CN103022179A

CN103022179A - 太阳能晶体硅片、电池片及太阳能发电装置

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Publication number: CN103022179A
Application number: CN2011103045195A
Authority: CN
Inventors: 赵钧永
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明涉及以晶体硅或铸造晶体硅或硅合金为主体的太阳能电池片和晶体硅片及太阳能发电装置。铸造晶体硅片或一些非铸造的晶体硅片通常用来制作晶体硅太阳能电池片，而晶体硅太阳能电池片用来制作太阳能发电装置。本发明提出了几何形状改进的铸造和非铸造晶体硅片、铸造晶体硅太阳能电池片和及其制成的太阳能发电装置，较现有的硅片、电池片和太阳能发电装置，具有更低的制造成本和更高的产出能力。

Description

太阳能晶体硅片、电池片及太阳能发电装置

技术领域

本发明一般涉及以晶体硅或铸造晶体硅或硅合金为主体的太阳能电池片和晶体硅片及太阳能发电装置。铸造晶体硅片或一些非铸造的晶体硅片通常用来制作晶体硅太阳能电池片，而晶体硅太阳能电池片用来制作太阳能发电装置，例如太阳能电池，或称光伏电池。本发明提出了改进的铸造和非铸造晶体硅片、铸造晶体硅太阳能电池片和晶体硅太阳能发电装置。

背景技术

晶体硅(或硅合金)材料依据其制造方法的不同可分为铸造晶体、直拉单晶(棒)和区熔晶体。铸造硅晶体从方法上区分，可分为坩埚铸造硅晶体和无坩埚铸造(例如电磁悬浮铸造)硅晶体；从晶体结构上区分，可分为铸造多晶硅和铸造单晶硅。直拉单晶(棒)和区熔晶体，由于晶体生长方式和热场控制的要求，其主体部分通常呈近似圆柱体形。

光伏发电装置由于发电功率是面积依赖性的，通常需要多个电池片在单位面积内拼排成最大有效面积，因而，适应于硅锭切割和电池片密排，现有的光伏用电池片和硅片通常采用等边的四边形的轮廓形状，具有四个角部位。

将铸造硅晶体制成硅片，现有方法是将整块的晶体锭或棒剖分成多个较小的正四棱柱形的硅块，俗称硅方锭，再经棱部倒角处理，然后以硅方锭的任意一个沿棱柱或长轴方向的硅方锭表面粘结固定在工装上，加载于切片机，沿垂直于长轴的方向切片获得硅片，例如中国专利申请公开CN201010238223.3所述。

将直拉单晶或区熔单晶棒制成硅片，现有方法是将近似圆柱体形的晶棒滚磨成圆棒，然后再沿与长轴平行方向切除圆棒外侧部分晶体，将晶棒切割成四角带圆弧曲面的等边棱柱体，称硅方棒，然后以硅方棒的任意一个沿棱柱或长轴方向的平面表面粘结固定在工装上，加载于切片机，沿垂直于长轴的方向切片获得硅片。制成带圆弧曲面的方棒而不是制成正四棱柱形的方锭，是为了兼顾较大的硅片拼排面积和晶体的利用率，因为直拉单晶或区熔单晶的加工成本较高。

上述现有方法制造的晶体硅片，外观呈方形斜角或方形圆角，具有四个基本上等长的边缘轮廓线(侧边线)和靠近轮廓线端部的四个角部。

按现有的技术将硅方锭或硅方棒切割成硅片，加工成本较高，一方面是由于工序较多，加工周期长，硅原料和半成品库存高，另一方面是由于加工设备昂贵，稼动率低，设备产出能力低。随着硅片切割新技术的应用，诸如金刚石线锯技术、高速切割工艺，切割速度快速提高，156硅片的单锭切割时间由原来的9小时左右缩短到4～6小时，导致稼动率进一步降低。

发明内容

因此，本发明的目的之一是提供新型的改进的太阳能晶体硅片，和改进的晶体硅太阳能电池片，以及包含有该改进的铸造晶体硅太阳能电池片的新型太阳能发电装置，以实现较低的硅片、电池片、和太阳能发电装置的加工或制造成本。同时，本发明还提出了制造上述改进的晶体硅片的方法。本发明的新型晶体硅片，包括单晶硅片和多晶硅片；本发明的新型晶体硅太阳能电池片，包括单晶硅太阳能电池片和多晶硅太阳能电池片。

发明人经过仔细分析发现，加工周期长的原因包括硅锭粘胶固定于工装需要较长的时间，将带工装的硅锭装载到切片机并完成布线等切割准备和切割后卸载、清理，也消耗大量时间，后者更降低了昂贵的切片机的稼动率和产能，提高了设备折旧成本。

发明人通过深入研究和仔细计算发现，将现有的按产出硅片片数的数量计算的单刀硅方锭粘胶或装载、卸载时间，改为按产出硅片的面积计算，意外地得出结论：通过降低粘胶面面积与获得的硅片的总表面积的比值，可以降低生产单位硅片面积的粘胶时间和装载、卸载时间，提高昂贵的切片设备的稼动率。发明人发现，将现有的等边长的圆角、弧角或斜角方形硅片，改为具有不等边长的圆角、弧角或斜角长方形硅片，就可以降低粘胶面面积与获得的硅片的总表面积的比值，从而降低成本，提高工效。

发明人还发现，在硅片制造、电池片制造和电池片封装成太阳能发电装置的生产线制造过程中，存在着大量对硅片和电池片进行的空间不对称操作，而通过将硅片、电池片制成不对称的长方形，可提高这些不对称操作以硅片或电池片面积计算的工作效率，从而增加生产线产出能力，降低成本。

根据上述分析和计算，并考虑到操作的可靠性和便利性，本发明设计出新型太阳能晶体硅片，其为圆角或斜角或弧曲面角的长方形硅片，具有主体为长方形的轮廓，其特征是，构成硅片所述的长方形轮廓的长边与短边边长之比在1.1～4之间。

进而获得的本发明的晶体硅太阳能电池片，为圆角或斜角或弧曲面角的长方形晶体硅电池片，具有主体为长方形的轮廓，其特征是，构成电池片所述的长方形轮廓的长边与短边边长之比在1.1～4之间。

根据同样的构思和方案获得的本发明的太阳能发电装置，包含至少一个具有长方形轮廓的晶体硅太阳能电池片、封装该太阳能电池片的底板和透光的面板、收集电池片产生的电流的输出端子，其特征是，构成所述的电池片长方形轮廓的长边与短边边长之比在1.1～4之间。

本发明所述的上述晶体硅片、晶体硅电池片和太阳能发电装置的晶体硅太阳能电池片的所述长方形轮廓的长边与短边边长之比，优选1.3～2.5，进一步优选1.45～2.05。

本发明还提供了一种制造上述具有长方形主体轮廓的晶体硅片的方法，包括，切割硅锭或硅棒，以获得截面为长方形或截面的主体为长方形的四棱柱形晶体硅方锭或带弧曲面的四棱柱形晶体硅方锭，任选对四棱柱形的硅方锭沿长轴的棱作倒角、倒圆或去直角棱边处理，然后以四棱柱形的晶体硅方锭与长轴平行方向的较窄的一个侧面的至少部分表面作为接触面将硅方锭固定在工装上，装载于切片机，沿垂直于长轴的方向将硅方锭切割成硅片。

本发明还提供了上述制造具有长方形主体轮廓的晶体硅片的方法的改进方案，包括，将所述的硅方锭的作为固定于工装的接触面的较窄的侧面的斜对侧的侧面的至少部分表面也作为接触面贴紧或固定在工装上。

本发明提出的上述长方形的单晶或多晶的晶体硅片或电池片或太阳能发电装置的方案，相比同样面积的方形硅片，允许更短的切割线行进方向的切割距离，可降低硅片的TTV不良出现率，并降低硅片的厚度公差，允许更薄的硅片切割工艺，提高晶锭的硅片产出率，由此，本发明能显著地降低硅片的制造成本，并因而降低电池片和太阳能发电装置的制造成本。

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

附图说明

附图示意本发明的新型晶体硅片1，其轮廓为长方形，边长为a、b，角部外缘线标示为c。

本发明的附图为示意图，图中各部位所显示的相对大小，依清楚地展示和方便绘图的需要做了调整，并不代表实际的比例或尺寸。附图中并未显示硅片的厚度。本发明所述的硅片、电池片的厚度，可以依据使用需要而任意选取合适的厚度，通常，为节省材料，本发明的硅片、电池片的厚度值在100～300μm。根据本发明，选取较薄的厚度，更容易体现本发明的产品提高成品率和降低成本的优势。

具体实施方式

附图示意本发明的一种晶体硅片的实施方式。所述的硅片的具有长方形的主体轮廓，边长分别为a，b。c示意硅片的非直角的角部外缘线。图中可见，所述的非直角的角部，可视为从长方形的直角部位去掉了一小部分直角而形成，其中，c远小于a或b。根据本发明，a/b值在1.1～4之间，优选1.3～2.5，进一步优选1.5～2。适用于制造太阳能电池片，本发明中，b的大小一般在50～250mm，优选100～200mm，进一步优选120～160mm，例如125mm、156mm等等。

在根据本发明的晶体硅片的上述实施方式的一个具体实施例中，主体为长方形的多晶硅片的边长a为137.5mm，边长b为125mm，c的长度为3mm。

在根据本发明的晶体硅片的上述实施方式的另一个具体实施例中，主体为长方形的多晶硅片的边长a为150mm，边长b为125mm，c的长度为2mm。

根据本发明的晶体硅片的上述实施方式的再一个具体实施例中，主体为长方形的多晶硅片的边长a为187.5mm，边长b为125mm，c的长度为2.5mm。

根据本发明的晶体硅片的上述实施方式的一个具体实施例中，主体为长方形的多晶硅片的边长a为220mm，边长b为110mm，c的长度为2.5mm。硅片的厚度为160μm。由于较短的边长b作为切割时切割线行进方向切割的长度，硅片近边缘处(通常以长边所在的相对两侧距离边缘6mm处为准)的厚度差或TTV可以控制在15微米以下，达到10μm左右，降低了硅片的厚度公差，因此，可以将硅片切割得更薄，从而提高了硅片的产出率。相比之下，现有技术的具有相同面积的方形硅片，其边长为156mm，TTV一般在15～30μm之间，平均值在20μm左右，硅片的厚度最薄只能做到180μm。

在根据本发明的晶体硅片的上述实施方式的一个具体实施例中，主体为长方形的多晶硅片的边长a为226mm，边长b为156mm，c的长度为1.8mm。硅片的厚度为180+/-20μm。

在根据本发明的晶体硅片的上述实施方式的一个具体实施例中，主体为长方形的多晶硅片的边长a为250mm，边长b为125mm，c的长度为3.5mm。硅片的厚度为180+/-15μm。

在根据本发明的晶体硅片的上述实施方式的一个具体实施例中，主体为长方形的铸造单晶硅片的边长a为500mm，边长b为125mm，c的长度为3.5mm。硅片的厚度为200+/-15μm。

在根据本发明的晶体硅片的上述实施方式的一个具体实施例中，主体为长方形的铸造单晶硅片的边长a为281mm，边长b为156mm，c的长度为3.5mm。硅片的厚度为200+/-20μm。

在根据本发明的晶体硅片的上述实施方式的一个具体实施例中，主体为长方形的铸造单晶硅片的边长a为320mm，边长b为156mm，c的长度为2.8mm。硅片的厚度为190+/-20μm。

在根据本发明的晶体硅片的上述实施方式的一个具体实施例中，主体为长方形的铸造单晶硅片的边长a为390mm，边长b为156mm，c的长度为3.5mm。硅片的厚度为200+/-20μm。

根据本发明的硅片制造方法，包括，将按太阳能晶体铸锭方法生长的铸造晶体硅锭开方，获得截面边长分别为250mm、125mm、高度为2600mm的四棱柱形硅方锭，任选将四条棱边做小倒角加工，将获得的硅方锭的边长为2600mm、125mm的平面硅面作为固定接触面，把硅方锭粘结在工装上；将至少一个固定了硅方锭的工装装载到切片机的切割工位，按沿垂直于长轴的方向切割硅方锭的方式，启动切片机切割硅方锭，切割完成后卸载并取下获得的硅片，得到多个长方形晶体硅片，其边长为250mm、125mm。

根据本发明的硅片制造方法，将晶体硅锭开方，获得截面边长分别为260mm、130mm、高度为2600mm的四棱柱形硅方锭，任选将四条棱边做小倒角加工，将获得的硅方锭的边长为2600mm、130mm的平面硅面作为固定接触面，把硅方锭粘结在工装上；同时，将该粘结固定接触面的斜对侧的边长为260mm、2600mm的侧面的至少一部分，任选粘结固定或紧密贴合在工装上，将工装连同硅方锭装载到切片机的切割工位，按沿垂直于长轴的方向切割硅方锭的方式，启动切片机切割硅方锭，切割完成后卸载并取下获得的硅片，得到多个长方形晶体硅片，其边长为260mm、130mm。

本发明的上述将硅方锭的2个面与工装粘结固定，适合于粘结剂强度不高、或目标硅片的长短边比值较大、硅锭重量较大的情况，或硅方锭倾斜切割的情况，可增加硅方锭的固定牢固程度，确保切割中硅方锭不会从工装上掉落。

本发明的上述将硅方锭的第2个面与工装贴紧的方法，可利用压力使工装面压紧在硅平面表面，将该被压紧的表面作为切割线切割终点的出刀口面，可减少表面的崩边、硅落等不良。

取上述各实施例的晶体硅片，将其按常规的晶硅电池片制造方法和制程制成电池片，即获得本发明的晶体硅太阳能电池片，它具有呈现为长方形的主体轮廓，其长方形的长、短边长之比在1.1～4之间，例如，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0，2.01，2.1，2.2，2.45，2.5，等等。将至少一个该电池片封装成光伏电池组件，即获得本发明的一种太阳能发电装置。

取边长分别为250mm、125mm的p型掺杂的晶体硅片，经表面制绒、磷扩散制pn结、腐蚀去磷硅玻璃、边缘刻蚀、镀减反射膜、电极印刷、烧结等常规电池片制作工艺处理，制成本发明的一种新型晶体硅太阳能电池片。它具有呈现为长方形的主体轮廓，其长方形的长、短边长之比为2。

将上述至少一个电池片，用底板和透光的面板封装，并设置可收集电池片产生的电流的输出端子，即获得本发明的一种太阳能发电装置。将其作为光伏电池组件，和支架、控制器、输出电缆连接起来，即构成一个本发明的太阳能发电系统。

取边长分别为250mm、125mm的电池片9片，3个一组拼排成3列置于封装底板上，设置连接各电池片导电线栅的、可收集电池片产生的电流的输出端子，用EVA和透光的面板做层压封装，并即获得本发明的一种太阳能发电装置。将其作为光伏电池组件，和支架、控制器、输出电缆连接起来，即构成一个本发明的太阳能发电系统。

按本发明的方法切割硅方锭获得边长为234mm、156mm，厚度200μm的本发明的长方形硅片，其单片实测面积为36490mm²，消耗相同的硅方锭粘结固定时间和切割装载、卸载时间，较现有的边长为156mm的方形硅片，多产出硅片面积50％。同时，按单位硅片面积计算的硅片分选、电池片制造速度也得到明显提高。

根据本发明的硅片方案制造的220*110*0.16mm超薄硅片，较同样面积的156*156*0.18mm普通硅片，每公斤硅方锭可多产出3.3片，产出提高6.3％，显著降低了硅片成本，并因而降低了本发明的晶硅电池片和太阳能发电装置的成本。

本发明发现，长方形的硅片的长短边长之比，如果低于1.1，则其降低成本的效果不明显；如果高于4，会导致制造加工过程中不方便操作并易于遭受机械损伤；而比值1.5+/-0.05和2.0+/-0.05最适合硅片、电池片的加工操作和有最佳的外观效果；比值1.45～2.55处于优选范围。

本发明所述的晶体硅片和电池片，包括含各种掺杂剂的晶体硅片和电池片，例如含有基于电池片性能基础所需要的P型掺杂剂硼、镓或N型掺杂剂磷、锑的硅片和电池片，含有性能改良剂例如锗的晶体硅片、电池片。其中，掺杂剂含量一般不超过49％，例如，含锗约30％的晶体硅片和由此硅片制成的电池片。

本发明使用的硅片具有半导体性质，并利用其半导体性质制成掺杂的晶体硅片，用于制作太阳能电池片。具有同样半导体性质的锗、砷化镓、碳化硅合金等也可适用本发明。

本领域的技术人员显而易见，在不偏离本发明的范围或构思的情况下，可以对所披露的结构和方法做出各种修改和变形。

本发明的说明书和实施方案只是示例性的，考虑到说明书以及实践本文中披露的发明精神，本领域的技术人员可以显而易见本发明的其他实施方案。

Claims

1.一种太阳能晶体硅片，具有主体为长方形的轮廓，本发明的特征是，构成硅片所述的长方形轮廓的长边与短边边长之比在1.1～4之间。

2.根据权利要求1的晶体硅片，其特征是，所述的长方形轮廓的长边与短边边长之比在1.45～2.55之间。

3.根据权利要求1～2所述的晶体硅片，其特征是，硅片的长边所在的相对两侧近边缘处厚度之差(TTV)小于15um。

4.一种晶体硅太阳能电池片，具有主体为长方形的轮廓，本发明的特征是，构成所述的电池片长方形轮廓的长边与短边边长之比在1.1～4之间。

5.根据权利要求4所述的太阳能电池片，其特征是，所述的电池片的长方形轮廓的长边与短边边长之比在1.45～2.55之间。

6.根据权利要求4～5所述的太阳能电池片，其特征是，构成电池片的硅片的长边所在的相对两侧近边缘处厚度差小于15um。

7.制造具有长方形主体轮廓的晶体硅片的方法，其特征是，以四棱柱形的晶体硅方锭与长轴平行方向的较窄的侧面的至少部分表面作为固定接触面将硅方锭固定在工装上，沿垂直于长轴的方向将硅方锭切割成硅片。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，将所述的硅方锭的作为固定接触面的较窄的侧面斜对侧的侧面的至少部分表面也作为接触面贴紧或固定在工装上。

9.一种太阳能发电装置，包含至少一个具有长方形轮廓的太阳能电池片、封装该太阳能电池片的底板和透光的面板、收集电池片产生的电流的输出端子，其特征是，构成所述的电池片长方形轮廓的长边与短边边长之比在1.1～4之间。

10.根据权利要求9所述的一种太阳能发电装置，其特征是，所述的太阳能电池片的长方形轮廓的长边与短边边长之比在1.45～2.55之间。