模块一　晶体硅太阳电池工艺基础

【内容节选】 1.1　晶体硅太阳电池技术现状 1.1.1　光伏产业链 太阳能光伏产业链主要包含主原料链、辅料链、装备链和产业服务链。 （1）主原料链 主原料链指的是从太阳电池原材料生产、电池片生产、光伏组件生产到光伏系统应用，整个太阳能发电系统从生产到应用如图1-1所示。 图1-1　太阳能光伏产业的主原料链 根据太阳电池的工艺环节、种类和特点的不同，可以把主原料链分解为三个部分：晶体硅太阳电池相关光伏产业链环节；薄膜硅太阳电池相关光伏产业链环节；化合物薄膜太阳电池相关光伏产业链环节。 ① 晶体硅太阳电池相关产业链环节　晶体硅光伏产业链包括硅料、硅片、太阳电池、光伏组件、系统及应用5个环节。上游为硅料、硅片环节；中游为电池、组件环节；下游为系统应用环节。图1-2给出了晶体硅太阳电池从原材料生产到最终应用发电涉及的主要产业链环节。 图1-2　晶体硅太阳电池相关产业链环节   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   硅料的生产主要为将硅矿石提纯处理成高纯硅料，硅料进一步提纯为多晶硅和单晶硅，到制成硅片的过程。 对于从金属硅到多晶硅的提纯，分为两个主流路线：一个是化学法，也就是目前主要应用的西门子法，它是将金属硅先转变为三氯氢硅，然后再进行分馏和精馏提纯，得到高纯度的三氯氢硅后再还原而成；另外一个方法是物理法，目前统称为冶金法，它直接对金属硅通过一些手段将杂质取出，因为硅在整个提纯过程中未发生化学反应而得名。化学法的纯度较高，但能耗和成本也较高，污染处理成本较大。冶金法电耗低，成本低，无污染，但目前的纯度比西门子法略低一些。 多晶硅料可以铸造成多晶硅锭，线切割成多晶硅片，然后制作成多晶硅太阳电池，即为多晶硅电池的技术路线。将多晶硅锭拉晶处理成单晶硅棒，再切割成单晶硅片，制作成单晶硅太阳电池，即为单晶硅电池的技术路线。 晶体硅太阳电池片制得后，需要进行组件封装。组件封装过程需要白玻璃、EVA、背板等许多原材料。组件封装之后，就可以和其他部件如逆变器、蓄电池等组成光伏发电系统。组件后的电站还包括不少东西，例如支架、汇流盒、电缆、逆变、追日系统等，这些属于装备类。 ② 薄膜硅太阳电池相关产业链环节　薄膜硅的源头也是采用金属硅，先制成硅烷（气体），然后通过气相沉积技术在薄膜衬底上形成非晶硅薄膜，之后制作p-n结，形成薄膜电池。薄膜电池由于直接沉积在玻璃或不锈钢衬底上，单面封装制成薄膜组件，电池与组件的生产环节为一个整体。薄膜组件可以用在光伏电站和光伏建筑一体化方面。 ③ 化合物薄膜太阳电池相关光伏产业链环节　除了硅薄膜太阳电池以外，碲化镉、砷 化镓、和铜铟镓硒等薄膜太阳电池，封装制成化合物薄膜太阳电池组件，用于光伏电站和光伏建筑一体化方面。 （2）辅料链 光伏产业的辅料链在光伏产业中所占的比重非常大，涉及的辅料数量和品种较多。以晶体硅太阳电池的辅料为例。以硅片为界，分成硅片前和硅片后两个部分说明。 ① 硅片前辅料　主要是提纯和生产多晶硅、单晶硅所用的辅料，包括：氯产品，如盐酸、氯气、三氯氢硅等，氢气以及氢氯化所用的气体，多晶硅铸锭用的氮化硅粉，惰性气体，以及其他反应气体；在多晶硅铸锭时用到的石英坩埚，铸锭炉和单晶炉内用的石英坩埚（又分为石英陶瓷坩埚和石英玻璃坩埚），隔热用的碳毡（分为硬毡和软毡），以及工作时需要消耗的温度传感器件。此外，在多晶硅铸锭和单晶硅拉制时，还需要用到保护气体和反应气体。 ② 硅片后辅料　在硅片切割过程中，要用到切割线（包括钢线、钼线、金刚砂线）、切削液、金刚砂微粉（或称碳化硅微粉）。在硅片切割后清洗时，要用到各类的碱、酸和纯净水。 硅片切割后，进入电池片生产阶段，此时除了前期对于硅片的清洗制绒需要各类酸碱和纯水辅料外，扩散还需要用到三氯氧磷气体，PECVD要用到硅烷气体，电极加工要用到银浆和铝浆，这些辅材的消耗量甚至不亚于主原料硅的价值。 在组件加工方面，要用到白玻璃，EVA薄膜（近期也产生了用有机硅薄膜的新产品），铝合金框（最近开始使用工程塑料代替），还有各种黏结剂。 在电站建设方面，则主要是电缆和支架材料。支架材料目前以钢结构为主，也有采用铝合金和工程塑料代替的。   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   （3）装备链 如果从产值上看，光伏产业价值最大、最先启动的市场，其实不是光伏电池和组件，而是装备市场。依然以硅片为分界线，将晶体硅太阳电池的装备链分两部分分析。 ① 硅片前装备　金属硅的冶炼需要矿热炉，还有除尘设备；此外变压器和破碎及硅石清洗设备也是免不了的。 金属硅炼出来后，如果后面采用冶金法生产多晶硅，需要用精炼炉进行炉外精炼。通常采用中频感应炉比较多，一台10000kV·A的矿热炉，可能要配10～20个5T标准铁容的中频感应炉。还有粉末冶金设备，湿法冶金装置、真空熔炼装置是少不了的。 如果采用西门子法，需要精馏塔、还原炉、氢化装置、氯化装置，这样一套装置造价不菲。随着国内西门子法多晶硅厂的增加，相关设备国产化的程度也越来越高，现在，无论是精馏塔还是还原炉，都已经国产化了，氢化装置（包括热氢化和冷氢化）和氯化装置也已经国产化了。 多晶硅技术出现后，多晶硅的铸锭炉、单晶炉需求量更大，接着是破锭机、铸方设备、倒角抛光设备、硅片多线切割机、硅片清洗设备等。 ② 硅片后设备　电池生产的清洗制绒设备、扩散炉、PECVD、丝印机、烧结炉，有了这些，才能生产出太阳电池。层压机是生产组件的主要设备。另外，玻璃的生产，EVA薄膜的生产也同样需要大量的设备。 组件出来后，要安装在支架上。如果是地面电站，还要加上追日（跟踪）系统，这些也属于光伏发电装备。 组件出来的直流电要经过逆变器、控制器才能变成交流电，如果要并网的话，还要有同期装置，对电网进行相位和频率跟踪才能并网。 如果不是并网电站，而是用户端或离网型，那么还要考虑储能系统，包括蓄电池和充放电控制系统。鉴于目前的铅酸电池在容量上和环保方面还有不少问题，因此，研究开发大容量、长寿命、高效率的储能装置，不仅是当务之急，而且也是一个潜力非常巨大的市场。 （4）产业服务链 产业服务链主要包括光伏测试仪器设备、光伏技术服务研发、光伏教育培训与物流服务。 ① 光伏测试仪器设备　光伏产业的服务链中，一个重要的环节是测试服务。测试服务贯穿于所有的主生产环节，也是前期研究和开发的重要技术保证。测试服务的水平，主要取决于测试分析设备。 对于硅材料的生产来说，测试仪器包括常规化验分析仪器，这在硅材料，尤其是多晶硅的生产是非常重要的。对于高纯度的硅材料，成分分析仪器有ICP-AES（等离子体原子光谱仪）、ICP-MS（等离子体质谱仪）、GDMS（辉光放电质谱仪）、二次离子质谱（SIMS），均需要用来进行生产过程中的硅材料的杂质成分测试。此外，还有傅立叶红外分光光度计，用来测试碳氧的含量。 而对于硅材料的研究方面来说，还有RBS（卢瑟福离子背散）测试，电子束显微技术（SEM扫描电镜、TEM透射电镜技术）、EBIC（电子束诱导电流技术）、SPM（扫描探针显微学）、DLTS（深能级瞬态谱技术）等，都是光伏材料研究不可缺少的设备。 对于电池和硅片的生产，则主要有电阻率扫描测试仪、少子寿命扫描（微波光电导、激光电导、波导法等）、粒度测试、硅锭硅片探伤仪、单片光电转换效率测试仪、漏电流测试仪、组件转换效率测试仪、光度计等。 长期以来，测试设备除了常规的化验分析设备外，绝大多数仪器我国还不能生产，还需要依赖进口。近年来，在电阻率测试、光电转换效率测试等方面，已经有了一定的进展，但取得国际权威机构认证和互认的还较少。   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ▲ 点击全屏查看   ② 光伏技术研发服务　由于光伏产业目前还是一个朝阳产业，无论从基础理论研究、材料研究还是器件研究、器件制造工艺，以及应用研究，都还处于一个产业成长期的初级阶段。无论从企业还是从政府，对于研发进行足够的投入，都是意义十分巨大的。 例如，光伏电池光致衰减的机理、温升衰减的机理和遏制措施，如何廉价地大规模生产光伏电池和组件？为什么光伏电池的原材料的成本和数量较低，但最终成本却很高？这些都是涉及基础材料研究和制造技术的一些深层次的课题，需要进行大量的研发工作。一旦这些研究取得突破，光伏发电的成本就有可能在目前的基础上再下降一个数量级。 ③ 光伏教育培训服务　光伏产业由于是一个新兴产业，因此，没有现成的人力资源，需要从半导体、冶金和制造业获得人才。 从基层说起，技术工人的培训上岗，是目前各个企业最急需的服务。良好的培训可以大大降低企业的成本，不仅是人力资源成本，更多的是生产成本和浪费的减少。对于中高层的技术人员，则需要进行光伏专业的本科和研究生教育。 ④ 物流服务　任何一个产业都会涉及到物流，但是光伏产业对物流的需求却往往被人低估。以多晶硅的生产为例，1万吨多晶硅，每年就需要进出大约3万吨的货物。而对于组件来说，仅仅一个100MW的光伏电站，就需要1000个集装箱车辆进行运输成品，而原料则更多。电站的安装，支架的运输量要比电池组件大5倍左右，也就是需要5000个大型货车进行运输。 如果按照新能源15%的目标，每年光伏发电装机量将达到1000GW，那么，将需要50万辆货车来运送光伏组件和支架，这还没有包括前段的中间产品。因此，光伏产业对于物流的需求，将接近钢铁和煤炭对于运输的需求。