硅基太阳能电池与材料

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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
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
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
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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 $&’ 计算, 每年全世界需消 费硅材料 (""") 左右; 但是按照市场价值(例如, 用 于铱星系统上 的 太 阳 电 池 )来 说 , 化合物半导体材 料也是非常重要的。 它正在处于上 *+, 是后起之秀, 升期。 关于太阳能电池成本、 转换效率和规模化生产 的关系问题,有关专家指出: “根据理论测算显示, 电池的光电转换效率每提高 )+ ,则电池成本可下 降 ,- ; 如 果 按 照 )./0 的 基 数 计 算 , 每 增 加 则成本就可 下 降 ).- ”。 不过, 成本 )./0 的产量, 的降低应该有一个限度。 而且成本降低到一定程度 后, 成本降低的比例也会降低。 太阳能电池的主要应用领域是消费类产品(包 括 作 为 能 源 利 用 和 玩 具 应 用 等 ), 占 全 部 用 量 的 其次是通信(包括全部的卫星系统)占 2)+ ; 1.- ; 军 工 和 宇 航 应 用 占 )3+ ; 计 算 机 应 用 占 ))+ ; 汽车 应用占 4+ ; 工业应用占 )3+ ; 其它应用占 2+ 。 太阳能电池从根本上用于 2 个方面: ) )地面应 用。 其用量大, 但是单价较低; 主要使用硅基光伏 电池组件, 其成本最低, 每年生产几十万平方英寸 的电池。 虽然用量较小, 但 2 )空 间 飞 行 器 上 应 用 。 是价格较高;主要使用化合物半导体材料的太阳 能电池。 总体来看, 太阳能电池使用最多的还是硅 材料。
硅基太阳能电池与材料
蒋荣华 肖顺珍
(峨眉半导体材料研究所, 四川峨眉山, !"#$%% )
摘 要 综述了近年来国内外硅基太阳能电池及其材料的研究和发展现状;探讨了硅材料的制备工艺与材料的性能, 以 及采用它们所生产电池的优势与不足; 并展望了硅基太阳能电池的发展趋势。 关键词 太阳能电池; 硅材料; 光伏
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单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的, 在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由 于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响,
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新材料产业
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使单晶硅太阳能电池的价格居高不下,要想大幅度 降低其成本是非常困难的。为了寻找既有较高光电 转换效率、 生产成本又很低的材料, 人们进行了多方 面的试验和研究, 发现并开发了多晶硅( 低等级半导 体级多晶硅和铸造多晶硅( ) 、 多晶硅薄膜和 !"#$!%) 非晶硅薄膜材料用于太阳能电池的生产。
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多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池一般采用低等级的半导体
& 个参数的主要因素是冷源的散热情况、坩埚厚
度, 以及加热器的热量分布情况。 这些都取决于铸 锭的设备, 例如坩埚壁的厚度、 石墨托的厚度、 坩 埚冷源的直径等几何参数。我国有色金属研究总 院的刘秋娣等人对多晶硅锭凝固过程的影响因素 进行了分析,并通过数字模拟求解得到最佳铸锭 参数。 他们的研究结论是: ( 石墨托侧壁的厚度 ’) 在满足支撑作用的前提下,要尽可能地薄; ( 石 () 墨托底部越厚越有利于得到性能优良的硅锭; ( &) 石英坩埚的厚度和冷源半径有最佳值,与实际工 艺中所用炉子的热场分布、 热循环情况关系很大, 需要结合实际参数来确定; ( 在铸锭过程的起始 +) 和收尾阶段, 加热器温度的降低速率必须足够小, 以免细晶的出现和应力过于集中,从而导致晶锭 的 开 裂 4’B5 。 太阳 能 电 池 用 原 料 日本 ’66C 年 2 月成立了 “ 技术研究组” ,专门开发新的太阳能电池用硅材料 ( 的批量生产技术, 规划在 (--- 年度完成。 !"#$!% ) 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
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本栏目针对新材料,从科研、应用、产业化、市场、经营 等角度论述新材料产业的现状和趋势。 欢迎各界人士参与讨论,共商新材料产业发展大计。
>?@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 $;# , 单 晶 硅 电 池 片 的 转 换 效 率 可 达
太阳能是人类取之不尽、 用之不竭的可再生能 源, 也是清洁、 不产生任何环境污染的能源。 在太阳 能有效利用当中, 太阳能光电利用是近年来发展最 快, 也是最具活力的研究领域。 太阳能 !""# 年以来, 电池的平均年增长率高达 !$% , 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 ,’#()-.!/###()-. 。
其工作原理是利用光电材料吸收光能量后发生光 电转换效应。 根据所用材料的不同, 太阳能电池可 分为: 多晶硅和单晶硅为材 ! )以 非 晶 硅( ! 123 )、 料的硅太阳能电池; * )以 "1 # 族化合物半导体如
4.56 、 789 等多元化合物为材料的太阳能电池; + )
以铜铟硒( :;782<* 简写为 :72 )为材料生产的太阳 能电池; 塑料 / )以 其 它 材 料( 如 $ 1 % 族 半 导 体 , 有机材料)生产的太阳能电池; 另外, 锗单晶也是重 要的太阳能电池 材 料 。 4.56-4< 主 要 用 于 空 间 太 阳 能电池。 无论采用何种材料生产太阳能电池, 它们对材 料的一般要求是: 半导体材料的禁带不能太宽; ")
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们对这种电池作了进一步改进, 把电池表面掩蔽在 热生长氧化物中, 以降低其有害电子活性, 进行各 向同性腐蚀,以形成六角形对称蜂窝表面结构, 从 而进一步减少反射损耗,增加电池有效光学厚度, 使 多 晶 硅 电 池 的 转 换 效 率 达 到 ’632)7 面 积 ’89 :
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日本京工陶瓷公司研制 ;<’3, , ’--9= > 89 :(,?@ ;
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Hale Waihona Puke Baidu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 ,
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