形成一层含P2O5的SIO2(磷硅玻璃),然后磷原子再向硅中进行扩散 。
影响扩散的因素:
1.管内气体中杂质源浓度的大小决定着硅片N型区域磷浓度的大小。
2。表面的杂质源达到一定程度时,将对N型区域的磷浓度改变影响不大。
3.扩散温度和扩散时间对扩散结深影响较大。
4.N型区域磷浓度和扩散结深共同决定着方块电阻的大小。
安全操作:所有的石英器具都必须轻拿轻放。源瓶更换的标准操作过程。依次关闭进气阀门、出气阀门,拔出连接管道,更换源瓶,连接管道,打开出气阀门、进气阀门。
⑷周边刻蚀
周边刻腐目的:
1.去除硅片周边的n层,防止短路。
2.工艺方法有等离子刻蚀和激光划边。
3.我们采用等离子刻蚀机把周边n层刻蚀掉。
刻蚀方法:等离子刻蚀和湿法刻蚀。本公司采用等离子刻蚀。
等离子体刻蚀原理:
等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应,使反应气体激活成活性粒子,如原子或游离基,这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位,在那里与被刻蚀材料进行反应,形成挥发性生成物而被去除。它的优势在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌 。
1.母体分子CF4在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中性基团或离子。

2.其次,这些活性粒子由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面,并在表面上发生化学反应。
3.生产过程中,CF4中掺入O2,这样有利于提高Si和SiO2的刻蚀速率。
刻蚀影响因素:刻蚀时间和射频功率
⑸去磷硅玻璃
去磷硅玻璃目的:扩散工艺会在在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2,称之为磷硅玻璃(PSG)。它会阻止光吸收,同时又是绝缘的。工艺上采用HF酸腐蚀,所以也称为去PSG。
去磷硅玻璃原理:
1.氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸能与二氧化硅作用生成易挥发的四氟化硅气体。
SiO2+4HF→SiF4↑+2H2O
2.若氢氟酸过量,反应生成的四氟化硅会进一步与氢氟酸反应生成可溶性的络和物六氟硅酸。    
总反应式为:
安全提示:
1。在配制氢氟酸溶液时,要穿好防护服,戴好防护手套和防毒面具。
2.不得用手直接接触硅片和承载盒。
3.当硅片在1号槽氢氟酸溶液中时,不得打开设备照明,防止硅片被染色。
4.硅片在两个槽中的停留时间不得超过设定时间,防止硅片被氧化。
⑹PECVD镀减反射膜
PECVD =Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
      即“等离子增强型化学气相沉积”,是一种化学气相沉积,其它的有HWCVD,LPCVD,MOCVD等。
     PECVD是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离,在局部形成等离子体,而等离子化学活性很强,很容易发生反应,在基片上沉积出所期望的薄膜。

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