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太陽能光伏技術是指一種可直接將太陽的光能轉換為電能并加以充分利用的前瞻性技術，其廣闊的應用前景讓世人為之神往而不斷地努力進行開發、創新與應用。本文將為大家介紹太陽能發電原理、太陽能電池、太陽能電池組件、光伏控制器、光伏逆變器等內容。
太陽能發電原理
太陽能電池是一對光有回應并能將光能轉換成電力的器件。能產生光伏效應的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發電原理基本相同，現以晶體為例描述光發電過程。P型晶體硅經過摻雜磷可得N型硅，形成P－N結。
當光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發生了越遷，成為自由電子在P－N結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質是：光子能量轉換成電能的過程。
晶體硅太陽能電池的制作過程
“硅”是我們這個星球上儲藏最豐量的材料之一。自從19世紀科學家們發現了晶體硅的半導體特性后，它幾乎改變了一切，甚至人類的思維。20世紀末，我們的生活中處處可見“硅”的身影和作用，晶體硅太陽能電池是近15年來形成產業化最快的。生產過程大致可分為五個步驟：a、提純過程 b、拉棒過程 c、切片過程 d、制電池過程 e、封裝過程。
太陽能電池的應用
上世紀60年代，科學家們就已經將太陽電池應用于空間技術——通信衛星供電，上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應用，在眾多領域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發電戶用系統、村寨供電的獨立系統、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統、城鎮中路標、高速公路路標等。歐美等先進國家將光伏發電并入城市用電系統及邊遠地區自然界村落供電系統納入發展方向。太陽電池與建筑系統的結合已經形成產業化趨勢。太陽能光伏玻璃幕墻元件得應用越來越多，隨著上海和北京的幾個項目進入實質性運轉，這種方式將會代替普通玻璃幕墻，它具有反射光強度小、保溫性能好等特點！
太陽能電池組件
太陽能電池組件（光伏組件）是由一定數量的太陽能電池片通過導線串、并聯連接并加以封裝而成。一個組件中，太陽電池的標準數量是36片（10cm x 10cm），這意味著一個太陽電池組件大約能產生17V的電壓，正好能為一個額定電壓為12V的蓄電池進行有效充電。目前的光伏元件輸出功率大到數百瓦不等。
太陽能電池片封裝成組件后能夠提供足夠的機械強度、抗振和抗沖擊能力；具有良好的密封性，能夠防腐、防風、防雹、防潮；具有良好的電絕緣性；能夠抗紫外線輻射等。其潛在的品質問題可能發生在邊沿的密封以及組件背面的接線盒。
根據光伏工程安裝的需要，當應用領域需要較高的電壓和電流而單個組件不能滿足要求時，可把多個組件通過串聯、并聯組裝成“太陽電池方陣”也叫“光伏陣列”，以獲得所需要的電壓和電流，其功率可以根據實際需求組合確定。
太陽能光伏控制器
光伏充電控制器基本上可分為五種類型：并聯型光伏控制器、串聯型光伏控制器、脈寬調制型光伏控制器、智慧型光伏控制器和最大功率跟蹤型光伏控制器。
1、并聯型光伏控制器。當蓄電池充滿時，利用電子部件把光伏陣列的輸出分流到內部并聯電阻器或功率模組上去，然后以熱的形式消耗掉。并聯型光伏控制器一般用于小型、低功率系統，例如電壓在12V、20A以內和系統。這類控制器很可靠，沒有繼電器之類的機械部件。
2、串聯型光伏控制器。利用機械繼電器控制充電過程，并在夜間切斷光伏陣列。它一般用于較高功率系統，繼電器的容量決定充電控制器的功率等級。比較容易制造連續通電電流在45A以上的串聯型光伏控制器。
3、脈寬調制型光伏控制器。它以PWM脈沖方式開關光伏陣列的輸入。當蓄電池趨向充滿時，脈沖的頻率和時間縮短。按照美國桑地亞國家實驗室的研究，這種充電過程形成較完整的充電狀態，它能增加光伏系統中蓄電池的總循環壽命。
4、智慧型光伏控制器。基于MCU（如intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）對光伏電源系統的運行參數進行高速即時采集，并按照一定的控制規律由軟件程式對單路或多路光伏陣列進行切離和接通控制。對中、大型光伏電源系統，還可通過MCU的RS232接口配合MODEM調制解調器進行距離控制。
5、最大功率跟蹤型控制器。將太陽能電池電壓V和電流I檢測后相乘得到功率P，然后判斷太陽能電池此時的輸出功率是否達到最大，若不在最大功率點運行，剛調整脈寬，調制輸出占空比D，改變充電電流，再次進行即時采樣，并作出是否改變占空比的判斷，通過這樣的尋優過程可保證太陽能電池始終運行在最大功率點，以充分利用太陽能電池方陣的輸出能量。同時采用PWN調制方式，使充電電流成為脈沖電流，以減少蓄電池的極化，提高充電效率。
光伏逆變器
作為一個獨立的光伏系統，其直流發電電壓比較低，因此功率調節裝置，也就是逆變器，是絕對不可或缺的。
在并網系統中主要使用兩種類型的逆變器來實現交流發電。
①線路整流 可以用電網中的信號作為同步的基準。
②自整流 通過逆變器內部電路結構確定信號波形，然后輸入電網。
也可以根據產品的應用對其分類。
①中央逆變器 用來對額定功率在20～400kWp范圍內的大型光伏系統的輸出進行整流。現階段的主流產品具有自整流設計，通過雙極性電晶體和場效應電晶體來實現。
②串聯逆變器 只允許接收通過獨立串行輸送的信號，所以額定功率在1～3kWp。
③復式串聯逆變器 配備各種獨立的直流-直流逆變器，這些逆變器把信號回饋給一個中央逆變裝置。這樣的設計可以適用于各種不同的元件連接結構，從而可以使每條串聯線路上的太陽能電池都輸出最大功率。
④交流元件逆變器 配套安裝于每個光伏元件上，進而將所有元件的輸出轉化成交流。
在第一期中，我們為大家概括介紹了太陽能發電原理、太陽能電池、太陽能電池組件、光伏控制器、光伏逆變器等內容。接下來將開始深入地講解。本期我們將著重說明太陽能電池的制造工藝詳細流程、單晶硅和多晶硅的區別、單晶硅和多晶硅電池片的區別以及逆變器的概念，將知識串連起來以便讀者學習和了解。
晶體硅太陽能電池的制造工藝流程
晶體硅太陽能電池的制造工藝流程說明如下：
（1）切片：采用多線切割，將硅棒切割成正方形的硅片。
（2）清洗：用常規的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或堿）溶液將硅片表面切割損傷層除去30－50um。
（3）制備絨面：用堿溶液對硅片進行各向異性腐蝕在硅片表面制備絨面。
（4）磷擴散：采用涂布源（或液態源，或固態氮化磷片狀源）進行擴散，制成PN＋結，結深一般為0.3－0.5um。
（5）周邊刻蝕：擴散時在硅片周邊表面形成的擴散層，會使電池上下電極短路，用掩蔽濕法腐蝕或等離子干法腐蝕去除周邊擴散層。
（6）去除背面PN＋結。常用濕法腐蝕或磨片法除去背面PN＋結。
（7）制作上下電極：用真空蒸鍍、化學鍍鎳或鋁漿印刷燒結等工藝。先制作下電極，然后制作上電極。鋁漿印刷是大量采用的工藝方法。
（8）制作減反射膜：為了減少入反射損失，要在硅片表面上復蓋一層減反射膜。制作減反射膜的材料有MgF2 ，SiO2 ，Al2O3 ，SiO ，Si3N4 ，TiO2 ，Ta2O5等。工藝方法可用真空鍍膜法、離子鍍膜法，濺射法、印刷法、PECVD法或噴涂法等。
（9）燒結：將電池芯片燒結于鎳或銅的底板上。
（10）測試分檔：按規定參數規范，測試分類。
由此可見，太陽能電池芯片的制造采用的工藝方法與半導體器件基本相同，生產的工藝設備也基本相同，但工藝加工精度遠低于積體電路芯片的制造要求，這為太陽能電池的規模生產提供了有利條件。
單晶硅和多晶硅的區別
單晶硅和多晶硅的區別是，當熔融的單質硅凝固時，硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的芯片，則形成單晶硅。如果這些晶核長成晶面取向不同的芯片，則形成多晶硅。多晶硅與單晶硅的差異主要表現在物理性質方面。例如在力學性質、電學性質等方面，多晶硅均不如單晶硅。多晶硅可作為拉制單晶硅的原料。單晶硅可算得上是世界上最純凈的物質了，一般的半導體器件要求硅的純度六個9以上。大型積體電路的要求更高，硅的純度必須達到九個9。目前，人們已經能制造出純度為十二個9 的單晶硅。單晶硅是電子電腦、自動控制系統等現代科學技術中不可缺少的基本材料。
高純度硅在石英中提取，以單晶硅為例，提煉要經過以下過程：石英砂一冶金級硅一提純和精煉一沉積多晶硅錠一單晶硅一硅片切割。
冶金級硅的提煉并不難。它的制備主要是在電弧爐中用碳還原石英砂而成。這樣被還原出來的硅的純度約98-99%，但半導體工業用硅還必須進行高度提純（電子級多晶硅純度要求11個9，太陽能電池級只要求6個9）。而在提純過程中，有一項“三氯氫硅還原法（西門子法）”的關鍵技術我國還沒有掌握，由于沒有這項技術，我國在提煉過程中70%以上的多晶硅都通過氯氣排放了，不僅提煉成本高，而且環境污染非常嚴重。我國每年都從石英石中提取大量的工業硅，以1美元／公斤的價格出口到德國、美國和日本等國，而這些國家把工業硅加工成高純度的晶體硅材料，以46-80美元／公斤的價格賣給我國的太陽能企業。
得到高純度的多晶硅后，還要在單晶爐中熔煉成單晶硅，以后切片后供積體電路制造等用。
單晶硅與多晶硅電池片的區別
由于單晶硅電池片和多晶硅電池片前期生產工藝的不同，使它們從外觀到電性能都有一些區別。從外觀上看：單晶硅電池片四個角呈圓弧狀，表面沒有花紋；多晶硅電池片四個角為方角，表面有類似冰花一樣的花紋。
對于使用者來說，單晶硅電池和多晶硅電池是沒有太大區別的。單晶硅電池和多晶硅電池的壽命和穩定性都很好。雖然單晶硅電池的平均轉換效率比多晶硅電池的平均轉換效率高l％左右，但是由于單晶硅太陽能電池只能做成準正方形（其4個角是圓弧），當組成太陽能電池元件時就有一部分面積填不滿，而多晶硅太陽能電池是正方形，不存在這個問題，因此對于太陽能電池元件的效率來講幾乎是一樣的。另外，由于兩種太陽能電池材料的制造工藝不一樣，多晶硅太陽能電池制造過程中消耗的能量要比單晶硅太陽能電池少30%左右，所以多晶硅太陽能電池占全球太陽能電池總產量的份額越來越大，制造成本也將大大小于單晶硅電池，所以使用多晶硅太陽能電池將更節能、更環保。
逆變器的概念
逆變是針對整流而言的，整流器把交流電能變換成直流電能的過程稱為整流。那么把直流電能變換成交流電能的過程就稱為逆變了，把完成逆變功能的電路稱為逆變電路，把實現逆變過程的裝置稱為逆變器。
在太陽能光伏發電系統中為什么一定要采用光伏逆變器呢？目前我國發電系統主要是直流系統，即將太陽能電池發出的電給蓄電池充電，而蓄電池直接給負載供電，如我國西北地方使用較多的太陽照明系統以及遠離電網的微波站供電系統均為直流系統。此類系統結構簡單，成本低廉，但由于負載直流電壓的不同（如12v、24v、48V等），很難實現系統的標準化和相容性。特別是家用電器，如日光燈、電視機、電冰箱、電風扇和大多數動力機械都是利用交流電工作的，即大多數為交流負載，所以利用直流電力供電的光伏電源，很難作為商品進入市場。太陽能光伏系統設置逆變器的目的就是將直流電轉換為交流電，便于滿足大多數使用者負載的需要。
此外，如果電力線受到破壞或被迫關閉，逆變器就要停止向用電設備或電網供電。如果電力線電壓偏低或欠壓，或出現較大的擾動時，要采用一種用于“非孤島”逆變器的傳感器來傳感這種情況。當出現這種情況時，逆變器將自動地關閉向電網供電，或把電力傳輸到其他地方，從而防止它成為電力發電的“孤島”。所謂孤島效應，即電網出現故障后，并聯在電網上的光伏并網發電系統依舊可以工作，處于獨立運行狀態。
來源：中華電源網
LED外延片基礎知識
外延片的生產制作過程是非常復雜，展完外延片，接下來就在每張外延片隨意抽取九點做測試，符合要求的就是良品，其它為不良品(電壓偏差很大，波長偏短或偏長等)。良品的外延片就要開始做電極(P極，N極)，接下來就用激光切割外延片，然后百分百分撿，根據不同的電壓，波長，亮度進行全自動化分檢，也就是形成LED晶片(方片)。然后還要進行目測，把有一點缺陷或者電極有磨損的，分撿出來，這些就是后面的散晶。此時在藍膜上有不符合正常出貨要求的晶片，也就自然成了邊片或毛片等。不良品的外延片(主要是有一些參數不符合要求)，就不用來做方片，就直接做電極(P極，N極)，也不做分檢了，也就是目前市場上的LED大圓片(這里面也有好東西，如方片等)。
半導體制造商主要用拋光Si片(PW)和外延Si片作為IC的原材料。20世紀80年代早期開始使用外延片，它具有標準PW所不具有的某些電學特性并消除了許多在晶體生長和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。
歷史上，外延片是由Si片制造商生產并自用，在IC中用量不大，它需要在單晶Si片表面上沉積一薄的單晶Si層。一般外延層的厚度為2~20μm,而襯底Si厚度為610μm(150mm直徑片和725μm(200mm片)。
外延沉積既可(同時)一次加工多片，也可加工單片。單片反應器可生產出質量最好的外延層(厚度、電阻率均勻性好、缺陷少);這種外延片用于150mm“前沿”產品和所有重要200mm產品的生產。
外延產品
外延產品應用于4個方面，CMOS互補金屬氧化物半導體支持了要求小器件尺寸的前沿工藝。CMOS產品是外延片的最大應用領域，并被IC制造商用于不可恢復器件工藝，包括微處理器和邏輯芯片以及存儲器應用方面的閃速存儲器和DRAM(動態隨機存取存儲器)。分立半導體用于制造要求具有精密Si特性的元件。“奇異”(exotic)半導體類包含一些特種產品，它們要用非Si材料，其中許多要用化合物半導體材料并入外延層中。掩埋層半導體利用雙極晶體管元件內重摻雜區進行物理隔離，這也是在外延加工中沉積的。
目前，200mm晶片中，外延片占1/3.2000年，包括掩埋層在內，用于邏輯器件的CMOS占所有外延片的69%,DRAM占11%,分立器件占20%.到2005年，CMOS邏輯將占55%,DRAM占30%,分立器件占15%.
LED外延片--襯底材料
襯底材料是半導體照明產業技術發展的基石。不同的襯底材料，需要不同的外延生長技術、芯片加工技術和器件封裝技術，襯底材料決定了半導體照明技術的發展路線。襯底材料的選擇主要取決于以下九個方面：
1、結構特性好，外延材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常數失配度小、結晶性能好、缺陷密度小
2、界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強
3、化學穩定性好，在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕
4、熱學性能好，包括導熱性好和熱失配度小
5、導電性好，能制成上下結構
6、光學性能好，制作的器件所發出的光被襯底吸收小
7、機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等
8、價格低廉
9、大尺寸，一般要求直徑不小于2英寸。
襯底的選擇要同時滿足以上九個方面是非常困難的。所以，目前只能通過外延生長技術的變更和器件加工工藝的調整來適應不同襯底上的半導體發光器件的研發和生產。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于生產的襯底目前只有三種，即藍寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底以及Si襯底。
評價襯底材料必須綜合考慮下列因素：
1.襯底與外延膜的結構匹配：外延材料與襯底材料的晶體結構相同或相近、晶格常數失配小、結晶性能好、缺陷密度低;
2.襯底與外延膜的熱膨脹系數匹配：熱膨脹系數的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數上相差過大不僅可能使外延膜質量下降，還會在器件工作過程中，由于發熱而造成器件的損壞;
3.襯底與外延膜的化學穩定性匹配：襯底材料要有好的化學穩定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因為與外延膜的化學反應使外延膜質量下降;
4.材料制備的難易程度及成本的高低：考慮到產業化發展的需要，襯底材料的制備要求簡潔，成本不宜很高。襯底尺寸一般不小于2英寸。
當前用于GaN基LED的襯底材料比較多，但是能用于商品化的襯底目前只有三種，即藍寶石和碳化硅以及硅襯底。其它諸如GaN、ZnO襯底還處于研發階段，離產業化還有一段距離。
氮化鎵：
用于GaN生長的最理想襯底是GaN單晶材料，可大大提高外延膜的晶體質量，降低位錯密度，提高器件工作壽命，提高發光效率，提高器件工作電流密度。但是制備GaN體單晶非常困難，到目前為止還未有行之有效的辦法。
氧化鋅：
ZnO之所以能成為GaN外延的候選襯底，是因為兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結構相同、晶格識別度非常小，禁帶寬度接近(能帶不連續值小，接觸勢壘小)。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。目前，ZnO半導體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質量達不到器件水平和P型摻雜問題沒有得到真正解決，適合ZnO基半導體材料生長的設備尚未研制成功。
藍寶石：
用于GaN生長最普遍的襯底是Al2O3.其優點是化學穩定性好，不吸收可見光、價格適中、制造技術相對成熟。導熱性差雖然在器件小電流工作中沒有暴露明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。
碳化硅：
SiC作為襯底材料應用的廣泛程度僅次于藍寶石，目前中國的晶能光電的江風益教授在Si襯底上生長出了可以用來商業化的LED外延片。Si襯底在導熱性、穩定性方面要優于藍寶石，價格也遠遠低于藍寶石，是一種非常有前途的襯底。SiC襯底有化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高，晶體質量難以達到Al2O3和Si那么好、機械加工性能比較差，另外，SiC襯底吸收380納米以下的紫外光，不適合用來研發380納米以下的紫外LED.由于SiC襯底有益的導電性能和導熱性能，可以較好地解決功率型GaNLED器件的散熱問題，故在半導體照明技術領域占重要地位。
同藍寶石相比，SiC與GaN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，SiC具有藍色發光特性，而且為低阻材料，可以制作電極，使器件在包裝前對外延膜進行完全測試成為可能，增強了SiC作為襯底材料的競爭力。由于SiC的層狀結構易于解理，襯底與外延膜之間可以獲得高質量的解理面，這將大大簡化器件的結構;但是同時由于其層狀結構，在襯底的表面常有給外延膜引入大量的缺陷的臺階出現。
實現發光效率的目標要寄希望于GaN襯底的LED,實現低成本，也要通過GaN襯底導致高效、大面積、單燈大功率的實現，以及帶動的工藝技術的簡化和成品率的大大提高。半導體照明一旦成為現實，其意義不亞于愛迪生發明白熾燈。一旦在襯底等關鍵技術領域取得突破，其產業化進程將會取得長足發展。 |
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發表于 2012-3-14 20:04:53
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