《多晶硅太阳能电池》课件

多晶硅太阳能电池本课程将深入探讨多晶硅太阳能电池的基础原理、制造工艺、性能特点和应用前景作为光伏发电技术的重要组成部分，多晶硅太阳能电池在全球能源转型中发挥着关键作用课程适用于高校新能源相关专业学生，帮助大家全面了解这一清洁能源技术的发展现状和未来趋势课程内容导览原理与分类多晶硅技术与制造电池性能与应用123深入了解太阳能电池的基本工掌握多晶硅材料特性和完整的分析多晶硅电池的技术参数和作原理和各种技术路线生产制造流程实际应用场景市场现状与发展动态展望与挑战45了解全球光伏产业格局和最新技术趋势探讨未来发展机遇和行业面临的技术挑战太阳能电池的基本概念定义与功能太阳能电池是一种能够直接将太阳光能转换为电能的半导体器件它利用光伏效应这一物理现象，当阳光照射到电池表面时，光子能量激发半导体材料中的电子，产生电势差从而形成电流核心应用领域太阳能电池主要应用于各种光伏发电系统中，包括大型地面电站、分布式屋顶发电、离网独立供电系统等随着技术不断进步和成本持续下降，其应用范围正在快速扩展到更多领域太阳能电池工作原理光能吸收太阳光照射半导体材料载流子产生光伏效应激发电子空穴对电流形成内建电场分离载流子产生电流太阳能电池的工作机制基于光伏效应这一重要的物理现象当具有足够能量的光子撞击半导体材料时，会将价带电子激发到导带，形成自由电子和相应的空穴这些光生载流子在内建电场的作用下分离并向不同方向移动，最终在外电路中形成稳定的直流电流光伏效应的物理机制光子能量传递当入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度时，光子被吸收并将其能量传递给价带电子硅材料的禁带宽度约为

1.12eV，对应波长约1100nm的红外光电子空穴对生成获得足够能量的电子从价带跃迁到导带，成为自由电子，同时在价带中留下一个带正电的空穴这一过程形成了光生电子空穴对，是光伏发电的基础载流子分离与收集在PN结内建电场的驱动下，光生电子向N型区移动，空穴向P型区移动，实现了载流子的有效分离通过外部电极将这些载流子收集起来，就形成了可用的电流多晶硅太阳能电池特点制造工艺相比单晶硅，多晶硅的制造工艺相对简单，主要采用铸造法生产硅锭这种方法能耗较材料结构低，生产效率高，使得多晶硅电池在成本控制方面具有明显优势性能特征多晶硅由众多小的硅晶体组成，晶粒尺寸通常在几毫米到几厘米之间这种多晶结构使多晶硅电池的光电转换效率通常在15-19%得电池表面呈现特有的蓝色斑块状外观，每之间，虽然略低于单晶硅，但其优异的性价个晶粒具有不同的晶体取向比使其在光伏市场中占据重要地位多晶硅与单晶硅技术对比多晶硅电池单晶硅电池制造成本相对较低，生产工艺相对简单，适合大规模批量具有更高的光电转换效率，通常可达20-22%，电池表面生产电池表面呈现蓝色斑块状，效率范围15-19%在性呈现均匀的深蓝色或黑色虽然制造成本较高，但在空间价比方面具有显著优势，特别适合对成本敏感的大型地面受限的应用场景中具有优势，如分布式屋顶光伏系统电站项目•生产成本低•转换效率更高•工艺相对简单•外观更加均匀•批量生产效率高•弱光性能优异•性价比优异•适合高端应用多晶硅技术发展历程1年代1970多晶硅太阳能电池开始从实验室走向实际应用，主要用于卫星和特殊领域的供电需求早期效率较低，成本昂贵，但为后续发展奠定了基础2年代1990随着铸造工艺的改进和规模化生产的实现，多晶硅电池成本大幅下降，开始在地面光伏系统中得到广泛应用，逐渐占据市场主流地位3年代2000PERC技术、多主栅技术等创新工艺的引入，使多晶硅电池效率不断提升，同时生产自动化程度显著提高，进一步巩固了其市场地位4年代至今2010虽然面临单晶硅和新型电池技术的竞争，但多晶硅凭借其成熟的工艺和优异的性价比，继续在光伏市场中保持重要份额多晶硅材料的独特性质资源丰富硅是地壳中含量第二丰富的元素，约占地壳质量的

27.7%这种丰富的资源储量为多晶硅太阳能电池的大规模应用提供了可靠的原材料保障，不存在资源稀缺的制约化学稳定性硅材料具有优异的化学稳定性和耐腐蚀性，能够在各种环境条件下长期稳定工作这种特性使得多晶硅太阳能电池能够适应户外严酷的工作环境，保证25年以上的使用寿命电学性能硅具有适中的禁带宽度（

1.12eV）和良好的电子迁移率，能够有效吸收太阳光谱中的大部分能量同时，通过掺杂可以精确控制其导电性，形成理想的PN结结构多晶硅制备工艺流程西门子法提纯高纯度硅料制备的核心工艺熔炼铸锭硅料熔化并控制冷却成型硅锭处理切割整形得到标准硅锭多晶硅的制备是一个高技术含量的工艺过程首先通过西门子法将工业硅提纯至

99.9999%以上的电子级多晶硅，然后采用定向凝固技术将高纯硅料熔化并控制冷却速度，形成具有柱状晶结构的硅锭整个过程需要严格控制温度梯度和冷却速率，以获得理想的晶体结构和较少的缺陷密度多晶硅电池的层状结构减反射层氮化硅薄膜减少光反射损失结区域PNN型和P型掺杂硅形成光伏结电极系统正负电极收集并导出电流多晶硅太阳能电池采用精心设计的多层结构来最大化光电转换效率顶层的减反射膜通常采用氮化硅材料，厚度约70-80纳米，可将表面反射率降低至2%以下中间的PN结是电池的核心，通过磷扩散形成浅结，深度约

0.3-

0.5微米背面电极覆盖整个背表面，而正面电极设计为细栅线结构以减少遮光面积电池片制造的完整工艺链硅料提纯铸锭切片从石英砂开始，通过化学反应和高将多晶硅料在高温下熔化后控制冷温提纯获得高纯度多晶硅料，纯度却形成硅锭，然后使用金刚石线锯达到

99.9999%以上，为后续工艺提将硅锭切割成厚度约180微米的硅供优质原材料基础片，表面平整度要求极高电极制作扩散制结丝网印刷银浆形成正面栅线电极，通过磷扩散工艺在P型硅片表面形成4背面印刷铝浆和银浆形成背电极，N型层，建立PN结同时进行表面最后经过高温烧结形成良好的欧姆织构化处理，制作金字塔结构增强接触光吸收效果硅锭铸造与切片技术高温熔化硅料在1420°C高温下完全熔化控制冷却精确控制温度梯度实现定向凝固硅锭成型形成240mm×240mm标准方锭线锯切片金刚石线锯精密切割成硅片铸锭工艺是多晶硅电池制造的关键环节在定向凝固炉中，硅料被加热至1420°C完全熔化，然后通过精确控制底部冷却速度，使硅液从底部开始逐渐凝固，形成柱状晶结构整个过程需要严格控制温度梯度，冷却速度通常为每小时1-2厘米随后采用金刚石线锯进行切片，线径仅120微米，可以最大限度减少材料损耗表面织构与光学优化85%2%70nm光吸收率表面反射率减反射膜厚度织构表面相比平面提升的光吸收比例减反射膜处理后的光反射损失氮化硅薄膜的最优厚度设计表面织构化是提高太阳能电池光学性能的重要技术通过碱性溶液腐蚀在硅片表面制作出随机分布的金字塔结构，尺寸通常为5-10微米这种微结构可以有效减少光的镜面反射，增加光在电池内部的传播路径配合氮化硅减反射膜，可将表面反射率降低至2%以下，显著提高光利用效率减反射膜还具有表面钝化功能，能够减少表面复合损失结的形成机理PN掺杂形成异质结内建电场建立P型硅片经磷扩散后表面PN结界面处由于载流子浓形成N型层，两种不同导度差异形成扩散电流，同电类型的半导体接触形成时产生漂移电流平衡扩PN结扩散深度控制在散，最终建立约

0.6V的内

0.3-

0.5微米，确保良好的建电势，形成空间电荷蓝光响应区载流子分离光生电子空穴对在内建电场作用下发生分离，电子向N区移动，空穴向P区移动，通过外电路形成光电流，实现太阳能向电能的转换光生载流子的传输过程光子吸收阶段太阳光进入硅材料后，能量大于

1.12eV的光子被吸收，激发价带电子跃迁到导带，同时在价带产生空穴，形成电子空穴对载流子分离阶段在PN结内建电场的驱动下，光生电子被吸引向N型区移动，空穴向P型区移动只有在少数载流子扩散长度范围内产生的载流子才能被有效收集电流形成阶段3分离后的载流子通过电极导出到外电路，电子从N型区通过负极流出，空穴通过正极流入P型区，形成稳定的直流电流输出电极系统的设计与制造正面电极系统背面电极系统采用细栅线设计以平衡光学损失和电阻损失主栅线宽度背电极采用全面积接触设计，通常为铝背场结构铝浆覆约

1.5-2mm，负责收集汇流条传输的电流细栅线宽度仅盖90%以上的背面积，形成P+背场提高开路电压背面还30-50微米，间距约2-3mm，用于收集电池片表面的光电设置银焊盘用于组件焊接，位置对应正面主栅线背电极流栅线高度控制在15-20微米，确保良好的焊接性能厚度约20-30微米，确保良好的导电性和焊接强度•主栅线电流汇集传输•铝背场提升电压性能•细栅线表面电流收集•银焊盘组件互连焊接•银浆材料优异导电性•全面接触降低电阻损失单体电池的关键参数光伏组件的构成要素电池片矩阵封装保护材料支撑结构系统标准组件通常包含60片或72片电正面采用

3.2mm低铁钢化玻璃提供机铝合金边框提供机械强度和安装接池，采用串联连接提高电压电池片械保护和透光，背面使用TPT背板防口，具有良好的耐腐蚀性接线盒集之间通过焊带连接，形成电池串多水防潮EVA胶膜作为粘结层将各部成旁路二极管，防止热斑效应，内置个电池串再并联连接增加电流输出，件牢固结合，确保25年以上的使用寿MC4连接器方便系统连接最终形成组件的额定功率输出命组件封装材料详解钢化玻璃面板

3.2mm厚度，透光率达91%以上封装胶膜EVA优异的粘结性和耐候性能复合背板TPT防水透湿，绝缘保护功能铝合金边框结构支撑和安装固定组件封装材料的选择直接影响产品的可靠性和使用寿命钢化玻璃不仅提供机械保护，其低铁含量设计确保了优异的透光性能EVA胶膜在层压过程中交联固化，形成透明的保护层，同时具备良好的粘接强度TPT背板采用三层结构设计，外层PET提供耐候性，中间层PET提供绝缘性，内层氟膜提供防腐蚀功能铝合金边框经过阳极氧化处理，具有优异的耐腐蚀性能多晶硅与薄膜技术比较多晶硅电池优势薄膜电池特点多晶硅电池在效率与成本之间实现了良好平衡，具有成熟薄膜电池材料用量少，制造工艺相对简单，在弱光条件下稳定的制造工艺和供应链体系其光电转换效率稳定在17-性能表现较好然而其光电转换效率通常仅为10-14%，需19%，适合大规模工业化生产在标准测试条件下性能表要更大的安装面积在高温环境下性能衰减相对较小，适现优异，温度系数相对较低合特定应用场景•工艺技术成熟可靠•材料用量相对较少•规模化生产成本低•弱光性能表现好•效率性能稳定•高温性能相对稳定•供应链体系完善•柔性应用潜力大多晶硅电池的核心优势工艺成熟度高经过四十多年的技术发展和工艺优化，多晶硅电池制造工艺已经非常成熟从硅料提纯到电池封装的每个环节都有标准化的操作规程，生产良品率可达98%以上，为大规模产业化提供了坚实基础制造成本可控相比单晶硅电池，多晶硅电池的制造成本优势明显铸锭工艺比拉制工艺简单，能耗更低，设备投资相对较少在当前激烈的市场竞争环境下，成本优势是保持市场竞争力的关键因素批量生产便利多晶硅电池特别适合大规模批量生产，单条生产线年产能可达数百兆瓦自动化程度高，人工成本占比低，通过规模效应可以进一步降低单位成本，满足全球快速增长的光伏装机需求多晶硅电池的技术挑战晶界复合损失限制载流子传输效率温度系数影响高温下性能衰减相对明显外观均匀性表面斑块影响美观度多晶硅电池面临的主要技术挑战源于其多晶结构特性晶界处的缺陷和杂质会增加载流子复合，降低电池效率这些晶界还会影响电流的均匀分布，在局部形成电阻热点虽然通过钝化技术可以在一定程度上缓解这些问题，但要达到单晶硅的效率水平仍存在物理极限此外，多晶硅电池表面的不规则斑块状外观在某些高端应用场合可能不够美观行业标准规格与发展多晶硅电池应用领域概览分布式光伏集中式电站工商业屋顶、户用光伏系统大型地面光伏发电站装机规模单个项目通常为几十kW到装机规模单个电站通常为几十MW到几MW，适合就近消纳，减少传输损几百MW，选址在日照资源丰富的荒耗，是实现能源分布式供应的重要途漠、戈壁等区域，通过升压站并入电径网光伏扶贫离网系统农村贫困地区脱贫项目偏远地区独立供电通过建设村级光伏电站为贫困户提供稳为无电网覆盖的偏远山区、海岛等提供定收益，既实现脱贫攻坚目标，又推动可靠电力供应，通常配合储能系统使清洁能源发展，一举两得的惠民工程用，解决基本用电需求典型工程应用案例分析青海共和地面电站100MW采用多晶硅组件，年发电量约

1.6亿千瓦时项目位于青海省海南州，利用当地丰富的太阳能资源和广阔的土地条件，建设大型地面光伏电站项目采用固定支架和跟踪支架相结合的方式，最大化发电效率阿里巴巴数据中心屋顶项目10MW分布式光伏系统，年减排CO₂约8000吨在数据中心屋顶安装多晶硅光伏系统，既充分利用闲置屋顶空间，又为数据中心提供清洁电力，实现了经济效益和环境效益的双赢项目采用就近消纳模式，减少了电力传输损耗浙江农村户用光伏示范单户5kW系统，年收益约4000-6000元在农村地区推广户用光伏系统，利用农户屋顶安装小型光伏发电设备通过政府补贴和电网收购，为农户创造稳定的额外收入来源，同时推动农村清洁能源转型中国多晶硅产业地位万吨65%86全球产能占比年产能规模中国多晶硅产能在全球市场的主导地位2024年中国多晶硅总产能预计达到$

8.5生产成本美元/kg中国企业的平均生产成本优势明显中国在全球多晶硅产业中占据绝对主导地位，拥有完整的产业链体系和成本优势主要产能集中在新疆、内蒙古、四川等电力成本较低的地区通威股份、新特能源、东方希望等龙头企业通过技术创新和规模化生产，将生产成本控制在较低水平随着硅料新增产能的持续投放，中国多晶硅自给率将进一步提升，为下游电池组件制造提供稳定的原材料保障全球光伏市场格局分析多晶硅产业成本演变趋势1年2010多晶硅价格80美元/公斤，组件价格

1.5美元/瓦，高昂的成本限制了市场应用规模，主要依靠政府补贴推动发展2年2015技术进步和规模化效应显现，多晶硅价格降至15美元/公斤，组件价格

0.6美元/瓦，开始实现平价上网的可能性3年2020制造工艺进一步优化，多晶硅价格10美元/公斤，组件价格

0.25美元/瓦，光伏发电成本已低于传统化石能源4年2024产能过剩导致价格进一步下降，多晶硅价格6-8美元/公斤，组件价格

0.15美元/瓦，为全球能源转型提供了经济可行性生产装备与技术升级精益生产管理工艺技术创新实施精益生产管理体系，通过价值流分析消除自动化程度提升采用无损伤激光切割技术减少硅片微裂纹，引浪费环节建立完善的质量管理体系，从原材现代多晶硅电池生产线实现了高度自动化，从入原子层沉积技术提高薄膜质量扩散工艺采料进厂到产品出货全程质量控制推行TPM设硅片上料到电池片下料全程无人工干预AGV用管式炉和带式炉相结合，实现精确的温度和备管理，设备综合效率达到85%以上，确保稳小车负责物料传输，机器视觉系统进行质量检气氛控制丝网印刷技术不断优化，栅线宽度定的产品质量和产能输出测，MES系统实现全程追溯单线年产能可达已降至30微米以下1GW以上，大幅提高了生产效率和产品一致性多晶硅电池效率提升路径晶界钝化技术背钝化技术高效栅线设计通过在晶界处引入氢原子或其他钝化在电池背面引入氧化铝或氮化硅等钝采用多主栅或无主栅设计减少串联电剂，减少晶界缺陷态密度，降低载流化层，形成固定电荷层和化学钝化层阻，优化栅线截面形状提高导电能子复合损失采用氢等离子体处理或的双重钝化效果通过优化薄膜厚度力引入铜栅线或银包铜栅线降低成快速热退火工艺，可将晶界复合速度和退火条件，可将背表面复合速度降本，同时保持优异的导电性能通过降低50%以上，有效提升电池开路电低至100cm/s以下，显著提升电池精密丝网印刷技术实现更细的栅线宽压和填充因子效率度和更高的高宽比主流高效技术路线详解钝化技术多主栅技术PERC MBB钝化发射极及背接触技术是目前最成熟的高效化方案在多主栅技术通过增加主栅线数量（通常为9-12根）来降低电池背面沉积氧化铝钝化层，然后通过激光开口形成局域串联电阻，提高填充因子配合细栅线优化设计，可以在接触点这种结构既实现了良好的背表面钝化，又保证了保持较低遮光损失的同时显著改善电流收集效率有效的载流子收集•串联电阻损失显著降低•背表面钝化效果显著•填充因子提升明显•工艺相对简单成熟•组件功率密度提高•成本增加控制在合理范围•焊接可靠性增强•与现有产线兼容性好前沿创新技术趋势叠瓦组件技术半片分片技术纳米涂层技术将电池片切割成多个将标准电池片切割成在电池表面制备纳米条状，然后像瓦片一两半，降低单片电池级功能涂层，如自清样重叠排列，消除电的工作电流，从而减洁涂层、增透涂层池片间的间隙这种少电阻损失和热斑风等这些涂层可以减设计可以提高组件的险半片电池的功率少灰尘附着，提高透填充率，增加有效发损失仅为全片的光率，延长清洗周电面积同时采用导1/4，同时提高了组期同时研发新型减电胶连接替代焊带，件在局部遮挡条件下反射涂层材料，进一减少遮光损失，组件的发电性能，特别适步降低表面反射损功率可提升5-15W合复杂安装环境失，提升光利用效率环境适应性与可靠性测试质量控制关键环节外观缺陷检测电性能测试采用机器视觉系统自动检测电池片每片电池都需要进行IV特性测试，表面的裂纹、色差、污渍等缺陷测量开路电压、短路电流、最大功高分辨率相机配合专业照明系统，率点等关键参数采用标准测试条检测精度可达微米级，确保不良品件（STC），确保测试结果的准确不流入下一工序性和可比性统计过程控制隐裂检测建立完善的SPC统计过程控制体使用电致发光（EL）技术检测肉眼系，实时监控生产过程中的关键参无法观察到的微裂纹通过分析发数变化当参数偏离控制限时及时光图像的亮度分布，可以准确识别预警，确保生产过程始终处于稳定裂纹位置和严重程度，及时剔除有受控状态质量隐患的产品。