硅基太阳能电池与材料

在高质量单晶硅材料和以其相关的成熟加工工艺 基础上的。 现在， 单晶硅电池的工艺已基本成熟。 为了不断提高电池转换效率，除了进一步加强晶 体质量方面的基础研究，如缺陷和杂质对少子寿 命的影响、更加清楚地理解载流子输运过程及光 吸收特性等外， 仍然深入地进行器件研究， 优化设 计， 如采用表面织构化、 发射区钝化、 分区掺杂等 技术。开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽 埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要靠单晶 硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。 在这个方面， 一些研究单位取得了很好的成果，例如德国费莱 堡的夫朗霍夫太阳能系统研究所，他们采用光刻 照相技术将电池表面织构化， 制成倒金字塔结构， 并 在 表 面 把 $(./ 厚 的 氧 化 物 钝 化 层 与 两 层 减 反 射涂层相结合，通过改进了的电镀过程增加栅极 宽度和高度的比率。采用以上方法制得的电池转 换 效 率 超 过 0(# ， 最 大 值 可 达 0(1(# 2$3 ； 456789: 公 司 203 制 备 的 大 面 积（ 00;7/ 0 ）单 晶 硅 太 阳 能 电 池 转 换 效 率 为 $<1==# ； 斯坦福大学研究的背点接触太 阳能电池、澳大利亚新南威尔士大学开发的钝化 发 射 区 背 局 部 扩 散 （ >?@A ） 电 池 ， 以 及 作 为 对
!00 概述
制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，
# ）要 有 较 高 的 光 电 转 换 效 率 ； $ ）材 料 本 身 对 环 境
不造成污 染 ； 而且材料的 % ）材 料 便 于 工 业 化 生 产 ，
（!"#$%&’"(&))* ） 0512"345762&4’(2*%+8"#$%&’9+:$*;!""#
>?@A 电 池 进 行 改 进 设 计 出 的 一 种 随 机 锥 形 钝 化
发 射 极 和 背 电 池（ @>B>?@* ）， 使直拉硅单晶太阳 后来， 他们又报道 能 电 池 的 转 换 效 率 达 到 00# 2(3 。 了 采 用 区 熔 单 晶 硅 为 材 料 ， 在 >?@A 电 池 中 采 用 倒锥形表面结构制备的太阳能电池的转换效率达 到 0=1=# 2=3 ； 我 国 北 京 太 阳 能 研 究 所 2;3 也 正 积 极 进 行高效率硅太阳能电池的研发工作，他们研制的 平 面 高 效 率 单 晶 硅 电 池（ 07/ C07/ ）的 转 换 效 率 达到 $<1&<#D 刻槽埋栅电极单晶硅电池 （;7/C;7/ ） 的 转 换 效 率 达 到 $!1-# 。 研 究 室 制 备 的 太 阳 能 电 池的转换效率比较高，大面积的商品单晶硅太阳 能 电 池 和 组 件 的 转 换 效 率 一 般 则 为 $=#E$&# 2-3 。 据报道， 我 国 河 北 保 定 英 利 集 团 0""0 年 开 始 建 设 太阳能电池工业化生产线，多晶硅电池片的转换 效 率 可 达 $;# ， 单 晶 硅 电 池 片 的 转 换 效 率 可 达
&
多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池一般采用低等级的半导体
& 个参数的主要因素是冷源的散热情况、坩埚厚
度， 以及加热器的热量分布情况。 这些都取决于铸 锭的设备， 例如坩埚壁的厚度、 石墨托的厚度、 坩 埚冷源的直径等几何参数。我国有色金属研究总 院的刘秋娣等人对多晶硅锭凝固过程的影响因素 进行了分析，并通过数字模拟求解得到最佳铸锭 参数。 他们的研究结论是： （ 石墨托侧壁的厚度 ’） 在满足支撑作用的前提下，要尽可能地薄； （ 石 (） 墨托底部越厚越有利于得到性能优良的硅锭； （ &） 石英坩埚的厚度和冷源半径有最佳值，与实际工 艺中所用炉子的热场分布、 热循环情况关系很大， 需要结合实际参数来确定； （ 在铸锭过程的起始 +） 和收尾阶段， 加热器温度的降低速率必须足够小， 以免细晶的出现和应力过于集中，从而导致晶锭 的 开 裂 4’B5 。 太阳 能 电 池 用 原 料 日本 ’66C 年 2 月成立了 “ 技术研究组” ，专门开发新的太阳能电池用硅材料 （ 的批量生产技术， 规划在 (--- 年度完成。 !"#$!% ） 这种技术是： 使用金属硅为原料， 将其熔化， 在熔融 状态下去除硅中的硼、 磷等杂质， 并通过单向凝固 进行提纯。 其提纯的工序分为 ( 步。 第一步， 通过电 子束真空熔化， 蒸发除去硅中的磷， 并进行单向凝 固， 除去金属杂质等； 第二步是将第一步工序制成 的半成品进行等离子熔化， 在氧气氛中除去硅中的 硼、 碳， 并再次进行单向凝固， 除去硅中的残余金属 杂质。 ’662 年底，日本川铁水岛制铁所建成了年产 太阳能电池用硅 C-D 的中试厂。该厂生产的铸造多 晶硅， 其锭的杂质含量为： EFG-3-,:;HG-3-’:IG’-:"G 这种 ,: 可以达到太阳 能 电 池 用 材 料 所 要 求 的 纯 度 。 硅材料与半导体硅碎片相比， 两种基片的平均转换 效率大致相同。 当生产规模达到年产 ’---D 时， 其成 本可达 (&-- 日元 > JK4’25 。 多晶硅， 或者专门为太阳能电池使用而生产的铸造 多晶硅等材料。 与单晶硅太阳能电池相比， 多晶硅太阳能电池 成本较低， 而且转换效率与单晶硅太阳能电池比较 接近， 因此， 多晶硅太阳能电池是未来地面应用发 展的方向之一。 一般商品多晶硅太阳能电池组件的 转换效率为 ’()*’+) 。商品多晶硅太阳能电池的 产量占硅太阳能电池的 ,-) 左右。 它是太阳能电池 的主要产品之一。 澳大利亚新南威尔士大学， 利 用 ./01 电 池 加 工技术， 采用热交换法生长的多晶硅而制备的多晶 硅太阳能电池， 其 转 换 效 率 达 到 ’23() 。 后来， 他
太阳能是人类取之不尽、 用之不竭的可再生能 源， 也是清洁、 不产生任何环境污染的能源。 在太阳 能有效利用当中， 太阳能光电利用是近年来发展最 快， 也是最具活力的研究领域。 太阳能 !""# 年以来， 电池的平均年增长率高达 !$% ， 目前每年的贸易额 超过 !# 亿美元。硅材料在光伏领域的增长率已高 于它在集成电路领域的增长率。 !""& 年，全世界太 阳 能 产 量 为 !’#() ； !""" 年 为 *##() ， 增 长 将 为 +’#() 左 右 ； 到 *#!# 年 ， 将达 ++% ； *##+ 年 ， 到 ,’#()-.!/###()-. 。
粒的不同取向。晶粒间界中的大量缺陷在硅的禁 带中形成的界面态是光生载流子的复合中心， 影 响多晶硅太阳能电池的特性和效率。控制晶体凝 固过程中的晶粒形状和尺寸， 是降低界面态密度， 从而提高多晶硅太阳能电池性能的重要方法之 一。 多晶硅晶锭的晶粒形状和尺寸控制， 在很大程 度上取决于铸锭工艺过程，即晶体生长过程中的 温度分布、 凝固速度、 固$液 界 面 形 状 。 而影响上述
!
性能要稳定。 综合以上几方面因素考虑， 硅材料是 最理想的太阳能电池材料。 上面的分类顺序也体现 了其相对重要性。 按照电池的生产量来说， 硅材料 太阳能电池无疑是市场的主体， 硅基（多晶硅、 单晶 硅 ）太 阳 能 电 池 占 !"# 以 上 ， 如 果 按 照 每 生 产 $% 太阳能电池需用硅材料 $&’ 计算， 每年全世界需消 费硅材料 (""") 左右； 但是按照市场价值（例如， 用 于铱星系统上 的 太 阳 电 池 ）来 说 ， 化合物半导体材 料也是非常重要的。 它正在处于上 *+, 是后起之秀， 升期。 关于太阳能电池成本、 转换效率和规模化生产 的关系问题，有关专家指出： “根据理论测算显示， 电池的光电转换效率每提高 )+ ，则电池成本可下 降 ,- ； 如 果 按 照 )./0 的 基 数 计 算 ， 每 增 加 则成本就可 下 降 ).- ”。 不过， 成本 )./0 的产量， 的降低应该有一个限度。 而且成本降低到一定程度 后， 成本降低的比例也会降低。 太阳能电池的主要应用领域是消费类产品（包 括 作 为 能 源 利 用 和 玩 具 应 用 等 ）， 占 全 部 用 量 的 其次是通信（包括全部的卫星系统）占 2)+ ； 1.- ； 军 工 和 宇 航 应 用 占 )3+ ； 计 算 机 应 用 占 ))+ ； 汽车 应用占 4+ ； 工业应用占 )3+ ； 其它应用占 2+ 。 太阳能电池从根本上用于 2 个方面： ) ）地面应 用。 其用量大， 但是单价较低； 主要使用硅基光伏 电池组件， 其成本最低， 每年生产几十万平方英寸 的电池。 虽然用量较小， 但 2 ）空 间 飞 行 器 上 应 用 。 是价格较高；主要使用化合物半导体材料的太阳 能电池。 总体来看， 太阳能电池使用最多的还是硅 材料。
255 单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池使用的硅原料主要为： 半导 体硅碎片， 半导体单晶硅的头、 尾料， 半导体用不合 格的单晶硅， 以及专门为生产太阳能电池而制备的 单晶硅， 如中子嬗变搀杂直拉硅单晶。 其中半导体 硅碎片占 -"# 。 在硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池 的转换率最高， 技术也最为成熟。 它是目前最重要 的光伏材料。 高性能的单晶硅太阳能电池， 是建立
( 4+5
的 ’,89A’,89 多 晶 硅 太 阳 能 电 池 组 件 ， 其 转 换 效 率达 ’B) ； 我国河北保定英利集团 (--( 年建设的
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