多晶硅原生硅料的铸锭与电池片的性能参数讲解
多晶硅太阳能电池的光电性能分析
多晶硅太阳能电池的光电性能分析随着能源危机的日益严重，人类已经开始关注可再生能源的研究和利用，太阳能作为一种最为广泛的可再生能源，具有极大的潜力进行开发利用。
而多晶硅太阳能电池作为目前市场上使用最为广泛的太阳能电池技术，其光电性能的分析与研究对于其实现高效能量转换具有重要作用。
一、多晶硅太阳能电池的结构特点及光电性能多晶硅太阳能电池主要由多晶硅薄膜、金属电极、掺杂剂等材料组成。
其中，多晶硅薄膜具有较高的光吸收率，可以吸收范围在400~1100nm波长范围内的多种光子。
金属电极作为电荷收集器，能够将从多晶硅薄膜中释放出的电子和空穴收集到电路中，从而产生电流。
而掺杂剂的加入，则是为了控制多晶硅薄膜中电子与空穴的浓度分布，从而提高电流和填充因子的效率。
多晶硅太阳能电池的主要光电性能指标包括光电转换效率、开路电压、短路电流和填充因子等。
其中，光电转换效率是指多晶硅太阳能电池将太阳辐射能转化为电能的能力，是反映太阳能光电转换器的重要指标。
开路电压和短路电流分别是在太阳电池被短路和开路情况下的最大输出电压和电流，它们决定了太阳电池的直接输出能力。
填充因子则是反映了电荷收集效率和电场效应的影响，是光电转换效率的一个重要参数。
多晶硅太阳能电池在光电性能方面的表现相对较好，其光电转换效率可达到20%以上，开路电压通常可达到0.5~0.6V，短路电流可达到30mA/cm2左右，填充因子可以高达0.8以上。
这些优秀的光电性能，使得多晶硅太阳能电池在高效能量转换和应用方面具有良好的应用前景。
二、多晶硅太阳能电池光电性能的影响因素多晶硅太阳能电池的光电性能的受到多种因素的影响，包括多晶硅薄膜的制备工艺、金属电极材料、掺杂剂的类型和浓度、光吸收深度等。
首先，在多晶硅薄膜的制备工艺中，薄膜厚度、晶格结构和缺陷等因素均会影响多晶硅太阳能电池的光电性能。
薄膜厚度一般控制在20~50μm之间，过厚或过薄都会影响电池的光电转换效率。
物理冶金 多晶硅
物理冶金多晶硅随着科技的不断发展，人们对于硅材料的需求越来越大，其中多晶硅是一种非常重要的材料。
多晶硅是一种具有高纯度、高稳定性和良好的光电性能的半导体材料。
在电子、光电子和太阳能电池等领域都有广泛的应用。
本文将介绍多晶硅的物理冶金特性及其制备工艺。
一、多晶硅的物理冶金特性1. 晶体结构多晶硅的晶体结构为面心立方结构，晶格常数为5.43。
晶体结构稳定，不易受外界影响。
多晶硅的晶粒大小为0.1~1.0mm，晶界密度较高，晶界能量也较大。
2. 晶粒取向多晶硅的晶粒取向不规则，晶体中晶粒方向随机，晶界取向随机。
晶界分布不均匀，会对材料的性能产生影响。
3. 电性能多晶硅的电性能较好，电阻率为0.1~1.0Ω·cm。
在光照下，多晶硅的电导率会发生变化，这是多晶硅在太阳能电池中应用的原因之一。
4. 光学性能多晶硅的光学性能也很好，其折射率为3.43，透射率为80%以上。
在太阳能电池中，多晶硅的光吸收率较高，可以将光能转化为电能。
二、多晶硅的制备工艺1. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种制备多晶硅的方法。
通过将硅源溶解在有机溶剂中，再加入一定的催化剂和表面活性剂，制备成溶胶。
将溶胶冷却后，得到凝胶。
将凝胶热解，得到多孔硅。
将多孔硅在惰性气体氛围下高温还原，得到多晶硅。
2. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种制备多晶硅的方法。
将硅源和载气混合，送入反应室。
在高温下，硅源分解生成硅烷气体，再沉积在衬底上。
多晶硅的取向性较好，可以通过调节反应条件来控制晶粒取向。
3. 气相传输法气相传输法是一种制备多晶硅的方法。
将气体中的硅源在高温下分解，生成硅烷气体。
硅烷气体在惰性气体氛围下沉积在衬底上。
多晶硅的取向性较好，可以通过调节反应条件来控制晶粒取向。
4. 电化学沉积法电化学沉积法是一种制备多晶硅的方法。
将硅源溶解在电解液中，通过电解的方式，在电极上沉积多晶硅。
多晶硅的取向性较差，但可以通过控制电解液中的添加物来调节晶粒取向。
单晶硅多晶硅非晶硅性能比较知识讲解
6.实验数据处理 6.2绘制电压-电流密度曲线
多晶硅电池电压-电流密度曲线
6.实验数据处理 6.2绘制电压-电流密度曲线
非晶硅电池电压-电流密度曲线
6.实验数据处理 6.2绘制功率密度-电流密度曲线
单晶硅电池
6.实验数据处理 6.2绘制功率密度-电流密度曲线
多晶硅电池
6.实验数据处理 6.2绘制功率密度-电流密度曲线
三种电池特性曲线形状相同，工作原理基本相 同
7.实验结论与分析
非晶硅电池由于电极没有牢固接点，需用手按 住导线，所以数据可靠性降低
实验在阴天情况下进行，光强度较低，因此数 据数值偏小，偏差可能加大
结束
结束一组实验后，再次记录当时的光强度
6.实验数据处理 6.1绘制外特性曲线
单晶硅电池外特性曲线 光强：175.90W/m2
6.实验数据处理 6.1绘制外特性曲线
多晶硅电池外特性曲线 光强：177.66W/m2
6.实验数据处理 6.1绘制外特性曲线
非晶硅电池外特性曲线 光强：189.09W/m2
3.实验器材
光强度测试仪 三种太阳能电池（串联） 万用表、电阻箱、镀银铜导线
4.实验电路
电流表
电阻箱
电压表
电池
5.实验过程与内容
由于当时天气是阴天，因此只测试平放时的数 据
将实验电路连接好后，打开光强度计，记下数 据
开始测试，选择合适间隔，测量十组电压电流 值，并测量开路电压和短路电流
非晶硅电池
6.实验数据处理 6.3填充因子（FF）计算
单晶硅FF：0.55 多晶硅FF：0.64 非晶硅FF：0.54
6.实验数据处理 6.4转化效率计算
单晶硅转化效率：8.69% 多晶硅转化效率：12.7% 非晶硅转化效率：4.48%
光伏电池片性能参数最全介绍
光伏电池片性能参数最全介绍
电池片技术发展迅速，层出不穷。
电池片按硅片种类可分为单晶电池片和多晶电池片，单晶根据衬底掺杂元素不同分为P型电池和N型电池。
单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。
这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。
为了降低生产成本，地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。
有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。
现对电池片的性能指标简述如下:
1、电池片的性能指标要求：
3、TC200循环测试
电池片所做组件必须符合TC200循环测试，且新的供应商或电池片发生任何变更之后所做组件必须通过此项测试。
4、电池片图形要求
4.1 背电极图形：
A.直通式接受
B. 156.75电池片：分段式接受范围（接受三段式或四段式设计）三段式的每段电极长度＞20mm，四段式每段电极＞15mm，电极分段为四段以上的不接受。
C. 125电池片：分段式接受三段式，每段电极长度＞11.5mm，电极分段为三段以上的不接受。
D. 分段与直通背电极的印刷必须为实心，不接受镂空的栅线设计。
原因1：电池片背电极大于4段的焊接时对作业速度有一定的影响
2：背电极镂空的设计对组件的可靠性有一定的隐患
纵观未来光伏市场发展，随着高效电池片技术的逐步成熟、成本的逐步下降，产品市场需求将继续扩大，市场占比也将逐步提升。
多晶硅的性质、用途、冶炼方法以及工艺流程图
检测与包装
检测
对多晶硅产品进行质量检测，如纯度、晶体质量、表面质量等。
包装
根据客户需求对多晶硅产品进行包装，以确保其在运输和存储过程中的安全和稳定性。
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多晶硅的性质、用途、冶炼方法以 及工艺流程图
目录
• 多晶硅的性质 • 多晶硅的用途 • 多晶硅的用途 • 多晶硅的用途 • 多晶硅的冶炼方法 • 多晶硅的工艺流程图
01 多晶硅的性质
物理性质
硬度
多晶硅的硬度较高，属于硬质材料。
导热性
多晶硅的导热性能良好，热膨胀系数较小。
密度
多晶硅的密度为2.32-2.34g/cm³，比单晶 硅略低。
详细描述
化学气相沉积法利用化学反应将原料气体转化为多晶硅。该方法可以在较低温度下进行，结晶质量较好，但生产 成本较高，且对设备要求较高。
04 多晶硅的工艺流程图
原料准备
原料准备
多晶硅的生产需要高纯度 的硅材料作为原料，通常 采用冶金级硅或工业硅作 为起始原料。
硅材料的纯化
为了获得高纯度的硅材料， 需要进行一系列的提纯和 除杂过程，如破碎、酸洗、 碱洗等。
杂质去除
通过精馏过程，可以去除硅原料中 的大部分杂质，如铁、铝、钙等， 从而提高硅的纯度。
化学气相沉积
化学气相沉积原理
化学气相沉积是一种利用化学反应在硅表面形成固态薄膜的方法， 通过控制反应条件，可以在硅表面形成多晶硅层。
反应气体
化学气相沉积过程中需要使用不同的反应气体，如硅烷、氢气等， 这些气体在高温下发生化学反应，形成固态的多晶硅层。
铸锭和切片
将提纯后的多晶硅铸造成锭， 并进行切片加工成所需的规格 和形状。
多晶铸锭炉技术参数123
附件1：JZ-460/660多晶铸锭炉技术参数一、JZ-460/660型多晶铸锭炉介绍JZ-460/660型多晶铸锭炉能生产520KG/660KG-800KG优质的多晶硅锭，本设备的生产量很大，能在60个小时的时间内生产出合格的硅锭。
设备操作简单，直观的界面，给操作人员节省很多时间来处理设备的运行情况，从而极大的提高了生产效率，节约了成本。
JZ-460/660型多晶铸锭炉使用高纯度的内涂氮化硅的石英坩埚，运行过程中，通过隔热层的提升，在热场内产生温度梯度，从而由下往上定向长晶，在整个长晶过程中只有隔热层一个部件在运动，大大减少了故障的发生，从而提高了炉子的稳定性能。
整个工艺过程分为装料，抽真空，检漏，加热，熔化，长晶，退火，冷却。
装料是在喷有氮化硅涂层的石英坩埚内，在保证不破坏涂层的条件下，进行装料。
装完料后开始抽真空，当压力降到0.008mbar时即可检漏，如果设备检漏通过，此时我们即可开始自动运行设备，按照配方工艺步骤运行。
在晶体生长过程中，一般自坩埚底部开始降温，当硅熔体温度低于熔点时，在接近坩埚底部处首先凝固，形成许多细小的核心，然后横向生长，当核心相互接触时，再逐渐向上生长，长大，形成柱状晶，柱状方向与晶体方向平行，直至所有的硅熔体都结晶为止，这样制备出来的多晶硅的晶粒大小，晶界结构，缺陷类型都很相似。
对于重量为520kg的铸造多晶硅而言，硅锭尺寸一般为840*840*316mm。
目前JZ-460/660炉型已被著名硅片制造厂家批量采用，稳定生产出高质量的硅锭。
二、JZ-460/660型多晶铸锭炉使用需要的环境条件(户内)a)环境温度：20±5℃b)环境湿度：≤ 65%（不结露）c)地质震动要求：外界震源：当大于10HZ时，振幅小于0～0.003mm三、我公司JZ-460/660多晶铸锭炉技术性能参数表Pa四、供货清单五、变压器技术规范1.输入额定电压：变压器每相带3个抽头3AC380V， 3AC400V，3AC420V 额定频率：50/60HZ电压波动范围：342V~418V2.输出额定容量：200KW额定电压：3AC25V3.其他加热控制方式：定周期调功方式调压方式：变压器一次侧调压变压器结构：△/Y控制信号：4~20mA功率因数：0.9六、设备布置图及土建资料七、多晶铸锭炉安装条件：（一）、供土建设计所有资料1.厂方要求安装起吊高度：≥6500mm 。
5[1].铸锭多晶硅的生产
5.停炉冷却：把加热功率降低并关闭，让
铸锭硅在炉内自然冷却8～13个小时。方可打 开炉室，取出铸锭硅块，交检验部门进行原 始硅块的初检。 每开一炉的时间（含停炉冷却时间），随 装料量的不等而不同。对装料450公斤的铸锭
硅的生产而言，正常情况下，约需65个小时左
右。
5.3 铸锭硅的外形尺寸
从铸锭炉生产出来的铸锭硅是方形的。装料
Байду номын сангаас
成晶体，并从下往上非常缓慢地长晶，长晶的速度大约为0.2mm/分左右。最后生成一个大晶粒的多晶
铸锭硅来，这个过程大概需要22～27个小时左右。 4.退火处理：坩埚内的液态硅全部结晶成固态后，把炉温控制在稍比熔点低一些，并让硅锭整体 温度保持一致，退火处理3～4个小时，以消除硅锭内部的应力和裂纹，减少位错。
第5节复习题
1、了解铸锭硅生产的简单过程。 2、生产铸锭硅的主要原辅材料有哪些？
3
液体硅
加热器 上炉室 隔热材料
坩埚护板 陶瓷坩埚
热交换台
铸锭硅 下炉室
晶粒的多单晶体的铸锭硅来。见图16。
5.2 铸锭硅的生产过程简介
1.装炉：把铸锭炉室及石墨件清理干净，把 经过氮化硅喷涂及烘烤的方形陶瓷坩埚放置到
石墨底板中间，把多晶硅料和掺杂剂放入到坩
埚中，再用叉车把石墨护板、陶瓷坩埚连同多
图16：铸锭炉室和热场的剖面示意图
1
晶硅料一并装入到铸锭炉中。关闭炉室，给炉室抽真空并通氩气。 2.加热熔化硅料：给炉室内的石墨加热器通电加热。硅的熔点为1416℃，只有在高于此温度的情况 下，硅料才能熔化成液态。从开始加热到硅料全部熔化成液态的时间，一般需要16～21个小时左右。 3.铸锭硅生长：通过缓慢提升隔热系统或缓慢降低坩埚的方法，使下部的液态硅温度降低首先凝固
多晶硅的铸锭原理及工艺流程
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多晶硅锭制备—铸锭多晶硅工艺ppt课件
• 另一方面，铸锭多晶硅的生产周期大约460公斤 每60小时，5.17公斤每小时，是单晶方棒1.30公 斤每小时的4倍。
• 可见采用多晶铸锭法制备多晶硅锭，进而加工硅 片，制造成本的优势是显而易见的。
五、热交换法炉型
炉型1： 下页图为目前国内应用较多的一种热交换法炉型示
意图，采用石墨电阻在四周加热。凝固开始时通过提 升保温框〔0.12-0.2mm/分〕以增大石墨块的散热强 度。长晶速度为变数，平均为0.28mm/分。
特点：
坩埚和热源在凝固开始时作相对位移，分液 相区和凝固区，液相区和凝固区用隔热板 隔开。
液固界面交界处的温度梯度必须>0，即 dT/dx>0，温度梯度接近于常数。
ห้องสมุดไป่ตู้却水
坩埚 热源 硅液
隔热板 热开关 工作台
布里曼法示意图
液相
固液界面 固相
• 长晶速度受工作台下移速度及冷却水流量 控制，长晶速度接近于常数，长晶速度可 以调节。
多晶硅锭制备—铸锭 多晶硅工艺
第三小组 谢海峰
一、多晶硅锭产业背景 二、多晶硅锭的组织结构 三、定向凝固时硅中杂质的分凝 四、多晶硅锭定向凝固生长方法 五、热交换炉型 六、热交换法现行工艺讨论 七、结晶炉结构类型的选择
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3、负的电阻率温度系数
硅材料在温度升高的情况下电阻率是下降的，而金属的特性却相反，温度升高， 电阻率是上升的。
4、整流特性
可以将N型导电材料和P型导电材料组成P-N结，形成单项导电，二极管等电 子晶体管就是根据这个特性制作的。 5、光电特性 半导体硅在太阳光照的情况下产生光生电荷载流子效应，电荷载流子定向移 动产生电流。我们也是根据这个特性才做成电池片进行太阳能率特性
电阻率在杂质、光电磁等因素的影响下，可以产生较大范围的波动，半导体 材料的电阻率一般在10E-5---10E8，原生硅料的电阻率是非常大的，可以说几乎 不导电，然而在加入杂质时电阻率大大下将，我们太阳能硅片的电阻率一般要求 在0.5—3之间。为什么电阻率要处于0.5—3之间呢？这是因为还有另外一个非常 重要的电学性能—少数载流子的浓度和寿命在约束。
2、导电特性
硅中存在两种导电的载流子，一种是电子，为带负电的载流子；另一种为空 穴，为带正电的载流子。在普通金属中只有电子来导电，而在硅材料中却存在两 种载流子在导电。在塑料橡胶等物质中是没有导电类介质的，所以是绝缘体。纯 的硅在没有参杂以前，材料中的电子和空穴的浓度时相等的，当人为进行参杂时 ，如果能使其电子的浓度大于空穴的浓度时，我们称为N型半导体，此时的电子 成为多数载流子，空穴成为少数载流子；当材料中的空穴浓度大于电子浓度时， 就是P型半导体材料，此时材料中的空穴为多数载流子，电子则是少数载流子。
硅料的种类、以及清洗对硅锭的影响
硅料中由于粗硅中可能含有碳元素而在提纯是残留在原 生多晶硅中，碳元素和硅本身为同族元素，对硅的电学性能 没有多大的影响，但碳会和硅在敢问下形成碳化硅颗粒，碳 化硅就是切片车间用来切割硅锭的砂浆，硬度非常大，如果 碳化硅颗粒沉淀在硅锭中，在切片时就可能引起断线。这个 硬质点不仅会引起断线，如果不断线也会出现跳线，硅片上 必然会出现划痕，硅片就不合格，而且这个影响不止会影响 一片硅片，可能会影响好几片。
硅料的种类、以及清洗对硅锭的影响
原生硅料有块状料和颗粒料，还有粉末料。这些形态各 异的料给清洗带来很大麻烦，其中块状料可以经过正常的洗 涤流程，包括酸洗和碱洗等环节来清洗。但是那些碎料，例 如颗粒和粉末料在洗涤的时候料损就比较大，所以前一阵子 料理对粉末料未经洗涤而直接发到多晶车间铸锭，结果由于 粉末料中含有大量的铁元素而导致硅锭的少子寿命偏低。
原生硅料的物理特性
纯净的硅为灰色并有金属光泽的晶体， 在固体时密度为2.33g/cm3，在液体时的密 度为2.55g/cm3，熔点为1414℃，沸点在 2350 ℃上下。原生硅料的生产流程大致为 石英砂在高温电弧炉内进过电弧放电时和 碳元素发生还原反应生成粗硅，然后粗硅 再经过化学方法进行提纯得到比较纯净的 硅料，现在我们铸锭用的硅料的纯度在6N 左右，半导体工业用的硅料的纯度要求更 高，在10N-12N之间。所以做太阳能电池片 的硅料要求不那么严，在6N左右就可以满 足太阳能铸锭的要求了。硅料是一种脆性 无机非金属材料，在1200 ℃时才会产生延 展性能。虽然硅的熔点在1414℃，我们铸锭 时炉内温度必须在1500 ℃以上时才能将坩 埚内的硅料全部融化完全。硅的空间结构 如右图：
原生硅料的讲解
工艺技术中心 张小东
本次培训准备从以下几个方面来讲述
原生硅料的物理特性 硅料的电学特性 硅料的种类、以及清洗对硅锭的影响 氮化硅和坩埚对硅料铸锭的影响 硅料的铸锭对下游硅片的影响 母合金的性质以及参杂原则 硅料中的杂质对硅片的电学性能的影响 硅片的电学性能的要求以及影响硅片电学性能的因素
硅料的种类、以及清洗对硅锭的影响
清洗工艺对于料的影响也比较大，对于菜花料等表面褶 皱比较大的料在洗涤时由于碱液钻到褶皱里面在超声清洗时 没能完全的将褶皱里的碱液冲洗干净，会导致碱液残留，在 铸锭后钠离子和钾离子会污染晶锭，特别是这些元素会和氮 化硅涂层发生反应，从而侵蚀氮化硅涂层，会造成粘锅现象 。 料中的铁杂质对晶锭的影响非常大，铁元素和晶锭中的 氧元素形成铁氧深能级复合中心，会影响少子的跃迁，从而 影响少子寿命。所以铁元素对 晶锭的污染非常大。
同时石英坩埚也会引入氧元素，具体反应为：Si+SiO2=2SiO,SiO是气 体，在硅液进行热对流时会溶解在硅液中，从而引入氧元素。氧元素由 于分凝系数大于1而沉淀在规定底部，表现为从硅锭底部到顶部氧浓度依 次减小。所以大量的氧沉淀在底部和硅中的掺杂剂B形成B-O复合中心、 和铁等金属元素形成Fe-O对复合中心，这些复合中心对少子寿命都有很 大的影响，会导致少子寿命下降。从而不满足太阳能电池片的一些技术 参数。
氮化硅和坩埚对硅料铸锭的影响
铸锭时，硅料熔化结晶过程中，硅熔体和石英坩埚长时间的接触，会 产生黏滞作用。由于坩埚和硅料的热膨胀系数不同，在晶体冷却过程中 可能造成坩埚拉裂晶锭或者石英坩埚破损，同时长时间的坩埚和硅料接 触，会引入大量的氧元素，为了有效的将坩埚和硅液隔离开来，我们在 坩埚上涂一层氮化硅粉，氮化硅是一种性质比较稳定的物质，硬度很高 ，在高温时不分解，不易与别的物质发生化学反应。将氮化硅粉末与水 按一定比例（工艺不同比例不同，一般为1：3.8）配制成氮化硅溶液进行 喷涂作业。氮化硅在生产过程中本身就会引入微量的金属杂质，比如铁 、铝和铜元素。下图为铸锭后硅块检测时铁、铝元素在晶锭中的整体分 布图。 铁在硅液中的分凝系数很小，基本上在铸锭时由于分凝作用都排到了 晶锭的头部，所以头部少子寿命偏低，同时在硅锭底部也存在一个少子 寿命偏低的区域，这是因为硅料中的氧元素和回收料中的氧元素由于分 凝系数大于1而沉淀在规定底部，将硅料中的铁元素吸住，形成一个深能 级的铁氧复合中心，从而导致晶锭尾部。