太阳能电池板是如何制造的?

2022年10月19日下午12:35
正在制造的太阳能电池板太阳能gb / flickr
查理·霍夫
前施耐德可持续能源研究员

美国刚刚安装了一个新的太阳能项目。

设置一个60秒的计时器,然后等待。也许你可以走出去,晒晒太阳。

活力!-另一个太阳能项目刚刚安装

太阳正照耀着太阳能产业;这些数字令人印象深刻。今天,美国的太阳能发电能力相当于2300万套住房据太阳能工业协会(SEIA)称。这是126千兆瓦(GW),来自数百万太阳能系统遍及全国。

2021年,美国太阳能产业价值330亿美元,就业人数超过23万人,发电能力继续以平均每年33%的速度增长。

太阳能电池板产生将近4%而2015年这一数字还不到1%。在一些地方,这个数字要高得多;例如,17%2021年,加州一半的发电量来自太阳能。2021年美国电网新增能源容量中,近一半来自太阳能。更令人鼓舞的是,到2030年,太阳能产业的目标是发电近三分之一美国电力的一半。

随着未来几年计划推出如此多的太阳能电池板,你可能会想:太阳能电池板到底是什么?它们是如何制造的?

遇见你的太阳能电池板

太阳能发电技术有两种。最常见的有光伏(PV)板或模块它们利用太阳光发电。另一种技术,聚光太阳能发电它利用太阳的热量。

最常见的光伏电池板是用晶体硅(c-SI)制成的。那就是技术美国84%的太阳能电池板根据美国能源部的数据。其他类型包括碲化镉、铜铟镓(二)硒化面板和薄膜非晶硅。由于c-SI面板构成了美国和全球市场的大部分,我在这篇博客中重点介绍它们。

太阳能电池板里有什么?按重量计算,典型的晶体硅太阳能电池板由约76%的玻璃、10%的塑料聚合物、8%的铝、5%的硅、1%的铜以及不到0.1%的银和其他金属制成可持续期货研究所。图形:UCS。

建造晶体硅太阳能电池板有点像建造沙堡,因为硅来自沙子!沙滩上的沙子是二氧化硅,又名二氧化硅。(如果海滩巡逻队放如果有警告标志,我敢打赌没有人会踏上海滩!)硅,以二氧化硅沙子和砾石的形式存在,是地球上第二丰富的元素,仅次于氧气。

在用于太阳能电池板之前,二氧化硅一定要变成纯的“冶金级硅””(毫克)。这个过程消耗了大量的能源:生产1公斤冶金级硅需要14 - 16千瓦时权力的力量,这大致相当于使用你的家烤箱七个小时。尽管如此,在它们的使用寿命中,太阳能电池板还是会排放气体少25倍每千瓦时所含的二氧化碳比煤电所含的二氧化碳还多。

化学打破!制备冶金级硅的配方是

在电弧炉中加入一份二氧化硅(砾石)和两份碳(来自煤、木炭或木屑)

把温度调到2200摄氏度(这是太阳温度的三分之一!!)

哈!剩下99%的纯硅和一氧化碳(这是我们加入的碳,和从二氧化硅中除去的氧结合在一起)

但太阳能电池板是完美主义者;他们要求硅的纯度接近100%。为了实现这一目标,我们需要使用盐酸和氢气的工艺将硅升级为更纯的多晶硅金属。(有趣的事实:关于12%目前世界上生产的硅有一半被加工成太阳能电池板的多晶硅。)

来源:UCS

从沙子到模块

在加入酸和气体后,我们就剩下了大块的多晶硅金属,它们通常会在一个大约5米长的圆柱形模具中再次熔化。加入硼让金属的一边带正电荷。热的,熔化的硅冷却并形成单晶(“单晶”)结构作为圆柱形锭。铸锭是任何被铸造成长方形的材料,就像金条一样。

(另一种工艺用于制造“多晶硅晶圆”,在其中形成多个晶体。这一过程往往会导致低效率的面板,但可以降低晶圆的成本。)

接下来,用线锯将纯金属多晶硅块切成纸一样薄的薄片,通常是7英寸乘7英寸的薄片,称为晶圆。

来源:UCS

硅片在烤箱中加热,并加入一层薄薄的磷,使一面(正极硼的反面)带负电荷。接下来,一个抗反射涂层添加到晶圆片中,因为如果没有它,这些闪亮的圆盘会反射阳光——我们希望它们能吸收阳光。在这个阶段,晶圆已经能够吸收太阳的能量将它转换成电子.现在我们需要添加银金属导体,这样这些电子就可以转化为设备可以使用的电流!

银——世界上最导电的元素——拦截硅片中的电子并将其转化为电流。硅晶圆现在形成了导电太阳能电池。每块太阳能电池板通常包含60或72个电池,使用大约20克银——这只是电池板重量的一小部分约10%占总成本的一半。

铜金属导体和电线将太阳能电池连接成一个大的太阳能电池板,使其具有经典的矩阵外观。铜是一种良好的导电体,具有很好的延展性,这使得它成为一种很好的材料,可以用来形成导线,使电流通过面板。

工人们正在安装一个完整的太阳能电池板。图片来源:GRID Alternatives。

杀死!太阳能电池板已经做好了。

现在仅美国就将其乘以6000万,每年

然后加速,因为我们需要太阳能在实现清洁能源和气候目标方面发挥越来越大的作用。

除了建造太阳能电池板,还有很多事情要做,但负责任地加速太阳能电池板的制造和安装是迈向公正、可持续的可再生能源未来的关键一步。

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作者简介

查理报道。

查理·霍夫斯(Charlie Hoffs)曾在马萨诸塞州剑桥市担任2022年UCS夏季施耐德研究员。她于2022年在斯坦福大学获得化学工程学士学位,目前正在斯坦福大学攻读社区卫生与预防研究硕士学位。2020年4月,她联合创立并继续共同领导unBox,这是一个由年轻人领导的组织,致力于团结和增强年轻人对抗美国粮食不安全的能力。