光伏发电未来以及硅材料
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挑战，即： 高纯度－高效率－高寿命－目前（高）成本 中纯度－中效率－高？中？低？寿命－中成本(？) 低纯度－低效率－高？中？低？寿命－低成本(？) 太阳极硅材料纯度和光伏发电成本不一定有简单的 对应关系。
26
◆最近的试验结果
用冶金法提纯的5N-Cz硅片制作的太阳电池 在16小时照射后相对效率下降39.%～45.%， 说明太阳极硅材料的新方法需要从原理上和方法上 获得突破。当然，冶金法正在不断改进和提高。
Developing innovative production technologies to secure reliable production capacities meeting projected feedstock needs 18
•2001年国际上所使用的太阳极硅材料性能状况
购买用于多晶硅片生产的最低级硅的化学杂质指标
World-AIP (GWp) 1.0 14.0 200 1850
Sources：Japanese，US，EPIA and EREC 2040 scenarios EREC - European Renewable Energy Council， EPIA - European Photovoltaic Industry Agency，
1.6Ωcm 1010cm2 mc-Si 衬底在120分钟照射 和260℃退火10分钟后平均少子寿命的可逆变化
23
在国际光伏组件质量认证测试中，允许晶硅组件效 率有小于5％的效率衰减与此有直接关系。
只要太阳电池使用Cz-Si片，光衰减就不可避免。 MCZ（加磁场）能有效减少氧的引入、避免光衰减 现象；目前拉制半导体工业用8英寸单晶硅必须施加磁 场，但还没有在光伏工业中推广。 此外，氧存在还导致形成热施主、氧沉淀等，对电 池效率均产生不利影响。 “半路”引入的氧杂质的影响尚且如此，原材料中 过多的杂质影响可能更为复杂， 特别是金属杂质。
13
• 在各种产业领域中，半导体器件与 材料性能（纯度 和品质）之间的关系最直接、最敏感、关联度最 大。微电子器件如此（向微观尺寸发展），太阳电 池（向宏观尺寸发展）也如此。
• 太阳电池的工作环境是各种半导体器件中最苛刻 的：要经受风吹、日晒、沙尘、冰雹、高低温交 变、潮湿、酸雨、酸雾侵蚀等几乎所有恶劣环境考 验，这是其它半导体器件（大多在室内环境或者恒 温环境中工作）所没有的。
杂质
指标
Fe, Al, Ca, Ti, 金属杂质
各<0.1 ppm(w)
C
< 4 ppm(w)
O
<5 ppm(w)
B
< 0.3 ppm(w)
P
<0.1 ppm(w)
购买的用于生产多晶硅片最低级硅的电学指标
性质
指标
电阻率
>1 cm，p-型
少子寿命
>25μs
Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. Edited by A. Luque and S1.9 Hegedus 2003 John Wiley & Sons, Ltd ISBN: 0-471-49196-9
AIP - Advanced International Policy Scenario 6
2）未来（至2030）超纯多晶硅材料的总需求思考，吨
年
2006 2010 2020 2030
光伏累计安装量，GW 8．0
14
200 1850
光伏组件年产量，GW 2 ． 5 10
50
400
晶硅电池份额，％ 0 . 93 0．9 0．80 0．70
20
掺硼p-型Cz单晶硅电池的光照效率 衰减(～5％)和200℃退火恢复现象
21
光衰减大小(1/ f - 1/ i )与间隙氧浓度[oi]的关系 (样品的硼浓度基本恒定：NB=0.8-1.51016cm-3.) 超线性关系：说明氧影响的严重性。
22
研究表明，光衰减和退火恢复现象 同样存在于mc-Si(掺B)中。
24
3.5 思考
目前我国在太阳极硅材料制造技术和产业发展方 面，正在进行以下两方面的工作;
1)通过合作、引进、消化、吸收，加紧实现西门 子改良法中的尾气回收和循环工艺，特别是四氯化硅 氢化工艺以及综合利用技术，快使我多晶硅材料工业 成为节能和环保的产业之一， 同下游工业一样与世 界拉平。目前许多产业正在做此项工作。
光伏发电的未来及硅材料
赵玉文
1
光伏发电的未来及硅材料
1。光伏发电的未来趋势及硅材料 2。太阳级硅材料短缺引起的效应 3。太阳级硅材料纯度讨论及思考 4。结语
2
1．光伏发电的未来趋势及硅材料
1）太阳能光伏发电是未来最重要的战略能源 ◆ JRC预测
“ European Roadmap for PV R&D”,
我们应该以这种新格局和要求考虑未来硅材料制 造技术和产业的发展。
8
2．太阳级硅材料短缺引起的效应
1）正面效应：促进了光伏发电技术的全面提升： •加速了太阳级硅材料产业发展和技术进步， 促进了太阳级硅材料新方法的探索和开发； •促进了晶硅电池及组件技术的提升： 电池效率，硅片减薄，薄片电池技术， 产业化技术（高度规模化和自动化）， 大组件技术发展等。
12
• 晶硅太阳电池本质上是硅半导体二极管器件，同时 是一个要求有“极限性能”的器件（即开路电压、 短路电流、填充因子愈高愈好，最好能达到理论极 限值）。从器件性能讲，对材料纯度要求与半导体 工业并无本质差别，电子级（EG）与太阳极的纯 度差别只是因为光伏发电对成本的苛刻要求，成本 与性能的折中在一定程度上放松纯度要求。
4
◆ IEA-PVPS预测 2020年光伏发电占世界总发电量1％，2040年>20％
5
◆世界光伏发电发展路线图
Year
2000 2010 2020 2030
USA (GWp)
0.14 2.1 36 200
Europe (GWp) 0.15 3.0 41 200
Japan (GWp) 0.25 4.8 30 205
重。国际市场价格从过去的25美元/kg涨到50美
元/kg时，我国部分公司甚至要200美元/kg以上
才能买到。
• 由于材料短缺和价格飞涨，在利益驱动下少数
公司在制造硅锭时掺入过量劣质材料，导致电
池效率下降和衰减。这种组件出口到国际上可
能引起严重后果。我国少数电池/组件生产商已
经为此受苦。
11
3。太阳级硅材料纯度讨论
电子级硅比例，% 47 . 4 20 . 16 10. 5 3. 2
注:电子级硅材料的总需求，吨，按照6％年增长率考虑 7
未来硅材料需求结构将发生重大变化：超纯硅材 料（电子级＋太阳极）硅材料不但需求量极大（两百 万顿量级），而且对能源、环境、社会的可持续持续 发展具有极端重要意义。
太阳级多晶硅材料逐渐成为高纯多晶硅材料主体。 当太阳级硅材料比例超过90％、总量在百万顿以上时, 硅材料供应格局将发生根本性变化。而且这个庞大的 产业也必须是节能的环境友好的。
European Commission Joint Research Center,
3
2004 EUR 21087 EN）
◆欧洲光伏工业协会(EPIA) 的预测： 2020年：光伏组件年产量：40GW 系统总装机容量：195GW 光伏发电量：274TWh, ＝2020年全球发电量的1％ 光伏组件成本：1美元/Wp 2040年：光伏发电量：7368TWh, ＝ 2040年全球发电量的21％
27
4。结语 ◆伴随着光伏发电的未来发展，太阳极硅材料将成为
一个庞大的产业； ◆现有晶硅电池对太阳极硅材料纯度有一基本要求； ◆我国当前急需解决现有多晶硅材料产业中的尾气回
收，特别是四氯化硅氢化和综合利用技术； ◆建议加大投入，鼓励创新，从原理和方法上获得高
纯硅制造技术的突破，为我国高纯硅产业的跨越式 发展而奋斗。
14
•太阳电池要求的工作寿命是几乎所有半导体器件中 是最长的（25年以上甚至更长）。
•特别恶劣的工作环境、特别长的工作寿命以及市场对 愈来愈高的效率要求，都对材料提出了特殊的纯度和 品质要求。
•从世界晶硅电池技术发展路线图看到，效率（实验室 电池、商业化电池）持续提高，对材料纯度也会有基 本要求。
15
3.2 理论计算结果 •p-型 4cm衬底硅太阳电池中杂质对效率的影响
16
•n-型 1.5cm衬底硅太阳电池中杂质对效率的影响
17
3.3 国外经验和数据
太阳级硅材料产品目标（ASiMI / SGS）
Quality Total Metals
P&B C, O Lifetime Porosity
2）一批资深材料专家、专家团队和企业正在探 索太阳极硅材料制造新方法、新工艺。为我国高纯硅 产业的跨越式发展进行着艰苦卓绝的创造性劳动。
25
在硅材料技术创新过程有两种思维路线： ◆瞄准高纯度目标探索新方法
◆基于：高纯度－高效率－高成本
中纯度－中效率－中成本
低纯度－低效率－低成本
的思路探索新方法。但这个思路会受到寿命因素的
SG－Si消耗，g/Wp
12
11
9
8
太阳级Si总需求量，吨 20000 90000 346000 2220000 (+7900) (+9000) (+14000) (+20000)
电子级硅总需求ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，吨 18000 22720 40700 72900
合计
38000 112720 386700 2292900
3.1 硅太阳电池工作特点与硅材料性能关系 •目前国际上尚没有统一的太阳级硅材料纯度标 准和界定。每年EG和SG-Si的报道数据是根据 商家卖给EG用户和SG用户的量统计的，SG中 也包含有优质料。 •光伏界的经验提法是－太阳级硅纯度大于6N。 实际上对“大于6N”要具体分析，金属杂质浓度 要求更苛刻。
9
•加速了薄膜电池发展 硅基薄膜(a-Si，c-Si, a-Si/c-Si)， CdTe， CIGS。。。。
• 促进了聚光光伏技术发展 • 其它：促进了其它可再生能源技术的发展
如太阳能热发电技术等。
10
2）负面效应：
• 硅材料大幅度涨价，增加了光伏发电成本， 减
缓了光伏发电成本下降趋势等，我国尤其严
Target
< 100 ppbw < 5 ppba, each < 1 ppma, each
> 100 s < 10 vol% (open pores)
Granule diameter range Bulk density
0.5 – 2.0 mm ～ 1500 kg/m3
MISSION
Dedicated supplier of cost-effective PV-grade silicon from silane
28
29
3.4 杂质影响的实际案例－CZ－Si中氧含量的影响 在直拉单晶过程从石英坩埚中引入了氧（大约从
＜1ppm 到 10～40ppm），结果导致CZgui太阳电池 的光衰减现象。
在p-型Cz-Si太阳电池中，氧与硼在光照下发生电 池效率衰减、退火后恢复的现象。
过高的氧是石英坩埚引入的。FZ-Si及MCz-Si太 阳电池则没有此现象发生。
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◆最近的试验结果
用冶金法提纯的5N-Cz硅片制作的太阳电池 在16小时照射后相对效率下降39.%～45.%， 说明太阳极硅材料的新方法需要从原理上和方法上 获得突破。当然，冶金法正在不断改进和提高。
Developing innovative production technologies to secure reliable production capacities meeting projected feedstock needs 18
•2001年国际上所使用的太阳极硅材料性能状况
购买用于多晶硅片生产的最低级硅的化学杂质指标
World-AIP (GWp) 1.0 14.0 200 1850
Sources：Japanese，US，EPIA and EREC 2040 scenarios EREC - European Renewable Energy Council， EPIA - European Photovoltaic Industry Agency，
1.6Ωcm 1010cm2 mc-Si 衬底在120分钟照射 和260℃退火10分钟后平均少子寿命的可逆变化
23
在国际光伏组件质量认证测试中，允许晶硅组件效 率有小于5％的效率衰减与此有直接关系。
只要太阳电池使用Cz-Si片，光衰减就不可避免。 MCZ（加磁场）能有效减少氧的引入、避免光衰减 现象；目前拉制半导体工业用8英寸单晶硅必须施加磁 场，但还没有在光伏工业中推广。 此外，氧存在还导致形成热施主、氧沉淀等，对电 池效率均产生不利影响。 “半路”引入的氧杂质的影响尚且如此，原材料中 过多的杂质影响可能更为复杂， 特别是金属杂质。
13
• 在各种产业领域中，半导体器件与 材料性能（纯度 和品质）之间的关系最直接、最敏感、关联度最 大。微电子器件如此（向微观尺寸发展），太阳电 池（向宏观尺寸发展）也如此。
• 太阳电池的工作环境是各种半导体器件中最苛刻 的：要经受风吹、日晒、沙尘、冰雹、高低温交 变、潮湿、酸雨、酸雾侵蚀等几乎所有恶劣环境考 验，这是其它半导体器件（大多在室内环境或者恒 温环境中工作）所没有的。
杂质
指标
Fe, Al, Ca, Ti, 金属杂质
各<0.1 ppm(w)
C
< 4 ppm(w)
O
<5 ppm(w)
B
< 0.3 ppm(w)
P
<0.1 ppm(w)
购买的用于生产多晶硅片最低级硅的电学指标
性质
指标
电阻率
>1 cm，p-型
少子寿命
>25μs
Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. Edited by A. Luque and S1.9 Hegedus 2003 John Wiley & Sons, Ltd ISBN: 0-471-49196-9
AIP - Advanced International Policy Scenario 6
2）未来（至2030）超纯多晶硅材料的总需求思考，吨
年
2006 2010 2020 2030
光伏累计安装量，GW 8．0
14
200 1850
光伏组件年产量，GW 2 ． 5 10
50
400
晶硅电池份额，％ 0 . 93 0．9 0．80 0．70
20
掺硼p-型Cz单晶硅电池的光照效率 衰减(～5％)和200℃退火恢复现象
21
光衰减大小(1/ f - 1/ i )与间隙氧浓度[oi]的关系 (样品的硼浓度基本恒定：NB=0.8-1.51016cm-3.) 超线性关系：说明氧影响的严重性。
22
研究表明，光衰减和退火恢复现象 同样存在于mc-Si(掺B)中。
24
3.5 思考
目前我国在太阳极硅材料制造技术和产业发展方 面，正在进行以下两方面的工作;
1)通过合作、引进、消化、吸收，加紧实现西门 子改良法中的尾气回收和循环工艺，特别是四氯化硅 氢化工艺以及综合利用技术，快使我多晶硅材料工业 成为节能和环保的产业之一， 同下游工业一样与世 界拉平。目前许多产业正在做此项工作。
光伏发电的未来及硅材料
赵玉文
1
光伏发电的未来及硅材料
1。光伏发电的未来趋势及硅材料 2。太阳级硅材料短缺引起的效应 3。太阳级硅材料纯度讨论及思考 4。结语
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1．光伏发电的未来趋势及硅材料
1）太阳能光伏发电是未来最重要的战略能源 ◆ JRC预测
“ European Roadmap for PV R&D”,
我们应该以这种新格局和要求考虑未来硅材料制 造技术和产业的发展。
8
2．太阳级硅材料短缺引起的效应
1）正面效应：促进了光伏发电技术的全面提升： •加速了太阳级硅材料产业发展和技术进步， 促进了太阳级硅材料新方法的探索和开发； •促进了晶硅电池及组件技术的提升： 电池效率，硅片减薄，薄片电池技术， 产业化技术（高度规模化和自动化）， 大组件技术发展等。
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• 晶硅太阳电池本质上是硅半导体二极管器件，同时 是一个要求有“极限性能”的器件（即开路电压、 短路电流、填充因子愈高愈好，最好能达到理论极 限值）。从器件性能讲，对材料纯度要求与半导体 工业并无本质差别，电子级（EG）与太阳极的纯 度差别只是因为光伏发电对成本的苛刻要求，成本 与性能的折中在一定程度上放松纯度要求。
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◆ IEA-PVPS预测 2020年光伏发电占世界总发电量1％，2040年>20％
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◆世界光伏发电发展路线图
Year
2000 2010 2020 2030
USA (GWp)
0.14 2.1 36 200
Europe (GWp) 0.15 3.0 41 200
Japan (GWp) 0.25 4.8 30 205
重。国际市场价格从过去的25美元/kg涨到50美
元/kg时，我国部分公司甚至要200美元/kg以上
才能买到。
• 由于材料短缺和价格飞涨，在利益驱动下少数
公司在制造硅锭时掺入过量劣质材料，导致电
池效率下降和衰减。这种组件出口到国际上可
能引起严重后果。我国少数电池/组件生产商已
经为此受苦。
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3。太阳级硅材料纯度讨论
电子级硅比例，% 47 . 4 20 . 16 10. 5 3. 2
注:电子级硅材料的总需求，吨，按照6％年增长率考虑 7
未来硅材料需求结构将发生重大变化：超纯硅材 料（电子级＋太阳极）硅材料不但需求量极大（两百 万顿量级），而且对能源、环境、社会的可持续持续 发展具有极端重要意义。
太阳级多晶硅材料逐渐成为高纯多晶硅材料主体。 当太阳级硅材料比例超过90％、总量在百万顿以上时, 硅材料供应格局将发生根本性变化。而且这个庞大的 产业也必须是节能的环境友好的。
European Commission Joint Research Center,
3
2004 EUR 21087 EN）
◆欧洲光伏工业协会(EPIA) 的预测： 2020年：光伏组件年产量：40GW 系统总装机容量：195GW 光伏发电量：274TWh, ＝2020年全球发电量的1％ 光伏组件成本：1美元/Wp 2040年：光伏发电量：7368TWh, ＝ 2040年全球发电量的21％
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4。结语 ◆伴随着光伏发电的未来发展，太阳极硅材料将成为
一个庞大的产业； ◆现有晶硅电池对太阳极硅材料纯度有一基本要求； ◆我国当前急需解决现有多晶硅材料产业中的尾气回
收，特别是四氯化硅氢化和综合利用技术； ◆建议加大投入，鼓励创新，从原理和方法上获得高
纯硅制造技术的突破，为我国高纯硅产业的跨越式 发展而奋斗。
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•太阳电池要求的工作寿命是几乎所有半导体器件中 是最长的（25年以上甚至更长）。
•特别恶劣的工作环境、特别长的工作寿命以及市场对 愈来愈高的效率要求，都对材料提出了特殊的纯度和 品质要求。
•从世界晶硅电池技术发展路线图看到，效率（实验室 电池、商业化电池）持续提高，对材料纯度也会有基 本要求。
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3.2 理论计算结果 •p-型 4cm衬底硅太阳电池中杂质对效率的影响
16
•n-型 1.5cm衬底硅太阳电池中杂质对效率的影响
17
3.3 国外经验和数据
太阳级硅材料产品目标（ASiMI / SGS）
Quality Total Metals
P&B C, O Lifetime Porosity
2）一批资深材料专家、专家团队和企业正在探 索太阳极硅材料制造新方法、新工艺。为我国高纯硅 产业的跨越式发展进行着艰苦卓绝的创造性劳动。
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在硅材料技术创新过程有两种思维路线： ◆瞄准高纯度目标探索新方法
◆基于：高纯度－高效率－高成本
中纯度－中效率－中成本
低纯度－低效率－低成本
的思路探索新方法。但这个思路会受到寿命因素的
SG－Si消耗，g/Wp
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太阳级Si总需求量，吨 20000 90000 346000 2220000 (+7900) (+9000) (+14000) (+20000)
电子级硅总需求ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，吨 18000 22720 40700 72900
合计
38000 112720 386700 2292900
3.1 硅太阳电池工作特点与硅材料性能关系 •目前国际上尚没有统一的太阳级硅材料纯度标 准和界定。每年EG和SG-Si的报道数据是根据 商家卖给EG用户和SG用户的量统计的，SG中 也包含有优质料。 •光伏界的经验提法是－太阳级硅纯度大于6N。 实际上对“大于6N”要具体分析，金属杂质浓度 要求更苛刻。
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•加速了薄膜电池发展 硅基薄膜(a-Si，c-Si, a-Si/c-Si)， CdTe， CIGS。。。。
• 促进了聚光光伏技术发展 • 其它：促进了其它可再生能源技术的发展
如太阳能热发电技术等。
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2）负面效应：
• 硅材料大幅度涨价，增加了光伏发电成本， 减
缓了光伏发电成本下降趋势等，我国尤其严
Target
< 100 ppbw < 5 ppba, each < 1 ppma, each
> 100 s < 10 vol% (open pores)
Granule diameter range Bulk density
0.5 – 2.0 mm ～ 1500 kg/m3
MISSION
Dedicated supplier of cost-effective PV-grade silicon from silane
28
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3.4 杂质影响的实际案例－CZ－Si中氧含量的影响 在直拉单晶过程从石英坩埚中引入了氧（大约从
＜1ppm 到 10～40ppm），结果导致CZgui太阳电池 的光衰减现象。
在p-型Cz-Si太阳电池中，氧与硼在光照下发生电 池效率衰减、退火后恢复的现象。
过高的氧是石英坩埚引入的。FZ-Si及MCz-Si太 阳电池则没有此现象发生。