硅锗合金调研报告

硅锗合金调研材料

1锗的物化性质

锗（Ge），原子序数为32，粉末状呈暗蓝色，结晶状为银白色脆金属，密度5.35 g/cm3，熔点937.4 o C，沸点2830 o C。值得关注的是，锗具有良好的半导体性质，如电子迁移率和空穴迁移率等，因此对物理和电子学的发展有重要作用。

锗为稀有金属，化学性质稳定，常温下不与空气或水蒸汽作用，但在600 o C 至700 o C时很快生成二氧化锗。锗与盐酸、稀硫酸不起作用，但溶解于热的浓硫酸以及硝酸和王水。碱溶液与锗的作用很弱，但熔融的碱在空气中能使锗迅速溶解。此外，锗与碳不起作用，所以在石墨坩埚中熔化时不会被碳所污染。

2硅锗合金

近年来，随着国家光伏产业的发展，锗在太阳能电池方面的应用研究已成为热点之一。其中，硅-锗合金对光具有高吸收系数，尤其能够有效增加对长波段光的吸收，因此可以使吸收层制作得很薄，这样载流子的传输距离更短更有利于收集，从而能够得到较高的填充因子，同时也减轻了光致衰减效应。

均匀的硅锗合金材料可采用区熔法、直拉法、粉末冶金法和化学气相沉积法制备。其中，采用直拉技术拉制的高质量的硅锗合金单品由于没有边界散射效应，并且具有机械稳定性和均匀性好的优点而成为使用较多的材料之一。

3 硅锗合金在光伏领域的应用

硅材料是太阳能电池领域的主要应用材料，包括单晶硅、多晶硅和薄膜非晶硅等。其中单晶硅和多晶硅在太阳能光电材料中占主导地位，但是由于晶体硅材料的禁带宽度为1.12 eV，太阳能光电转换效率较低，并且在可见光范围内硅的光吸收系数远远低于其他太阳能材料，因此在制备晶体硅太阳能电池时，硅片的厚度需要在150-200μm 以上，才能有效地吸收太阳能。另外，非晶硅薄膜电池存在光致衰退效应，导致其光电转化效率明显下降。

然而，锗硅合金因具有光吸收率高、禁带宽度可调和光谱响应范围可拓宽等优点，可以与现有光伏电池工艺技术完全兼容，比较容易实现高效率的目标。3.1太阳能电池薄膜

薄膜太阳能电池可采用单结或多结结构，其中单结结构因其稳定性差和效率低已较少采用，因此稳定性好、效率高的多结叠层太阳能电池成为薄膜太阳能电池的发展方向，并且目前多采用三结太阳能电池结构。三结太阳能电池中，每一个电池都是由三个半导体结相互叠加而成：底电池吸收红光，中间电池吸收绿光，顶电池吸收蓝光。世界上从事薄膜太阳能电池研制生产的单位主要有美国的United Solar，欧洲的VHF-technologies和日本的Sanyo公司等。

（1）Microcrystalline Si1-x Ge x Solar Cells Exhibiting Enhanced Infrared

Response with Reduced Absorber Thickness（东京大学，2008）：用PECVD法制作出了微晶硅锗薄膜太阳能电池， μ-Si1-x Ge x:H（1 m），研究了0

（2）High efficiency silicon–germanium thin film solar cells using graded absorber layer（xunlight corporation,2009）:制作出了高效稳定的非晶硅锗薄膜太阳能电池，a-Si/a-SiGe，其初始效率为12.94 %，稳定效率为11.22 %。

（3）美国UnitedSolar公司的的产品使用了经过改进的非晶硅锗合金，这种合金能更有效地捕捉太阳光中的红光，同时该公司采用的PECVD技术不仅能将生产线的吞吐量增加一倍，同时还能够在更大的区域内实现更均匀的材料沉积，使得电池表面在标准薄片大小基础之上得以扩大。目前，该公司的电池实验室转化率高达16.3 %（小面积0.25 cm2），大面积（400 cm2）转化效率则达到12 %，并拟于2012年将其成本降至每瓦95美分。

3.2 太阳能电池片

（1）Structural properties of directionally grown polycrystalline SiGe for solar cells（东京大学，2004）：用定向生长的方法研究了锗含量在0-10 %的多晶硅锗的结构性能。结果显示，随锗含量的增加，硅锗的择优生长取向由<111>向<110>转变，并且当锗含量为5 %时，多晶硅锗的晶型结构最好。

（2）US7750232 B2 (Sumco solar corporation,2005)：提出了用于太阳能电池的多晶硅锗及其制造方法，并对比了0.1-8 mol%多晶硅锗的性能。结果显示，硅锗合金与多晶硅相比具有较好的短路电流密度和转化效率（14 %），并且锗浓度在5 mol% 最佳。

（3）US7887633 B2（Calisolar, 2008）：提出了添加锗的硅锭和硅晶体的制作方法，其中所添加锗的纯度不低于99.99 %，在硅锗合金中的浓度范围为50-200 ppm。该方法可以有效提高硅材料的机械强度，并且使多晶硅锗的铸锭产量提高44.7 %，复合寿命提高20.7 %，效率提高1.2 %。

4小结

硅锗合金在光伏领域主要应用于薄膜太阳能电池，而在基于硅片的太阳能电池中的应用却鲜有报道。与传统的硅材料相比，硅锗合金具有高吸光率、高机械强度和能够提高转化效率等优点，因此具有广阔的应用前景。然而，锗价格昂贵，并且在用CVD法制作硅锗薄膜层时很难做到大面积均匀分布，这些不足成为限制硅锗合金应用的主要障碍。