模塊一　晶體硅太陽電池工藝基礎(chǔ)

1.1晶體硅太陽電池技術(shù)現(xiàn)狀

1.1.1光伏產(chǎn)業(yè)鏈

太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈主要包含主原料鏈、輔料鏈、裝備鏈和產(chǎn)業(yè)服務(wù)鏈。

（1）主原料鏈

主原料鏈指的是從太陽電池原材料生產(chǎn)、電池片生產(chǎn)、光伏組件生產(chǎn)到光伏系統(tǒng)應(yīng)用，整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)從生產(chǎn)到應(yīng)用如圖1-1所示。

圖1-1太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的主原料鏈

根據(jù)太陽電池的工藝環(huán)節(jié)、種類和特點的不同，可以把主原料鏈分解為三個部分：晶體硅太陽電池相關(guān)光伏產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)；薄膜硅太陽電池相關(guān)光伏產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)；化合物薄膜太陽電池相關(guān)光伏產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)。

①晶體硅太陽電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)晶體硅光伏產(chǎn)業(yè)鏈包括硅料、硅片、太陽電池、光伏組件、系統(tǒng)及應(yīng)用5個環(huán)節(jié)。上游為硅料、硅片環(huán)節(jié)；中游為電池、組件環(huán)節(jié)；下游為系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)節(jié)。圖1-2給出了晶體硅太陽電池從原材料生產(chǎn)到最終應(yīng)用發(fā)電涉及的主要產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)。

圖1-2晶體硅太陽電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)

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硅料的生產(chǎn)主要為將硅礦石提純處理成高純硅料，硅料進一步提純?yōu)槎嗑Ч韬蛦尉Ч?，到制成硅片的過程。

對于從金屬硅到多晶硅的提純，分為兩個主流路線：一個是化學(xué)法，也就是目前主要應(yīng)用的西門子法，它是將金屬硅先轉(zhuǎn)變?yōu)槿葰涔瑁缓笤龠M行分餾和精餾提純，得到高純度的三氯氫硅后再還原而成；另外一個方法是物理法，目前統(tǒng)稱為冶金法，它直接對金屬硅通過一些手段將雜質(zhì)取出，因為硅在整個提純過程中未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而得名。化學(xué)法的純度較高，但能耗和成本也較高，污染處理成本較大。冶金法電耗低，成本低，無污染，但目前的純度比西門子法略低一些。

多晶硅料可以鑄造成多晶硅錠，線切割成多晶硅片，然后制作成多晶硅太陽電池，即為多晶硅電池的技術(shù)路線。將多晶硅錠拉晶處理成單晶硅棒，再切割成單晶硅片，制作成單晶硅太陽電池，即為單晶硅電池的技術(shù)路線。

晶體硅太陽電池片制得后，需要進行組件封裝。組件封裝過程需要白玻璃、EVA、背板等許多原材料。組件封裝之后，就可以和其他部件如逆變器、蓄電池等組成光伏發(fā)電系統(tǒng)。組件后的電站還包括不少東西，例如支架、匯流盒、電纜、逆變、追日系統(tǒng)等，這些屬于裝備類。

②薄膜硅太陽電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)薄膜硅的源頭也是采用金屬硅，先制成硅烷（氣體），然后通過氣相沉積技術(shù)在薄膜襯底上形成非晶硅薄膜，之后制作p-n結(jié)，形成薄膜電池。薄膜電池由于直接沉積在玻璃或不銹鋼襯底上，單面封裝制成薄膜組件，電池與組件的生產(chǎn)環(huán)節(jié)為一個整體。薄膜組件可以用在光伏電站和光伏建筑一體化方面。

③化合物薄膜太陽電池相關(guān)光伏產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)除了硅薄膜太陽電池以外，碲化鎘、砷

化鎵、和銅銦鎵硒等薄膜太陽電池，封裝制成化合物薄膜太陽電池組件，用于光伏電站和光伏建筑一體化方面。

（2）輔料鏈

光伏產(chǎn)業(yè)的輔料鏈在光伏產(chǎn)業(yè)中所占的比重非常大，涉及的輔料數(shù)量和品種較多。以晶體硅太陽電池的輔料為例。以硅片為界，分成硅片前和硅片后兩個部分說明。

①硅片前輔料主要是提純和生產(chǎn)多晶硅、單晶硅所用的輔料，包括：氯產(chǎn)品，如鹽酸、氯氣、三氯氫硅等，氫氣以及氫氯化所用的氣體，多晶硅鑄錠用的氮化硅粉，惰性氣體，以及其他反應(yīng)氣體；在多晶硅鑄錠時用到的石英坩堝，鑄錠爐和單晶爐內(nèi)用的石英坩堝（又分為石英陶瓷坩堝和石英玻璃坩堝），隔熱用的碳?xì)郑ǚ譃橛矚趾蛙洑郑?，以及工作時需要消耗的溫度傳感器件。此外，在多晶硅鑄錠和單晶硅拉制時，還需要用到保護氣體和反應(yīng)氣體。

②硅片后輔料在硅片切割過程中，要用到切割線（包括鋼線、鉬線、金剛砂線）、切削液、金剛砂微粉（或稱碳化硅微粉）。在硅片切割后清洗時，要用到各類的堿、酸和純凈水。

硅片切割后，進入電池片生產(chǎn)階段，此時除了前期對于硅片的清洗制絨需要各類酸堿和純水輔料外，擴散還需要用到三氯氧磷氣體，PECVD要用到硅烷氣體，電極加工要用到銀漿和鋁漿，這些輔材的消耗量甚至不亞于主原料硅的價值。

在組件加工方面，要用到白玻璃，EVA薄膜（近期也產(chǎn)生了用有機硅薄膜的新產(chǎn)品），鋁合金框（最近開始使用工程塑料代替），還有各種黏結(jié)劑。

在電站建設(shè)方面，則主要是電纜和支架材料。支架材料目前以鋼結(jié)構(gòu)為主，也有采用鋁合金和工程塑料代替的。

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（3）裝備鏈

如果從產(chǎn)值上看，光伏產(chǎn)業(yè)價值最大、最先啟動的市場，其實不是光伏電池和組件，而是裝備市場。依然以硅片為分界線，將晶體硅太陽電池的裝備鏈分兩部分分析。

①硅片前裝備金屬硅的冶煉需要礦熱爐，還有除塵設(shè)備；此外變壓器和破碎及硅石清洗設(shè)備也是免不了的。

金屬硅煉出來后，如果后面采用冶金法生產(chǎn)多晶硅，需要用精煉爐進行爐外精煉。通常采用中頻感應(yīng)爐比較多，一臺10000kV·A的礦熱爐，可能要配10～20個5T標(biāo)準(zhǔn)鐵容的中頻感應(yīng)爐。還有粉末冶金設(shè)備，濕法冶金裝置、真空熔煉裝置是少不了的。

如果采用西門子法，需要精餾塔、還原爐、氫化裝置、氯化裝置，這樣一套裝置造價不菲。隨著國內(nèi)西門子法多晶硅廠的增加，相關(guān)設(shè)備國產(chǎn)化的程度也越來越高，現(xiàn)在，無論是精餾塔還是還原爐，都已經(jīng)國產(chǎn)化了，氫化裝置（包括熱氫化和冷氫化）和氯化裝置也已經(jīng)國產(chǎn)化了。

多晶硅技術(shù)出現(xiàn)后，多晶硅的鑄錠爐、單晶爐需求量更大，接著是破錠機、鑄方設(shè)備、倒角拋光設(shè)備、硅片多線切割機、硅片清洗設(shè)備等。

②硅片后設(shè)備電池生產(chǎn)的清洗制絨設(shè)備、擴散爐、PECVD、絲印機、燒結(jié)爐，有了這些，才能生產(chǎn)出太陽電池。層壓機是生產(chǎn)組件的主要設(shè)備。另外，玻璃的生產(chǎn)，EVA薄膜的生產(chǎn)也同樣需要大量的設(shè)備。

組件出來后，要安裝在支架上。如果是地面電站，還要加上追日（跟蹤）系統(tǒng)，這些也屬于光伏發(fā)電裝備。

組件出來的直流電要經(jīng)過逆變器、控制器才能變成交流電，如果要并網(wǎng)的話，還要有同期裝置，對電網(wǎng)進行相位和頻率跟蹤才能并網(wǎng)。

如果不是并網(wǎng)電站，而是用戶端或離網(wǎng)型，那么還要考慮儲能系統(tǒng)，包括蓄電池和充放電控制系統(tǒng)。鑒于目前的鉛酸電池在容量上和環(huán)保方面還有不少問題，因此，研究開發(fā)大容量、長壽命、高效率的儲能裝置，不僅是當(dāng)務(wù)之急，而且也是一個潛力非常巨大的市場。

（4）產(chǎn)業(yè)服務(wù)鏈

產(chǎn)業(yè)服務(wù)鏈主要包括光伏測試儀器設(shè)備、光伏技術(shù)服務(wù)研發(fā)、光伏教育培訓(xùn)與物流服務(wù)。

①光伏測試儀器設(shè)備光伏產(chǎn)業(yè)的服務(wù)鏈中，一個重要的環(huán)節(jié)是測試服務(wù)。測試服務(wù)貫穿于所有的主生產(chǎn)環(huán)節(jié)，也是前期研究和開發(fā)的重要技術(shù)保證。測試服務(wù)的水平，主要取決于測試分析設(shè)備。

對于硅材料的生產(chǎn)來說，測試儀器包括常規(guī)化驗分析儀器，這在硅材料，尤其是多晶硅的生產(chǎn)是非常重要的。對于高純度的硅材料，成分分析儀器有ICP-AES（等離子體原子光譜儀）、ICP-MS（等離子體質(zhì)譜儀）、GDMS（輝光放電質(zhì)譜儀）、二次離子質(zhì)譜（SIMS），均需要用來進行生產(chǎn)過程中的硅材料的雜質(zhì)成分測試。此外，還有傅立葉紅外分光光度計，用來測試碳氧的含量。

而對于硅材料的研究方面來說，還有RBS（盧瑟福離子背散）測試，電子束顯微技術(shù)（SEM掃描電鏡、TEM透射電鏡技術(shù)）、EBIC（電子束誘導(dǎo)電流技術(shù)）、SPM（掃描探針顯微學(xué)）、DLTS（深能級瞬態(tài)譜技術(shù)）等，都是光伏材料研究不可缺少的設(shè)備。

對于電池和硅片的生產(chǎn)，則主要有電阻率掃描測試儀、少子壽命掃描（微波光電導(dǎo)、激光電導(dǎo)、波導(dǎo)法等）、粒度測試、硅錠硅片探傷儀、單片光電轉(zhuǎn)換效率測試儀、漏電流測試儀、組件轉(zhuǎn)換效率測試儀、光度計等。

長期以來，測試設(shè)備除了常規(guī)的化驗分析設(shè)備外，絕大多數(shù)儀器我國還不能生產(chǎn)，還需要依賴進口。近年來，在電阻率測試、光電轉(zhuǎn)換效率測試等方面，已經(jīng)有了一定的進展，但取得國際權(quán)威機構(gòu)認(rèn)證和互認(rèn)的還較少。

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②光伏技術(shù)研發(fā)服務(wù)由于光伏產(chǎn)業(yè)目前還是一個朝陽產(chǎn)業(yè)，無論從基礎(chǔ)理論研究、材料研究還是器件研究、器件制造工藝，以及應(yīng)用研究，都還處于一個產(chǎn)業(yè)成長期的初級階段。無論從企業(yè)還是從政府，對于研發(fā)進行足夠的投入，都是意義十分巨大的。

例如，光伏電池光致衰減的機理、溫升衰減的機理和遏制措施，如何廉價地大規(guī)模生產(chǎn)光伏電池和組件？為什么光伏電池的原材料的成本和數(shù)量較低，但最終成本卻很高？這些都是涉及基礎(chǔ)材料研究和制造技術(shù)的一些深層次的課題，需要進行大量的研發(fā)工作。一旦這些研究取得突破，光伏發(fā)電的成本就有可能在目前的基礎(chǔ)上再下降一個數(shù)量級。

③光伏教育培訓(xùn)服務(wù)光伏產(chǎn)業(yè)由于是一個新興產(chǎn)業(yè)，因此，沒有現(xiàn)成的人力資源，需要從半導(dǎo)體、冶金和制造業(yè)獲得人才。

從基層說起，技術(shù)工人的培訓(xùn)上崗，是目前各個企業(yè)最急需的服務(wù)。良好的培訓(xùn)可以大大降低企業(yè)的成本，不僅是人力資源成本，更多的是生產(chǎn)成本和浪費的減少。對于中高層的技術(shù)人員，則需要進行光伏專業(yè)的本科和研究生教育。

④物流服務(wù)任何一個產(chǎn)業(yè)都會涉及到物流，但是光伏產(chǎn)業(yè)對物流的需求卻往往被人低估。以多晶硅的生產(chǎn)為