太阳能晶硅电池发展历程与其关键材料技术

太阳能晶硅电池发展历程及其关键材料技术

前言部分

21世纪以来，全球范围内的传统能源迅速短缺和环境污染日益严重，这两个问题成为了制约经济发展的主要问题。太阳能作为一种清洁、无污染的新能源，早已走进了人们的视野，太阳能发电及光伏产业近来受到了人们的高度重视。太阳能电池是利用光生伏特效应直接把太阳能转换成电能的一种器件。太阳能电池主要有块状太阳能电池和薄膜型太阳能电池两大类，其中硅太阳能电池又可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池等。硅太阳能电池由于其转换效率比较高、性能稳定、原材料丰富等优点成为当今光伏产业中的重要支柱。太阳能电池以硅材料为主的主要原因：

对太阳能电池材料一般的要求：

1、半导体材料的禁带不能太宽；

2、要有较高的光电转换效率：

3、材料本身对环境不造成污染；

4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。

基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。本文简要地综述了太阳能电池的种类及其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展及趋势。

本文就晶硅太阳能电池的发展历程及其关键材料技术展开介绍。

主题部分

太阳能电池发展历程

从发现光伏现象，太阳能电池已经有近170多年的发展历史。1839年法国人发现了光伏现象，38年后才研制出第一片硒太阳电池，仅有1%的转换效率，作为发电没能推广。1954年美国贝尔实验室的3位科学家才做出具有实用价值的单晶硅电池（%），几年后迅速提升到10%，这时主要用于卫星、航天器（价格太高，每瓦要近2000美圆）。

上世纪70年代后，由于化石能源危机（石油、煤炭），再生能源被各国重视，尤其是太阳能电池，此时的工艺、材料研究得到迅速发展，从1995年以后，太阳能电池以每年35%的年增长幅度高速发展。价格也大幅度降低（2—4美圆每瓦)

最近5年是世界光伏电池快速增长几年，平均年增长速度超过40%。

2004年全球太阳能电池产量1200MW，2005年产量达到1650MW，比2004年增加38%。转换效率常规生产单晶%、多晶%，实验室达%。

由于世界各国加大了对硅和生产工艺的研究，加上地球硅材料及其丰富，有人预计，太阳能发电21世纪中叶将占整个能源市场的20%-50%。

太阳能晶硅电池关键材料技术

·晶体硅太阳能电池的基本原理

晶体硅的发电过程：P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结，当光线照射到硅晶体的表面时，一部分光子被硅材料吸收，

光子的能量传递给硅原子，使电子发生跃迁，成为自由电子，在P-N 结两侧聚集，产生电位差。当外部接通电路时，在该电压的作用下，将有电流流过外部电路产生一定的输出功率。

·硅材料简介

硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼（黑色或银灰色固体，熔点2300℃，沸点3658℃，密度克/厘米，硬度仅次于金刚石，在室温下较稳定，可与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和金属氧化物反应，形成金属硼化物。这些化合物通常是高硬度、耐熔、高导电率和化学惰性的物质。）、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个空穴。

P型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。

当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N 区的电子汇扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个有N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这

就形成了电源。

·晶体硅太阳能电池的技术解析

表面织构

减少入射光学损失是提高电池效率最直接方法。化学腐蚀工艺是最成熟的产业化生产技术，也是行业内最广泛使用的技术，工艺门槛低、产量大；但绒面质量不易控制、不良率高，且减反射效果有限（腐蚀后的反射率一般仍在11%以上），并产生大量的化学废液和酸碱气体，非环境友好型生产方式。反应离子刻蚀技术（RIE）是最有发展前景的技术。

发射区扩散

PN结特性决定了太阳能电池的性能！传统工艺对太阳能电池表面均匀掺杂，且为了减少接触电阻、提高电池带负载能力表面掺杂浓度较高。但研究发现表面杂质浓度过高导致扩散区能带收缩、晶格畸变、缺陷增加、“死层”明显、电池短波响应差。PN结技术是国际一流电池制造企业与国内电池企业的主要技术差距。

去边技术

产业化的周边PN结去除方式是等离子体干法刻蚀，该方法技术成熟、产量大，但存在过刻、钻刻及不均匀的现象，不仅影响电池的转换效率，而且导致电池片蹦边、色差与缺角等不良率上升。激光开槽隔离技术根据PN结深度而在硅片边缘开一物理隔离槽，但与国外情况相反，据国内使用情况来看电池效率反而不及等离子体刻蚀技术，因此该方法有待进一步研究。

表面减反射膜生长技术

早期采用TiO2膜或MgF2/ZnS混合膜以增加对入射光的吸收，但该方法均需先单独采用热氧化方法生长一层10～20umSiO2使硅片表面非晶化、且对多晶效果不理想。

丝网印刷与金属浆料技术

丝网印刷技术是低成本太阳能电池产业化生产的关键技术，其主要技术进步与电极浆料及网版制版技术紧密相联。电极浆料技术进步是提升电池效率的捷径，也是一些实验室技术向产业化转换的关键。根据电池表面扩散薄层方块电阻、扩散结深以及表面减反射膜厚度与密度等开发相对应的浆料已经成为国际一流光伏企业领先同行的一

个有力武器。

·晶体硅太阳能电池的分类介绍

单晶硅材料：

单晶硅材料制造要经过如下过程：石英砂—冶金级硅—提纯和精炼—沉积多晶硅锭—单晶硅—硅片切割。硅主要以SiO2形式存在于石英和沙子中。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。该过程能量消耗很高，所以硅的生产通常在水电过剩的地方进行。典型的半导体级硅的制备过程：粉碎的冶金级硅在硫化床反应器中与HCI 气体，混合并反应生成生成三氯氢硅和氢气，Si＋3HCI→SiHC13＋H2。接着，通过精馏使SiHC13与其它氯化物分离，经过精馏的SiHCl3，其杂质水平可低于10-10％的电子级硅要求。提纯后的SiHC13通过CVD原理制备出多晶硅锭。基于同样原理可开发出另一种提纯方法，