多晶硅太阳能电池片

多晶硅太阳能电池片（通用7篇）

多晶硅太阳能电池片 篇1

太阳电池是利用光伏效应将太阳能转化为电能的半导体器件。自1954年研制成功第一块单晶硅太阳能电池以来,开创了人类利用太阳能的新纪元。但由于单晶硅的制作过于昂贵,目前许多国家正在研制多晶硅太阳能电池。多晶硅电池材料与单晶硅的主要区别是不同晶向的单晶晶粒间存在晶粒晶界。这一缺点曾经阻碍着多晶硅电池的研制。由于晶体硅生长技术与设备的进步,多晶硅太阳能电池竞争力近年来超越了单晶硅太阳能电池。但是,具有电子活性的晶界是影响铸造多晶硅太阳能电池转换效率的一个重要因素[1]。

早期的研究发现晶界具有深能级,是少数载流子的强复合中心[1,2,3] ,并且晶界的复合特性与晶界类型密切相关[4]。但是,目前国内外对多晶硅晶界类型、统计规律以及晶界特性尚缺乏了解。本工作用高分辨率的背散射电子衍射分析技术(Electron Back Scattered Diffraction, EBSD)对铸造多晶硅中的晶界进行了大量的分析和统计,研究其晶界特性,目的是为多晶硅的铸造和将其制作太阳能电池的绒面时化学腐蚀剂的配制提供理论指导。

1 实验

选用厚度为2mm的高纯度铸造多晶硅锭切片为待实验材料,切片尺寸为15mm×15mm,试样电解抛光后,用光学显微镜进行观察,用EBSD进行测量。所采用的仪器为Philips Xl30 SEM扫描电镜和高分辨率的Leica EBSD探头。测量时的电压为20kV,室温,步长为0.623μm,布拉格偏差参量为2.5,每一测量区域为13005×13005个像素点,相当于1474600μm2的实际尺寸。

2 结果与分析

图1为高纯度铸造多晶硅锭切片晶界的取向分布图。其中,图1a为多晶硅锭切片EBSD图像及测量部位,实验是沿A,B,C三条线纵向测量晶界的取向,在A线又取了1,2,3三个观察点,右下方小图的颜色表示晶粒的取向。

(a) EBSD图像和测试点;(b)测试点A的取向差分布; (c) 测试点B的取向差分布;(d) 测试点C的取向差分布

(a) EBSD image and the tested sites; (b)misorientation distribution in A tested sites;(c)misorientation distribution in B tested sites; (d) misorientation distribution in C tested sites

由图1a可知,多晶硅锭片在晶粒内部的颜色几乎一致,而不同的晶粒表现出不同的颜色,这说明晶粒内部几乎没有取向变化,但在晶粒与晶粒之间取向有变化。

图1b为沿A,B,C三条线纵向测量的多晶硅锭切片取向分布情况。实验中,EBSD实际测量了895μm的线性范围,所测晶粒的平均尺寸为5.07μm。对照图1a可知,观察点1和3均在晶粒内部,所测晶粒取向只有很小的变化;而观察点2正是晶界的交界处,所测数据表明在观察点2处的晶粒取向发生突变,数值差超过了15°;同时,对照图1b-d,A,B,C三个位置在对应的晶粒内,尽管所测位置不同,但在同一个晶粒内所测晶粒的取向变化很小,并且在晶界处取向发生突变。这说明在多晶硅锭片晶体内部晶粒存在很小的取向差,但相邻晶粒间取向差较大,超过了10°,是大角度晶界。

图2为高纯度铸造多晶硅锭切片取向差分布图。在图2中,相同的颜色表明的是同一种晶粒取向差。可知,在多晶硅锭片的晶界处,晶粒的取向差均超过了30°,全部是大角度晶界;而在晶粒内部,存在取向差小于5°的亚晶粒,为小角度晶界。

本工作中将晶界分为两类,即大角度晶界(>15°)和小角度晶界(<10°)。在大角度晶界中,根据重位点阵模型(Coincidence Site Lattice, CSL)[4] ,大角度晶界又可以分为特殊晶界(CSL,用Σ值表示)和普通晶界(random,用R表示)。图3为高纯度铸造多晶硅锭切片CSL晶界的数量统计图。可知,在所观察的多晶硅晶界中,绝大部分晶界是大角度晶界,大角度晶界中主要类型有Σ3,Σ9 ,Σ27,Σ29。其中,Σ3所占的比例最高(52.55%),Σ29晶界其次。

图4是利用背散射电子衍射技术测得多晶硅锭片部分晶粒的取向,并标注在{1,0,0}极图中。图4中的不同颜色表示各极图上{hkl}晶面极点密度不同的等强度线,其密度大小见图中左方的彩条所示,图4所标的RD和TD,分别表示轧向(Rolling Direction ,RD)和横向(Transverse Direction ,TD)的空间取向分布。由EBSD测定出其滑移系为{-1,-2, 3}〈1,1,1〉。从图4所标定的取向可知是立方晶系。

由于Σ还可表示CSL单胞体积与原点阵单胞体积之比,即Σ越小,重合几率越大,极端情况下,Σ=1表示完全重合,相当于没有平移或旋转[4]。本试验中,Σ3所占的比例高达52.55%,其重合几率是非常大的。因此,在没有金属沾污的情况下,这些大角度晶界在室温下基本不显电活性,且晶界的缺陷能级属浅能级。但另一方面,小角度晶界(图2)也同样存在于多晶硅中,尽管它们所占的比例不高,但它们在低温下的复合能力很强,是高密度浅能级的复合中心,且在金属沾污的情况下,小角度晶界呈现出很强的金属吸杂能力。

多晶硅用来替代单晶硅制作太阳能电池,其转换率低可能与Σ3所占的比例过高有关,因此,在制作多晶硅时,重点要放在降低其含量上。

3 结论

(1)EBSD观察显示多晶硅锭晶体内部几乎没有取向差,取向差主要存在于晶界处。

(2)多晶硅锭的大部分晶界是大角度晶界,并且以Σ3为主,此外还存在少量的小角度晶界。

(3)多晶硅用来替代单晶硅制作太阳能电池,其转换率低可能与Σ3所占的比例过高有关,因此,在制作多晶硅时,重点要放在降低其含量上。

摘要：用背散射电子衍射分析技术研究铸造多晶硅锭切片的晶体学特征。结果表明:多晶硅锭晶体内部几乎没有取向差,取向差主要存在于晶界处;多晶硅锭切片中的大部分晶界为大角度晶界,且以Σ3为主,同时还存在少量小角度晶界。多晶硅制作太阳能电池转换率低可能与Σ3所占比例过高有关。

关键词：多晶硅锭片,EBSD,取向差,晶界,Σ3

参考文献

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[4]黄孝瑛.电子显微镜图像分析原理与应用[M].北京:宇航出版社,1989.405-408.

多晶硅太阳能电池片 篇2

世界能源形式紧迫, 已经成为世界十大焦点问题之首。2006年, 全球人口总数为65亿, 能源需求折合成装机是14.5TW。预计到2050年, 全世界人口总数预计将达到100亿, 按GDP增长1.6%/人·年, GDP单位能耗按每年减少1%, 则能源需求装机大约达到30-60TW。世界上潜在的水能资源约4.6TW, 而经济可开采的资源大约只有0.9TW, 风能实际可开发资源仅约2-4TW, 生物能3TW (总计8TW) ;太阳能潜在资源120000TW, 实际可开采资源达到600TW, 所以, 太阳能是唯一能保证人类未来需求的能源来源。

太阳能电池, 又称光伏器件, 是一种利用光生伏特效应把光能转变为电能的器件, 是太阳能光伏发电的基础和核心。

2 多晶硅太阳电池现状与生产流程

目前, 硅太阳电池占太阳能光伏发电系统成本的绝大部分 (94%) [1]。同时, 由于太阳电池产业快速发展的带动作用, 国际多晶硅产量也随之迅速增加[2]。多晶硅太阳电池的生产流程如图1所示。

3 PECVD技术原理

3.1 PECVD原理

PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition, 等离子增强化学气相沉积) 。等离子体是使气体在一定条件下受到高能激发, 发生电离, 部分外层电子脱落原子核, 形成电子、正离子和中性粒子混合物组成的一种形态, 这种形态就称为等离子态即第四态。等离子体从宏观来说也是电中性, 但是在局部可以为非电中性[3]。

P E C V D技术原理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, 在硅片上沉积出所期望的薄膜。

所用的活性气体为SiH4和NH3。这些气体经解离后反应, 在硅片上长出氮化硅膜。可以根据改变硅烷对氨的比率, 来得到不同的折射指数。在沉积工艺中, 伴有大量的氢原子和氢离子的产生, 使得晶片的氢钝化性十分良好[4]。其理想反应式如下:

PECVD的一个基本特征是实现了薄膜沉积工艺的低温化 (<450℃) , 是利用低温等离子体作能量源, 样品置于低气压下辉光放电的阴极上, 利用辉光放电 (或另加发热体) 使样品升温到预定的温度, 然后通入适量的反应气体, 气体经一系列化学反应和等离子体反应, 在样品表面形成固态薄膜。PECVD方法区别于其它CVD方法的特点在于等离子体中含有大量高能量的电子, 它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程, 生成活性很高的各种化学基团, 因而显著降低C V D薄膜沉积的温度范围, 使得原来需要在高温下才能进行的C V D过程得以在低温下实现, 其工艺流程如图3所示。

3.2 减反膜与钝化机理

P E C V D是在太阳能电池及硅晶片的表面镀一层SiN薄膜, 这层薄膜可以减少太阳光的反射率, 增加光电转换效率。它还具有良好的抗氧化和绝缘性能, 同时具有良好的掩蔽金属和水离子扩散的能力, 化学稳定性良好, 除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外, 其他酸基本不起作用。PECVD的主要作用是生成SiNx减反膜和H钝化。

(1) Si Nx:H

正常的SiNx的Si/N之比为0.75, 即Si3N4。但是PECVD沉积氮化硅的化学计量比会随工艺不同而变化, Si/N变化的范围在0.75-2左右。除了Si和N, PECVD的氮化硅一般还包含一定比例的氢原子, 即SixNyHz或SiNx:H。

S i N x可以有效的减少反射效应, 其减反射机理如下, 假设半导体、减反射膜、空气的折射率分别为n2、1n、0n, 减反射膜厚度为1d, 则反射率R为:

当上式分子为0, 即n0n2=n21时, 反射最小。对于电池片, n0=1, n2=3.87, 则n1=1.97。对于组件, n0=1.14, n2=3.87, 则n1=2.1。考虑到实际情况, 一般选择薄膜的折射率在2.0-2.1之间。

地面光谱能量峰值在0.5um, 太阳能电池响应峰值在0.8-0.9um, 减反射最好效果在0.6um左右 (0.5um-0.9um) 。当光学厚度等于四分之一波长时, 反射率接近于零, 即:

Si3N4膜的颜色随着它的厚度的变化而变化, 其理想的厚度是80nm左右, 表面呈现的颜色是深蓝色, Si3N4膜的折射率在1.9—2.1之间为最佳, 与酒精的折射率相乎, 通常用酒精来测其折射率。

Si3N4膜可以有效地减少光的反射, 从而使太阳电池具有良好的折射率和厚度, 可以促进太阳光的吸收;其结构致密保证硅片不被氧化;采用低温由于工艺, 可有效降低太阳电池的生产成本;反应过程中生成的H离子对硅片表面进行钝化, 具有优良的表面钝化效果。

(2) H钝化

对于Mc-Si, 因存在较高的晶界、点缺陷 (空位、填子、金属杂质、氧、氮及他们的复合物) , 因此对材料表面和体内隙原缺陷进行钝化就显得特别重要。钝化硅体内的悬挂键等缺陷。在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料, 氢钝化的效果越好。氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。在多晶硅太阳电池表面采用P E C V D法镀上一层氮化硅减反射膜, 由于硅烷分解时产生氢离子, 对多晶硅可产生氢钝化的效果。同时, 应用Si3N4可使有效降低表面复合速度。

4 PECVD产品异常现象及处理

5 结束语

多晶硅太阳电池表面采用PECVD法镀上一层氮化硅减反射膜直接影响着太阳能电池片的转换效率, 加大管式P E C V D技术的应用, 可以有效发挥我国太阳电池工业的优势, 迅速赶超世界先进国家, 在新一轮的太阳电池工业竞争中占据先导地位, 实现我国太阳电池及能源工业的跨越式发展。

参考文献

[1]魏奎先, 戴永年, 马文会等.太阳能电池硅转换材料现状及发展趋势[J].轻金属, 2006, (2) :52-56.

[2]杨德仁.太阳电池用多晶硅材料的现状和发展[J].中国建设动态 (阳光能源) , 2007:138-39.

[3]N.J.PODRAZA, C.R.WRONSKI, R.W.Collins, et al.Deposition phase diagrams for Si1-xGex:H from real time spectroscopic ellipsometry[J].Journal of Non-Crystalline Solids, 2006, (352) :1263-1267.

多晶硅太阳能电池片 篇3

西方众多学者分别从不同角度、不同层面对“产业集群”进行了定义。首先是经济学家韦伯(Alfred. Weber)从空间上对产业集群作了定义,他认为,产业集群就是在某一地域相互联系的企业的聚集体[1]。从竞争战略角度来研究“产业集群”的是迈克尔·波特(Michael·E·Porter),他主张,产业集群是指在一个特定的区域内,一群在地理上相近的有着某种关联的企业组织,并以彼此的共通性和互补性相联结[2]。新制度经济学家威廉姆森(O·Williamson)认为有一种性质的组织存在于纯市场组织和科层组织之间,他们以克服市场失灵和科层组织失灵为特征[3]。这是从产业组织的角度来研究产业集群的。产业竞争泰斗波特则认为,产业集群是存在于某一特定领域,大量产业密切的企业和相关支撑机构在空间上集聚,并形成强劲持续竞争优势的现象[4]。

综上所述,产业集群在经济发展过程中扮演了举足轻重的作用。根据上述观点,本文认为产业集群的概念可定义为:产业集群是众多企业的集合体或是组织,这些集合体或组织以专业化分工和协作为显著特点,组织结构比市场稳定,比科层灵活,是一种介于纯市场和纯科层之间的组织。

1 区域品牌的内涵

国内学者对区域品牌内涵的理解主要有三种观点。第一种观点认为区域品牌就是一种地域性质的品牌,是一个地区经济文化的代表和象征,同时也是该地域的信息载体;第二种观点是把区域品牌看成产业品牌;第三种观点则认为区域品牌从某种程度上讲就是产业集群品牌,这种观点是基于产业集群的视角来界定区域品牌的内涵,即主张区域品牌就是产业集群的品牌,代表着一个区域经济实体的整体形象。

本文认为,区域品牌是指某个行政或地理区域范围内某一优势产业的“产业集群”,是经过长期努力而形成或创建的,为该产业内企业所共同拥有的,在产业市场具有较高市场份额和影响力的知名品牌,是区域产业集群的整体形象代表。基于产业集群的区域品牌表明,产业区位是产品品牌的象征,即产业集群的区位具有完善的基础设施、良好的服务功能和优秀的服务品质,具有一定竞争优势的核心业务,在相同或相近的产业链中,能够吸引相关产业向该区域内集聚,不断促进区域内产业的技术进步和创新,保持产业集群的持续发展,最终促使区域内产业和产品在市场竞争中具有明显优势。

2 区域品牌理论

2.1 区域品牌的规模经济效应和范围经济效应

区域品牌是产业集群发展的一种结果,和产业集群相比,区域品牌更加强调企业间关系的系统化。区域品牌是一种公用的无形资产,集群内的企业都可以分享,这有利于激发企业的积极性,使企业更愿意参与合作与分工,以产生规模经济和范围经济效应。

2.2 区域品牌与创新理论

区域品牌的建立会引导企业从恶性竞争进入良性竞争,这种秩序化的竞争会激励企业不断创新,以争取更大的市场份额。同时,这种区域品牌还有助于实现内部的多样化,并通过诞生企业、分工协作、分包或转包等形式,使知识、信息、技术、价值等元素由一个企业转移和扩散到另一个甚至更多个企业,及时适应瞬间变化的技术和市场环境[5]。

2.3 区域品牌与区域竞争优势

区域品牌效应的发挥能够提高内部企业的期望利润,在某种程度上会对H-O要素价格均等化定理产生“挤出效应”,而且还能吸引其他区域要素的流入。区域竞争优势的获得,关键在于产业的竞争优势,即要靠产业的集群发展。区域品牌就是集群升级的重要途径之一,是集群升级的助推器。区域品牌效应的发挥会使产业相关的众多企业由于受利益的驱使而向集群区域内聚集,同时资金、劳动力、技术、市场信息等企业需要的要素也会大量流入区域,这为产业集群的规模扩张与技术升级提供了有力的支撑[6]。

3 区域品牌与产业集群的关系

3.1 产业集群促进区域品牌形成、传播与维护

3.1.1 产业集群是区域品牌形成的原动力

区域品牌的形成是随着产业集群的产生、成长而逐步形成的。由于产业集群的凝聚和自我强化作用,经过一段时间的积累,区域范围内集中于特定产业生产过程的企业越来越多,分工越来越细化,生产规模越来越大。企业的集中、规模的扩大、分工的细化使区域内企业获得了广泛的规模经济效应与范围经济效应,区域内企业的成本得到普遍下降,区域内企业的产品可以利用其相关优势迅速占领市场。按照优胜劣汰的市场竞争规律,区域将成为某些产品主要的供应地,影响范围逐渐扩大,逐渐形成区域品牌。

3.1.2 产业集群是区域品牌传播的加速器

产业集群可以加速区域品牌的传播。在一个地区,产业集群内的企业可以通过建立集群的区域整体品牌,来营造市场优势[7]。据调查,大量企业形成集群后都会加大广告宣传的力度,即利用群体效应,形成集群整体品牌。因为集群整体品牌宣传与单个企业品牌宣传相比,具有更形象、更直接,更广泛、更持续的优势。

3.1.3 产业集群是区域品牌发展的助推器

当产品的卖方拥有比买方更多的信息时,正常的市场经济秩序就会被打乱,低质量的商品就会驱逐高质量的商品。而且,这类问题通过市场价格机制是无法改变的。要解决这种导致市场失灵或低效率的单个企业或个人的欺诈行为,就必须有效制造和传播“正的市场信息”。相比较而言,产业集群在规避以上负面问题,制造和传播“正的市场信息”方面有着极大的优势,能够有效维护区域品牌。[8]

3.2 区域品牌促进产业集群的发展

产业集群的发展为区域品牌的形成提供了物质基础,反之区域品牌也会促进产业集群的发展。区域品牌在一定地域范围内树立了区域产业的形象、确立了区域产业的地位,影响了外部市场对区域产业的认识。区域品牌一旦形成,其影响力将促使与区域产业相关的更多企业向区域内聚集,与此同时,相关的资金、劳动力、技术、市场信息等要素也会涌入区域,这些因素为产业集群的规模扩张与技术升级提供了强有力的支持。再者,由于区域品牌的公共属性,需要集群企业共同创造和维护,从而增强了企业之间的合作效应。

4 华昌光伏科技有限公司单晶硅太阳能电池片生产实证分析

4.1 锦州太阳能电池片生产情况

据统计,锦州太阳能电池及组件技术与产能与国内其他省市相比相对具有优势。华昌光伏、锦懋光伏、博阳光伏等原有专业生产太阳能电池及组件的企业,预计在2010年底可以达到200MW电池和350MW组件的产能。2011年晶硅电池光电转换效率有望达到20%以上,到2015年锦州光伏产业园区晶硅电池产能将达到2GW以上。然而总体上锦州电池片区域品牌的知名度并不高。经营者的品牌意识薄弱,区域品牌培育与建设显得滞后,一些品牌虽然在区域内有很高知名度,但由于市场内外因素的存在,应有的知名度与美誉度仍欠缺。

4.2 华昌光伏科技有限公司电池片生产情况

锦州华昌光伏科技有限公司成立于2006年10月,由锦州华新硅材料经营部、香港佑昌灯光器材有限公司、GRAND SEA INVESTMENT LIMITED、SEAQUEST VENTURES INC四家公司合资组建,是东北首家专业从事单晶硅太阳能电池片及组件产品的研发、生产、销售的中外合资企业。

2007年,已建成国际一流水平的电池片生产线4条,组件生产线2条,形成年产100MW电池片及50MW组件的生产能力。产品主要是单晶硅太阳能电池片,分为三类:HCPV-TDB156(图1)、HCPV-TDB3B156(图2)以及HCPV-TDB125W(图3),各自分为125mm X125mm规格和156mm X 156mm规格。

由上面的调查可以看出,锦州华昌光伏科技有限公司在太阳能电池片生产方面拥有一定的优势,但是由于是科技创新产品,仍然有诸多不足和存在的问题,比如品牌相对缺失、缺乏应有的知名度与美誉度、传统品牌有待升级、品牌带动能力不强且示范作用不足等多方面问题。

5 基于产业集群的锦州区域品牌建设的对策和途径

本文认为,区域品牌是该产业集群中众多品牌企业的象征和代表,区域品牌的形成和经营是一项专业性、技术性较强的系统工程,它的形成和打造要以产业集群为基础,必须需要集群内的企业群体和区域政府以及中介协会等主体共同推动。基于调查分析和实地考察与访谈,锦州市区域品牌建设必须从以下几个方面着手:

5.1 建立区域品牌建设的内生机制

以锦州华昌光伏科技有限公司为主导,实现锦州光伏产业集群内企业的联合与沟通。通过建立区域联合协会,实现集群内企业的联合,以促进业内形成竞争合作机制,扩大产业集群的影响力和知名度。

实现各级政府和企业之间的互动,由政府协助,通过不同形式提升名牌企业产品的知名度,以造就更多的名牌企业、名牌产品,来使以名牌企业为依托的产业集群的竞争力、知名度得到明显提高,进而打造一批依托于产业集群的产业名市。

5.2 增强区域创新能力

5.2.1 引导企业文化创新

加强产品研发和技术创新,提升锦州华昌光伏科技有限公司太阳能电池片的品质和品位,不断将品牌打入一线高档市场。突破产品同质化、品牌同质化、营销同质化的瓶颈和局限,实现文化导入和差异化设计,进一步提升锦州太阳能电池片的品牌魅力。

5.2.2 增加技术研发和人才资源投入

加大企业产品研发的资金投入,不断开发出具有自主知识产权的优势产品,通过技术入股等形式,增强技术创新动力;并加强科技人才队伍的建设,使科技人才能够得到足够市场化、制度化的激励。

5.3 营造区域品牌建设的外部环境

5.3.1 发挥政府的宏观引导和推动作用

政府部门要在宏观层面上理清思路和理顺机制,加强宏观引导和推动,完善有关机制,制定相应的政策措施:一是建立和完善品牌培育机制;二是建立品牌产品技术创新机制;三是建立品牌发展的质量保证体系;四是营造保护品牌的法治环境;五是建立品牌发展的政策保障体系;六是建立和完善品牌培育发展的中介服务体系、营造良好社会氛围。

5.3.2 发挥行业协会的指导和服务作用

行业协会要研究分析行业或区域品牌发展情况,帮助锦州华昌光伏科技有限公司等其他企业解决实际困难和问题,制定行业或区域品牌培育计划,交流品牌建设经验;组织开展相关宣传、培训和咨询等活动,搭建公共服务平台,加强与政府部门沟通联系。

5.3.3 发挥集群企业的主体性作用

企业是区域品牌形成的初蛹者和具体参与者,企业通过优化自身经营行为为企业品牌和区域品牌建设提供基本保障。产业集群内企业首先要通过集聚经济,从质量品质切入,规范企业内部管理,提升企业管理素质和整体形象,加快自主创新、生产优质产品,提高产品内涵质量和市场覆盖率,最终提高企业的综合竞争力;其次,要通过围绕市场机会和核心企业定制生产,坚持专业化生产方向,围绕核心进行经营;再次,创造性地整合本地资源,将特有的历史社会文化资源整合到产业集群的资源体系之中,真正形成企业集群自身的特色产业和品牌;第四,强化内部的相互协作,产生协同效应,从而为集群内的企业生存和发展提供了具有竞争力的外部环境。

5.3.4 完善服务支撑体系

加大对锦州华昌光伏科技有限公司这样的行业龙头企业的扶持力度,加快建立以企业为主体、市场为导向、产学研联合、政府推动扶持的行业或区域性技术创新服务体系,完善功能,为区域内特色行业的共性、关键技术攻关提供技术支撑。

5.4 开展区域营销

区域营销是指旨在塑造区域形象、提升区域品牌价值的系列公关活动的总称。如建立专业市场、举办博览会、展览会、组团出访、举行地方节日庆祝活动等,宣传企业集群整体形象,进而促进区域品牌的建立、维护和传播。通过树立和实施集群的“区位品牌”,一方面可以改变单个企业广告费用过大,而不愿积极参与和投入的状况;另一方面也可以使每个企业都从中受益。

本案例中,要引导锦州华昌光伏科技有限公司组织和开展塑造区域形象、提升区域品牌价值的系列公关活动,宣传锦州市光伏产业的整体形象,进而促进区域品牌的建立、维护和传播。同时还要创新营销传播手段,综合运用报纸、广播、电视、互联网等媒体进行广告或形象片宣传,举办各种项目推介会、招商洽谈会、商品交易会、产品博览会、展销会、产品节和新闻发布会、研讨会、论坛等活动重点宣传产品产地。

6 结语

我们相信,不久的将来锦州区域品牌建设将会做得越来越具规模。我国的太阳能电池片产业必须在规范市场、提高技术支持、加快产业链的发展、实现原材料和设备国产化等方面继续努力。相信辽宁太阳能电池片生产乃至中国太阳能电池片生产一定能走在世界前列。

参考文献

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[7]林善炜.产业集群视野下的福州区域品牌建设[J].产业与科技论坛,2009(8).

多晶硅太阳电池表面织构工艺优化 篇4

太阳电池的表面反射率是影响太阳电池光电转换效率的重要因素之一。在太阳电池表面织构化(即绒面)可以有效降低太阳电池的表面反射率。入射光在电池表面多次反射延长了光程,增加了对光子的吸收。目前常用的制绒工艺有机械刻槽、激光刻槽、等离子刻蚀 (RIE)和各向同性腐蚀,其中各向同性腐蚀法因成本低且适宜于进行大规模生产,已成为当前的主流多晶硅表面绒面技术[1,2,3,4]。

表面绒面的目的是为了减少光反射,有效增加光的利用率。多晶硅表面绒面关系到其光学性能的优劣,对后续太阳电池转换效率的提高有着重要的影响,是一项非常重要的基础性工作。由于工艺中各参数间的复杂耦合关系,使最佳工艺参数呈现出离散、高维数、多约束的特点,即多晶硅绒面质量与工艺参数间的关系是一个多峰的空间曲面,在此曲面上求解相应于最佳制绒工艺的极值点,这本身是一项难度很大的工作。传统方法主要根据经验和试制效果对比来确定参数,费时费力且结果具有很大的不确定性。为此从理论上展开寻找最佳工艺参数的研究是很有意义的。

1 工艺参数寻优方法研究

工艺参数寻优的研究本质上是最佳极值点的求取。现代数学可提供的方法不少,如传统爬山法中的梯度法和Hessian法,它们均从一个初始点开始,通过对最速下降方向的分析,从当前点开始不断地向极优点移动,但由于制绒工艺参数与最终效果之间是非连续、非处处可微及多峰的函数关系,所以无法使用基于微分的极值求取方法。枚举法(包括动态规划法、隐枚举法和完全枚举法)由于要遍历整个解空间,在实际工作中也不可能做到。启发式搜索是一类针对复杂优化问题的有效方法,具有独特的求解模式和不断优化个体的运行方式,包括模拟退火算法(SAA)和遗传算法等,它们并不需要对问题本身有精确的了解,只要能明确搜索方向,就能从初始状态逐渐向最优状态迁移,工作过程有天然并行性。

BP神经网络是常用的一种人工神经网络,广泛应用于模式识别、故障诊断和函数逼近等领域[5,6,7]。在深入研究BP神经网络与GA的基础上,提出以下硅片表面酸腐蚀制绒工艺参数求解方案:化学制备中应用了3种试剂,且以腐蚀速度和太阳光反射率为评价标准,在各试剂可能的取值范围内利用正交试验设计法来充分了解各因素的不同水平对制备结果的影响,必要时对重点区域再增加若干组试验,以充分揭示输入和输出之间的细节关系;利用BP非线性映射功能实现化学腐蚀参数到太阳电池绒面效果的非线性映射,最后通过GA 进行工艺参数的全局自动寻优。

正交试验设计是研究多因素多水平的一种主要试验设计方法。它根据正交特性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验,由于这些点具备了“均匀分散,齐整可比”的特点,因而可以用来进一步分析各因素在不同水平时的作用效果,是一种高效、经济的试验设计方法。

在正交试验的基础上, 利用多层神经元的BP神经网络,通过恰当的传递函数和阈值完成从输入参数到性能指标的拟合,即利用神经网络的非线性映射功能实现现实试验的虚拟。为了达到这一目的,首先要保证样本数据的全面性和完整性;BP网络是目前应用最多的一种网络,已经广泛应用于机械、电气、金融等众多领域[5,6,7]。设计时要综合比较不同的网络结构、传递函数的效果,通过有效的方法对网络进行优化。

GA设计是工作的重点。选择、交叉和变异是它的3大运算方法,模式定理和积木块假设虽然从理论上证明了GA具有全局寻优的能力[8],但参数不当容易导致早熟和欺骗问题,为此在具体操作过程中必须采取适当措施,如比较不同的变异系数、利用不同的交叉方法和子代生成方式等,以达到既有较快的全局收敛速度,又能防止收敛于局部极值点。

2 试验设计和分析

2.1 试验材料及制备方法

试验所用的硅片为江西赛维LDK公司生产的硼掺杂P型多晶硅片,硅片面积为3cm×3cm,电阻率为0.5~3.0Ω/cm, 厚度为220μm 左右,腐蚀液为HF(40%)(均为质量分数,下同),混合溶液为HNO3(70%),缓和剂为NaH2PO4·2H2O溶液。

硅片在不同配方的HF(40%)和HNO3(70%)混合溶液中进行腐蚀,为了控制反应速度,采用NaH2PO4·2H2O溶液进行稀释。反应在室温下进行,反应结束后立即用去离子水冲洗硅片,再在碱液中清洗,然后用去离子水冲洗,最后在N2气氛中烘干。采用扫描电镜(SEM) 分析表面织构的形貌,利用紫外分光光度计检测其反射率。

2.2 正交试验方案及结果

对于采用各向同性腐蚀法制备的多晶硅太阳电池绒面,影响绒面形貌和反射率的因素有很多,如腐蚀液和缓和剂的配方、反应时间、腐蚀速度和反应温度等。为了适应工业大规模生产,通常要求控制反应速度约为2μm/min,反应时间约为2min,蚀刻深度为4~5μm,从而使电池的性能达到最优;另外,还需要通过温度控制系统维持反应温度恒定不变,以保证硅片绒面质量的稳定性。因此在本正交试验设计方案中重点考察了不同配方的HF腐蚀液、HNO3混合溶液和NaH2PO4·2H2O稀释液对多晶硅表面形貌和反射率的影响。为了避免V(HF)∶V(HNO3)有重复比例,选择3种不同试验的因素比例,设计3因素3水平正交试验,其中9组试验参数的制绒效果数据如表1所示。

图1中原始多晶硅片的表面反射率约为35%,经腐蚀后,适当控制HF与HNO3之间的比例,硅片绒面的反射率都有所降低,最低只有16%左右,表明采用各向同性腐蚀法确实能降低多晶硅表面的反射率。从表1还可以看出,试样1#的腐蚀速度最高,其反射率也明显偏高,为32%;在富HNO3条件下,硅片表面接近于镜面,反射率较高,约为38%。由此可见,不同参数的制备效果相差明显。

2.3 BP神经网络的生成

利用试验数据构建了以下的3层BP神经网络:3个输入分别为混合溶液HNO3、腐蚀液HF、缓和剂NaH2PO4·2H2O,2个输出为腐蚀速度和反射率,隐含层有15个神经元,它们的传递函数为tansig,输出层神经元传递函数为purline,利用动态函数tansigtrainlm训练网络,学习函数为learndm,性能函数为mse,均方差最大允许误差为0.0001。训练前首先将所有输入输出进行线性归一化,归一化范围为0.1~1.0,由于对训练数据进行了归一化处理,使网络的拟合性能得到了明显提高,训练好的神经网络预测均方误差为0.00002,如图2所示。

2.4 GA全局寻优方法

为了使GA能够主动完成全局寻优的任务,需要确定其基因的编码方式(如整型、实型或二进制)和适应度函数,只有解决了这些问题,才能通过选择、交叉和变异等遗传操作推动种群向期望的目标迁移。

(1)编码方式

采用实数形式的编码,具体做法是将混合溶液、腐蚀液、缓和剂依次排列构成一个染色体,则染色体的表达形式为 [b1 b2 b3],其中每个参数称为基因,各基因都有上限bhig和下限blow,以此作为约束条件,通过随机生成函数可得到符合要求的基因初始值:

bi=blow+(bhig-blow)*rand(0,1)

每一个染色体就是种群中的一个个体,代表一组可能的配方组合,从而将最佳配比的求解转变为最佳个体的选择。

(2)适应度函数

适应度函数值是进行染色体取舍的依据[8]。选用误差平方和作为性能指标函数,该值越小说明个体越优,进入下一代的可能性越大。在大量试验的基础上,确定以下期望制备值:腐蚀速度F0=2.0μm/min、反射率B0=16%。为了保证寻优后的参数结果位于实际变化范围内,在适应度函数中还引入了罚函数P,当所选参数值不理想时,通过P值对适应度函数的终值进行调整。

(3)遗传操作

GA能实现启发式搜索的原因在于它可以连续地按规则进行个体的选择、交叉和变异操作,通过这些操作可以由父辈产生子辈,这也正是GA能不断进化的原因和动力[9,10],这3种方法得到的后代分别为优良子辈、交叉子辈和变异子辈。试验中选择的种群大小为200,迭代次数为500,交叉概率取0.7391,变异率为0.01, 每代中最优2个个体直接进入下一代,其余按轮盘赌方式进行选择,在进化终止条件满足后分析所得结果,图3为GA搜索过程中适应度函数的变化。由图3可见,刚开始时各个体的适应度函数值相差很大,但在进化后期则迅速地趋同,说明此时可以、也应该停止进化操作。

表2为一部分进化后的参数数值。从表2可以看出, 经过500代的进化,种群从初始的随机状态开始,按照适应度函数的指引,经过选择、变异、交叉等操作,各染色体中的基因明显得到了优化,最后出现了大量的相同个体,说明种群进化过程基本完成。

研究表明,在本试验条件下,获得的最佳混合液配方参数为V(HF)∶V(HNO3)∶V(NaH2PO4·2H2O)=9∶1∶7。在该工艺条件下制备的硅片绒面腐蚀坑较均匀,反射率约为17%,腐蚀速度约为2μm/min,适合大规模生产。

3 结论

在多晶硅太阳电池制备工艺中,获得最佳多晶硅表面绒面工艺参数是一个较难解决的问题,需要投入大量的人力和物力。

采用其中的GA-BP算法,巧妙合理地将神经网络的误差函数与适应度函数结合起来,构建了优化目标函数,同时优化BP神经网络的拓扑结构、权值和阈值,并研究了一套先进的编码技术和进化策略,获得了良好的优化解。试验进一步验证了将结合ANN的GA用于求取酸腐蚀绒面工艺是可行的。

本研究将神经网络与遗传算法相结合的优化方法运用于太阳电池领域是一次新的尝试,并取得了满意的效果。

参考文献

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一种多晶硅应变片的设计与应用 篇5

在工程中，有时需要对设备的特定部位进行高温应变的测量。焊缝的牢固程度直接关系到设备的正常使用及生命财产安全，在锅炉实际运行中，焊缝所承受的应变是了解设备状态的一个重要数据，我们对此进行了研究。应变的测量一般采用金属箔式应变计、体型硅应变计、单晶硅应变计。金属箔式应变片的基底材料常为有机薄膜，单晶硅应变片采用PN结隔离，因此难以耐受7锅炉容器的200℃以上的工作温度；体型硅应变计往往体积偏大，难以用在不太平整的焊缝上，因此我们研制了多晶硅应变计。

1 多晶硅应变计

1.1 多晶硅薄膜的应变效应多晶硅的应变原理如图1所示[1]：

无应变时：R=RC+RG

加应变时：R'=RC'+RG'；RC'=RC+△RC;RG'≈RG;R'=RC+RG+△R

式中：RC-晶粒电阻值；RG-晶界电阻值。

应变率：

式中：R，△R-电阻值及电阻变化值；ε-应变。

多晶体是由微小的晶粒聚合而成，其晶粒排布杂乱无序，可先按晶向和应变方向计算出多晶体的应变率（GF），然后再求平均值，并以平均值作为多晶体的应变率。此时的应变率与晶粒大小有关，一般说来，晶粒越大应变率也越大。图2所示为与晶粒相对应的应变率（计算值）。实测值小于理论值，这是因为受晶粒间接影响的缘故。

1.2 多晶硅应变计的设计

将多晶硅应变片设计为全桥应变片[2]，其中两个多晶硅电阻受拉应力时，另外两个多晶硅电阻则受压应力。如图3所示。

图3中共有11个引出电极，在实际应用时可以用来调节零位输出及做温度补偿电阻使用，通常用法是由1、2、3、4压点引出组成全桥。

2 多晶硅应变片的制作工艺（如图4)

其中，制做多晶硅应变片与制作常规的多晶硅压力传感器的主要不同点在于：制作正面图形时需刻出相应的V型分离槽，制做完正面图形后将正面粘贴到基片上，利用各向同性腐蚀液（腐蚀液配比比例：硝酸：氢氟酸：冰乙酸=5:1:0.1，体积比）进行化学减薄，减薄到V型槽的下边缘停止腐蚀，从而完成多晶硅应变片的制作。

另外，多晶硅薄膜的掺杂浓度对其灵敏度系数及温度系数有较大的影响。在实际应用中必须综合考虑，确定合适的掺杂浓度。

3 粘接剂的选择及应变片的标定

常规的应变胶不耐高温，高温应变胶需要加温、加压固化，因此我们选择了一般不用作应变胶的502胶、504胶、704胶来做特殊的应用研究。并对所做多晶硅应变片分别用502胶、504胶、704胶粘贴再等强度梁上测试，在室温条件下对应变系数测了得结果分别为：502胶：G=22.8;504胶：G=21.2;704胶：G=15.6。从测得的应变系数G值看，使用502胶、504胶、704胶进行粘贴均可。但对大型电力设备中的锅炉焊缝应力的测量，温度达200℃以上，安装时需仰视，不能加压加温固化，对于这种苛刻的安装条件，由于502胶、504胶在高温下的性能不如704胶，因此在实际应用中使用704胶进行粘接。取一只上述全桥应变片，采用2VDc电压供电，其测试结果如下表1:

从上述测试数据可以看出，随着温度的升高，输出灵敏度逐渐降低，在200℃以上变化并不明显。

4 实际应用及结论

在不同的温度和应变条件下，测出全桥多晶硅应变片的输出。在实际使用时在应变片附近位置装上铂膜热敏电阻，根据铂膜电阻阻值测出现场温度；根据多晶硅应变片的输出值推算出应变值。该种应变片在大型发电厂的锅炉焊缝高温应变的测试中得到应用，取得了较为满意的测试效果。

摘要：本文介绍了一种适用于特殊环境进行高温测量的多晶硅应变片以及粘贴方法,并进行了性能测试。该种应变片已用于检测电站锅炉焊缝的牢固程度,效果较为理想。

关键词：多晶硅,应变片,粘接

参考文献

[1][美]格雷戈里T.A.科瓦奇.微传感器与微执行器[Z].张文栋等,译.2003,3.

太阳能级多晶硅生产工艺 篇6

随着全球范围内传统能源的枯竭以及石油价格不断攀升,太阳能作为环境友好能源受到全世界的广泛关注。尤其是如何生产高效率、低费用的太阳能电池成为科学家的研究重点。多晶硅是作为光伏转换器最好的材料之一,在未来50多年的时间内,还不可能有其他材料能替代硅成为电子和光伏产业的主要材料[1]。在太阳能电池组件中,作为原材料之一的高纯多晶硅占总费用的20%[2,3]。因此,在不影响转化效率的前提下,降低多晶硅的费用是降低太阳能电池费用的主要方法。降低多晶硅费用的方法有:(1)研发低成本半导体级多晶硅的生产工艺或在已有工艺的基础上降低生产成本。(2)生产低纯度、低成本但是能满足太阳能电池生产需要的多晶硅,也称为太阳能级多晶硅。1975年至今,世界各地的科学家在降低半导体级硅生产成本以及生产低成本太阳能级多晶硅方面做出了巨大的努力。

1 挥发性硅化合物的还原或热分解法

挥发性硅化合物的还原或热分解法生产多晶硅是以冶金级硅为原料,基于气相纯化的一种工艺方法[4]。表1列举了通过挥发性硅化合物的还原或热分解生产高纯硅的几种主要生产方法[5]。

1.1 三氯氢硅氢还原法

三氯氢硅氢还原法是由西门子公司研发的,故又称为西门子法。该方法开始于20世纪50年代,经过数十年的应用和发展被不断完善,先后出现了第一代、第二代、第三代生产工艺,而第三代西门子法生产工艺被称为“改良的西门子法”[6]。改良的西门子法实现了完全闭路生产,是目前国际主流厂商生产多晶硅的主要工艺[7,8]。世界上有7家大公司使用该方法生产多晶硅,产量占当今世界总量的70%~80%[6,9,10]。

该方法第一步是通过冶金级硅和干燥的HCl反应生成中间产物SiHCl3。化学反应方程式为:

Si+3HCl → SiHCl3+H2 (1)

然后对产物进行化学提纯,得到高纯三氯氢硅,杂质总量降低到10-7~10-9数量级[11]。

第二步用氢还原高纯的三氯氢硅,所用氢必须提纯,以免污染产品。在生产多晶硅时,要以高纯硅棒作为载体,并加热到1100℃。化学反应方程式为:

SiHCl3+H2 → Si+3HCl (2)

生产实践证明,三氯氢硅比较安全,方便运输、储存,且该方法工艺成熟,经验丰富,产品质量高。同时改良的西门子法还实现了H2、SiHCl3、SiCl4和HCl的循环利用,完善的回收系统又可保证物料的充分利用。生产流程图见图1。

为了提高SiHCl3的一次转化率和沉积速率以便能更有效地降低生产成本,世界各大多晶硅厂商都在现有成熟固定床技术的基础上,用流态化技术改造传统的西门子法反应器。流化床反应器很大程度上增加了反应面积,使得反应速率明显提高,从而降低硅生产能耗和成本。该方法生产的多晶硅是粒状,不能直接提供区熔使用,但可以作为连续直拉硅的原料,目前产品产量和纯度比钟罩型还原炉技术低,但是完全可以满足太阳能级硅的要求。

西门子法的派生技术——气液沉积法,也引起了广泛关注。该方法的优点主要有:(1)采用石墨管状炉可将反应温度提高到Si熔点以上,不但有效地提高了SiHCl3的还原率,在很大程度上也提高了Si的沉积速率,约为经典西门子工艺的10倍。(2)在生产过程中,硅以液态出现,解决了流化床技术中出现的粉尘问题,还可实现连续操作。但是该方法所得产品中碳和重金属的含量较高,碳原子含量为0.01%,重金属原子含量约为0.00001%,用该产品制备的太阳能电池的效率为15.6%[6]。如果辅以除碳工艺,该方法可以大大降低太阳能级多晶硅的生产成本。尽管如此,西门子法生产成本高、投资大、工艺流程长、三氯氢硅还原率低、技术操作难度大等缺点依然存在。

1.2 硅烷法

硅烷法是以硅烷为提纯的中间产物,经过热分解制取多晶硅的方法。该方法的主要步骤是制备中间产物硅烷,主要制备方法有:(1)硅化镁法。使Mg2Si与NH4Cl在液氨中反应生成硅烷。这种方法原料耗量大、成本高、危险性大。(2)以SiF4与NaAlH4为原料制备硅烷,该方法由美国MEMC公司采用。(3)歧化法。歧化法是目前制备硅烷的主要方法。该方法是以冶金级硅为原料,通过生成中间产物SiHCl3而制取硅烷,其副产物SiCl4和H2都可以循环使用,分为3步。

(1)SiCl4、H2与冶金级硅混合反应合成SiHCl3,该反应在500℃、30MPa条件下进行。反应方程式为:

3SiCl4+2H2+Si→4SiHCl3 (3)

(2)SiHCl3歧化生成SiH2Cl2和SiCl4,经过精馏得到高纯SiH2Cl2,SiH2Cl2再进行催化歧化反应,并经过精馏提纯得到高纯SiH4。该反应在60℃、0.3MPa条件下进行。反应方程式为:

2SiHCl3→SiH2Cl2+SiCl4 (4)

2SiH2Cl2→SiH4+SiCl4 (5)

(3)SiH4在800~1000℃条件下热分解得到高纯硅。反应方程式为:

SiH4 → Si + H2 (6)

由于该生产过程的反应温度很低,因此多晶硅的生产成本明显降低。以每年1000t的生产规模为例,据估计1kg多晶硅成本仅为20美元,但是还没有在实际生产中得以证明。尽管如此,在今后的研究中,硅烷法的生产工艺一定会得到改进,并将设计一套基于硅烷法的低成本生产设备[12]。该方法与西门子法比较,具有硅烷易提纯、含硅量高、分解速率快、分解率高、分解温度低、能耗低、硅产品纯度高、转化率高、副产物少等优点,但是也有突出的缺点:硅烷易燃、易爆、安全性差且粉尘多[13]。为了降低成本,硅烷的热分解过程也引入了流化床技术。该方法的优点有:(1)由于流化床分解炉无需大量的冷却水降温,能耗降低。(2)可以提高硅烷的分解速率和硅的沉积速率。缺点是制备的多晶硅纯度没有固定床分解炉高,但是完全可以满足太阳能级硅的质量要求。

1.3 氯硅烷还原法

用金属或化合物(如NH3或CH4)还原氯硅烷生产太阳能级多晶硅,Hunt列举了用此方法生产多晶硅的可能性反应[4]。但是,到目前为止,能够大量商业生产的研究主要是Na和Zn还原氯硅烷生产多晶硅。

1.3.1 Na还原法

Na还原法是分别将SiCl4和Na汽化后送入石墨反应器,SiCl4与Na直接反应生成多晶硅。反应方程式为:

SiCl4 + 4Na → Si + 4NaCl (7)

该反应的副产物NaCl为气态而Si为液态,因此,在反应器中它们以两相存在。从反应器中出来后,用一个温度保持在1425℃的坩埚收集。此时,NaCl作为气体收集,而液体硅在坩埚中收集,在1425℃条件下的收集效率可达到60%~80%。该方法生产的硅的主要杂质是Na((300~600)×10-6)和B(<25×10-6),其他的杂质含量都在5×10-6以下[14]。该方法要保证原料以及收集坩埚的纯度,它们的纯度越高,所得多晶硅的纯度就越高。

与该方法相似,用Na还原SiF4也可制取低成本的多晶硅。SiF4可以由磷肥厂的副产物H2SiF6制取。将NaF加入H2SiF6反应可制得99%纯度的Na2SiF6。反应方程式为:

H2SiF6 + NaF → 2HF + Na2SiF6 (8)

高纯Na2SiF6干燥后,在700℃下热分解得到SiF4。反应方程式为:

Na2SiF6 → 2NaF + SiF4 (9)

将Na碎粒送入装满SiF4气体的反应器中,反应器要预热到400℃,在1.01×105Pa下SiF4与Na反应生成Si。反应方程式为:

SiF4 + 4Na → Si + 4NaF (10)

反应产物Si和NaF以及少量的Na2SiF6移到石墨坩埚中,加热到1420℃以上,此时熔融的硅粒集中在下层,而NaF则聚集在上层,冷却后形成明显的2层,从而达到完全分离。Si也能用酸浸的方法分离出来。用此方法制备的硅主要杂质有:Na (1×10-6)、Cr(3×10-6)、Fe (< 7×10-6)、Ni (2×10-6)、Cu (4×10-6)、B (0.1×10-6)、P (0.2×10-6),其他杂质的含量都小于0.5×10-6 [15]。

1.3.2 Zn还原法

由于锌比氢的化学活性强,Zn-Cl键的亲和力比H-Cl键亲和力更强,早在20世纪50年代就有人用过此方法,但是该方法制备的多晶硅纯度达不到电子级,因此被西门子法取代。近来随着太阳能电池的发展,美国的Battelle Clumbus研究所[16]重新对此方法进行了研究。该方法包括3个基本步骤:(1)在含有硅种子颗粒的流化床内进行SiCl4的锌还原反应。(2)ZnCl2的熔盐电解得到Zn和Cl2,从而实现循环利用。(3)通入熔盐电解的产品Cl2,并加入原料SiO2、C和SiC或冶金级硅,合成得到SiCl4。实验设备由一个直径为50mm的石英流化床反应器构成,该反应器带有一对完整的Zn加热器,把Zn加热为气体,并带有热电偶,从而控制温度。原料SiCl4在一个单独的容器中瞬间汽化,然后从流化床的底部预加热后,进入流化床。反应的副产物通过一个石墨衬底的无压钢冷凝器,该冷凝器带有吸气机和未反应SiCl4的二次冷凝装置。在流化床中,以大约250μm的硅颗粒作为种子,将Zn粉碎并加热到900~1027℃,这时Zn为气态,在927℃条件下与SiCl4反应得到Si。反应方程式为:

2Zn(g) + SiCl4(g) → Si(s) + 2ZnCl2(g,l) (11)

用此方法制备的硅中杂质B的含量为0.02×10-6,主要杂质是Zn (3000×10-6)、Fe(5×10-6)、Ni (25×10-6)和Cu (4×10-6)[17]。由于锌挥发性高,在制作过程中可挥发掉,对制备太阳能电池没有影响。该方法具有流程短、设备少、投资少、操作简便、锌的化学活性强、沉积速度快、电耗低、生产周期短等优点。不足的是制取的硅纯度较低,不能达到电子级,但能达到太阳能级,因此该方法可制备低成本太阳能级多晶硅。周鸿军等[18,19]对锌还原法的产业化应用进行了研究分析,并报道了进展情况。日本SST公司对锌还原法进行了开发和技术深化,可以制备纯度达到6N(99.9999%)以上的多晶硅[20]。目前,日本智索、新日矿控股、东邦钛3家公司从2007年开始共同对其独特的锌还原法(JSS)制造太阳能电池用多晶硅技术进行产业化研究,可生产8~9N(99.999999%~99.9999999%)级多晶硅[21]。锌还原法已经发展成为一种生产低成本太阳能级多晶硅的工艺,生产工艺见图2[22]。

西门子法的主要副产物是SiCl4,如果将此方法用于处理西门子法的副产物,是一种不错的选择。西门子法主要生产半导体级多晶硅,而锌还原法生产太阳能级多晶硅,既能满足当前太阳能级多晶硅日益增长的需求,又减少了西门子法的生产成本,并能实现整个生产的闭路循环。

1.3.3 等离子氢还原法

等离子氢还原法是在一个30kW的等离子体反应器上进行,H2作为放电气体产生等离子,同时也作为SiCl4的还原剂,再将SiCl4直接通入反应器。在反应器中,氢气被等离子体化后解离为化学活性的原子态,原子氢再与SiCl4反应生成多晶硅。该方法一次转化率超过70%,纯度达到7N,生产成本低、能耗小,并且该方法为多晶硅生产原料的选择放宽了条件,产品纯度达到太阳能级,为低成本太阳能级多晶硅生产提供了一条新途径[23]。

2 冶金级硅精炼法

冶金级硅精炼法是以冶金级硅(98.5%~99.5%)为原料,经过冶金提纯得到纯度在99.999%以上用于生产太阳能电池的多晶硅原料的方法[24]。冶金级硅的主要杂质是Fe、Al、Ca、Ti、B和P[25],然而含量会随着地域的不同而改变。该生产过程主要有湿法精炼、火法精炼和定向凝固等步骤。

2.1 湿法精炼

湿法精炼常作为冶金级硅精炼法的第一步,将冶金级硅粉碎至20~40μm,再加入各种酸进行浸出。为了优化这个精炼过程,按不同的顺序加入酸(HCl、HF、H2SO4和王水),并控制不同操作条件(温度、浓度和时间)进行实验[26,27,28]。总的来说,通过酸浸能降低1~2个数量级的杂质[26]。通过这个过程,能除去Fe、Al、Ca等金属杂质,然而不能有效地去除B、P、C杂质。

2.2 火法精炼

火法精炼是将由惰性气体稀释后的活性气体(氯气、氧气或它们的混合物)通入熔融硅中,溶解在硅中的杂质与活性气体反应生成挥发性的气体或形成渣而去除[29]。Al、Mg、Mn和B很容易与氯气反应生成挥发性的氯化物(1400℃以上),Al、B、Mg、Ti、P、Ca和C与氧气反应生成相应的氧化物,CO2很容易被气体带走,除B和P外的其它杂质的氧化物进入渣中,B和P的氧化物很难除去。然而湿氢气作为活性气体时,能与B形成硼化氢而有效地去除杂质B。CO2作为活性气体时,能有效地去除P和C。总的来说,火法精炼能降低1个数量级的杂质,重要的是能降低主要杂质B、P和C的含量。科研人员已经对火法精炼做了大量的研究,通过设计不同的步骤和设备有效地去除杂质。如在真空炉中通过电子束的作用,硅中的磷含量能彻底地去除;液态硅在槽中精炼可以使碳含量由100×10-6降低到5×10-6,硼含量从14×10-6降低到(0.1~0.3)×10-6,磷含量从26×10-6降低到0.05×10-6[30]等。

2.3 定向凝固

定向凝固通常是作为冶金级硅精炼法的最后一步,是确保制备的多晶硅达到太阳能级的主要步骤,在冶金级硅精炼过程中起着至关重要的作用。由于在硅中,除B和P外气体杂质的偏析系数都很小,因此用此方法能有效地除去其他杂质,但是只能微弱地去除B和P。

由上述3种方法可知,单独的任何一种方法都不能制备太阳能级多晶硅。因此需要对冶金级硅精炼的各种方法按照最优化的方式组合在一起。如进行综合处理后的多晶硅的杂质含量如下:B、P、Fe、Al的含量都低于0.1×10-6;C的含量低于5×10-6 [30]。总的来说,冶金级硅精炼法不能有效地去除B和P,因此在选料时如果选用B和P含量少的冶金级硅,能制备纯度很高的多晶硅。

3 展望

多晶硅太阳能电池片 篇7

一、太阳能级多晶硅企业工艺介绍

目前,全球太阳能多晶硅企业以改良西门子法生产工艺为主,其生产过程为,以金属硅粉、氯气、氢气为原料,经过氯化氢合成、三氯氢硅合成、合成气干法回收、精馏提纯、氢化、还原等过程,包括后续物料处理过程、循环水、脱盐水、锅炉等公用工程,配电等辅助生产过程。

多晶硅生产中的原辅材料、中间产品如氢气、氯气、三氯氢硅、四氯化硅等都是有毒有害、易燃易爆气体,生产过程存在高温高压,因此属于危险化学品生产企业,是安全监管中的高危行业。

二、太阳能级多晶硅企业的生产管理

太阳能级多晶硅企业是危险化学品生产企业、流程型生产企业,必须保证安全生产和生产过程运行的连续性。一旦出现安全事故不仅危及职工健康、生命、污染环境等,而且也会造成停车、财产损失和生产线的瘫痪;同时因为是流程型生产企业,要保证连续供料,保证每台设备都稳定运行,因为任何一个环节发生问题都会引起整个生产线的瘫痪、影响产品质量等。而出现一次系统停车,对多晶硅企业就会影响生产七天左右,损失很大,因此多晶硅企业生产运作过程管理十分重要。

1. 生产安全的保证

为了保证生产的安全,根据多晶硅企业的生产工艺特点,应该从以下几点做好:

科学规划,合理布局,确保建构筑物安全。根据主辅装置的功能、危险程度,严格按照国家规定的相关防火间距,控制危害范围,减少相互影响。建构筑物的火灾危险性、耐火等级、层数、建筑面积、防火分区、防爆泄压设施、通风设施、安全疏散通道等等应严格按国家规定执行。

提高生产过程自动化水平,配备自动检测、报警控制系统。通过采购DCS或PLC控制系统,设置可靠的检测、控制仪器、仪表,自动检测控制流量、压力、温度、液位等工艺参数,实时检测危险物品的泄漏报警装置。并配备自动报警、自动紧急(连锁)停车系统,实现生产控制的自动化,不仅减轻职工劳动强度也减少人为误操作的事故发生。

配备完善的应急装置、消防系统。自动控制离不开仪表空气、电的供应,因此必须有可靠的应急电源、仪表系统的UPS电源、仪表执行必须仪表空气的储备,保证重要设备、仪控系统的正常运行。易燃易爆物料的保护离不开氮气,因此必须在动力电停止后有足够的氮气或液态氮(备用气化装置)储存。危险装置配备有应急装置如液氯系统备用氯气泄漏的无害吸收系统,保证出现事故时没有或尽可能少的物料外泄。

保证个体防护用品和应急救援器材的配备,以保证职工正常工作时的防护和出现事故、泄漏时救援使用。

严格安全管理。按照《企业安全生产标准化基本规范》来管理企业的安全生产工作。

2. 生产的稳定运行

改良西门子法太阳能级多晶硅生产是流程型企业,各工序联系紧密,自动化水平高,大型设备多,并且是危险化学品生产企业,稳定生产是保持成本降低的有力保障。

首先,大力推行6S管理,加强现场管理。如修养(SHITSYKE),每位成员都养成良好的习惯,并遵守规则做事,防患于未然。目的,培养有好习惯、遵守规则的员工,营造团队精神。深刻理解其意义,包括职工在生产中的规范操作,遵守操作规程、安全规程等,避免因操作造成事故、停车等。

全面落实ISO9001质量管理体系,确保质量的控制良好。多晶硅产品本身是高纯度的硅,其纯度是质量的保证,而生产中能够影响质量的因素很多,通过全面贯彻ISO9001质管管理体系,在原辅材料投入使用前、中间产品过程、产品出厂前分别设置检验程序,保证产品的优良。

设备的维护和改造。设备是生产的重要设施,设备稳定运行是生产稳定的前提,因此在设备维护上根据其性能、特性,按照日常维护、小修、大修进行管理,及时发现设备存在的问题或隐患并得到修复,通过定期的大修检查起到预防设备事故的作用。

3. 成本的有效控制

根据不同区域电、煤价格,以平均消耗量和国内电、煤平均价格计算,能源消耗费用在多晶硅产品售价中比重超过50%以上,有的区域(企业)甚至达到80%。根据不同企业技术、装备、管理水平等,生产每吨多晶硅能源消耗折标煤目前在10~16吨左右不等,采用直供电、利用电厂乏汽、坑口电厂附近建厂的方式,可以节约工厂蒸汽的设备系统投资和蒸汽消耗的费用,同时改生产过程能源消耗的长距离运输(送)为产品运输降低企业运输成本,使产品成本更低。因此选择合适的地域建厂、采用先进技术和良好的生产管理,使单位产品能耗处于较低水平是决定多晶硅企业成本的关键。

三、结束语

进入21世纪,企业所处的市场环境竞争日益激烈,必须采用新的高效的管理模式,通过不断改进企业的经营战略、生产战略,来不断适应市场的变化,赢得用户对产品性能、特性、价格等各方面的需求变化,才能使企业在市场长久的站稳脚跟。

摘要：太阳能光伏发电是利用自然界取之不竭的太阳能光源发电的技术,因此太阳能被誉为绿色能源。太阳能级多晶硅企业产品单一,其属于工业产品,多晶硅生产能源消耗高,因此要使企业立于市场的不败之地,企业要选择新产品时确定好产品战略—多晶硅企业是成本领先型。加强生产管理杜绝安全环保事故的发生,安全、环保不仅是企业的效益更是企业的社会责任。

关键词：太阳能,多晶硅企业,生产管理

参考文献