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科普:浅析单晶硅与多晶硅

日期:2021-06-10    来源:风光储输清洁能源科普基地  作者:赵建华,翟化欣

国际太阳能光伏网

2021
06/10
15:21
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关键词: 光伏组件 多晶硅组件 单晶硅组件

光伏组件(俗称光伏板、太阳能板)主要包括多晶硅组件单晶硅组件。作为新能源示范基地,我们在为参观者讲解系统优化集成技术的过程中,遇到很多来宾对单晶、多晶组件有啥区别?哪个好?不清楚,不明白,并由此产生诸多的疑惑。今天,小编就在这里给大家理一理这个思路。

硅有晶态和无定形两种同素异形体。晶态硅又分为单晶硅和多晶硅,单晶硅和多晶硅的区别是,当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核,如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒,则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则形成多晶硅。它们均具有金刚石晶格,晶体硬而脆,具有金属光泽,能导电,但导电率不及金属,且随温度升高而增加,具有半导体性质。

单晶硅在日常生活中是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。电视、电脑、冰箱、电话、手表、汽车,处处都离不开单晶硅材料,单晶硅作为科技应用普及材料之一,已经渗透到人们生活中的各个角落。

单晶硅在太空中是航天飞机、宇宙飞船、人造卫星必不可少的原材料。人类在征服宇宙的征途上,所取得的每一步进步,都有着单晶硅的身影。航天器材大部分的零部件都要以单晶硅为基础。离开单晶硅,卫星会没有能源,没有单晶硅,航天飞机和宇航员不会和地球取得联系,单晶硅作为人类科技进步的基石,为人类征服太空作出了不可磨灭的贡献。

纯度不高的单质硅可用金属镁或铝还原二氧化硅制得,但这是无定形硅。晶形硅则要在电弧炉内用碳还原二氧化硅制得,它可用来生产硅钢片。用作半导体的超纯硅的制法则是先用纯度不高的硅与氯化氢和氯气的混合物作用,制取三氯氢硅,并用精馏法提纯。然后在还原炉内用纯氢将三氯氢硅还原,硅就沉积在用超纯硅制成的细芯上,这样制得的超纯硅称为多晶硅,把它放在单晶炉内,就可拉制成单晶硅,可用作半导体材料,它的来源丰富,价格便宜,大部分半导体材料都用硅。

多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时,硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则这些晶粒结合起来,就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料,多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如,在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面,远不如单晶硅明显;在电学性质方面,多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著,甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面,两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别,但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。

高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素,形成p型硅半导体;掺入微量的第VA族元素,形成n型和p型半导体结合在一起,可做成太阳能芯片,将辐射能转变为电能。在开发能源方面是一种很有前途的材料。多晶硅具有金刚石晶格,晶体硬而脆,具有金属光泽,能导电,但导电率不及金属,且随温度升高而增加,具有半导体性质。晶态硅的熔点1410℃,沸点2355℃,无定形硅是一种黑灰色的粉末。

多晶硅被喻为微电子产业和光伏产业的“基石”,它是跨化工、冶金、机械、电子等多学科、多领域的高新技术产品,是半导体、大规模集成电路和太阳能电池产业的重要基础原材料,是硅产品产业链中极为重要的中间产品。它的发展与应用水平,已经成为衡量一个国家综合国力、国防实力和现代化水平的重要标志。

单晶硅光伏组件是以高纯的单晶硅棒为原料,光电转换率较高,在弱光条件下表现比同类产品更好,目前广泛应用于大型光伏电站中。目前,单晶硅光伏组件的发电效率可以达到21%左右,衰减率第一年内不得高于3%,后续每年不得高于0.7%。

多晶硅光伏组件是由多晶太阳能电池片按照不同的串、并阵列排列而构成的。多晶硅光伏组件的发电效率通常在17%左右,衰减率一年内不得高于2.5%,后续年内不高于0.7%。

 ▲级联式斜单轴单晶硅光伏板

单晶硅电池和多晶硅电池的初始原材料都是原生多晶硅,类似于微晶状态存在。要具备发电能力,就必须将微晶状态的硅制成晶体硅,而晶体硅的晶向需要精确控制。单晶电池和多晶电池在制程上唯一无法轻易互换的就是晶体生长环节。在这个环节,原生多晶硅在单晶炉内会生产成单一晶向、无晶界、位错缺陷和杂质密度极低的单晶硅棒。多晶晶体的生长工艺本身决定了它无法生长出大面积单一晶向的晶体(单晶),多晶的本质就是大量的小单晶的集合体。

▲最佳倾角固定式多晶硅光伏板

在组件封装材料可靠的前提下,影响单晶组件和多晶组件可靠性差异的关键因素就是功率衰减指标。它分为初始光衰和长期衰减两类。目前的单晶电池以P型为主,这种电池在日照2-3周后会发生2%~3%的快速功率衰减,原因是晶体生长中使用硼作为掺杂剂,同时有较多的氧原子混杂,替位硼和间隙氧在光照下激发形成较深能级缺陷,引起载流子复合和电池性能衰退。太阳能电池的功率在4个月或更长时间(取决于日照强度和时间)内会发生恢复,到1年后,累计衰减大约是2.5%~3%,并趋于稳定。多晶电池不存在上述问题,但是由于本身无法克服的高杂质浓度和位错缺陷的影响,在日照下电池性能会持续衰退到3%左右,并且不会出现恢复现象。目前市场上多晶组件功率保证是第1年达到97%~97.5%,25年末不低于80%,也就是说,第一年初始光衰稳定后,以后每年衰减0.71%~0.73%。单晶组件由于使用完美晶体结构的硅材料,内部结构更为稳定,第1年功率保证是97%,25年末保证不低于83.8%,第2~25年平均每年衰减仅0.5%,

外观上,单晶硅电池片的四个角存在倒圆角形,表面没有花纹;呈深蓝色,近乎黑色;而多晶硅电池片的四个角呈现方角,表面有类似冰花一样的花纹,呈天蓝色,颜色鲜艳。

  ▲最佳倾角固定式单晶硅光伏板

▲时钟控制型斜单轴多晶硅光伏板

制造工艺

多晶电池比单晶电池生产工艺步骤少,因此多晶硅太阳能电池制造过程中消耗的能量要比单晶硅太阳能电池略少,所以单晶硅组件价格略高。

晶体品质差异

单晶硅片是一种完整的晶格排列,多晶硅片是多个微小的单晶组合,有缺陷、杂质多,因此降低了多晶电池的转换效率,各种因素综合作用使得转换效率单晶硅光伏组件比多晶硅高,从而表现出转换效率优势。

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