光电材料的发展

光电功能材料

摘要：物质、能量和信息是构成世界的三大要素。信息功能材料和器件作为21世纪信息社会高新技术产业发展的基础，涉及到信息获取、发射、传输、接收、处理、存储和显示等各个方面，下面就光电功能材料硅的发展现状与趋势做简单叙述。

关键词：光电；硅；太阳能；

1 引言

随着经济的发展，人们对新能源有了更高的要求。太阳能电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件，其材料有单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等，由其是对硅的研究已经引起学界与产业界极大的关注与参与。本文就硅对太阳能光伏产业的应用及其它太阳能电池进行做简要研究。

2.硅的分类

2.1硅的发展及运用

太阳能电池用硅材料是理想的太阳能光电材料，其理想光电转换效率超过30%。因此，硅材料不仅在电子工广泛应用，而且在太阳电池领域也大量应用。太阳能光电工业是建立在硅材料的基础，最早的硅太阳能电池是1954由美国贝尔实验室的卡平等研制的，其太阳能光电效率为6%，但早期硅太阳电池的成本很高，仅被用于太空卫星和航天器。1958年美国发射的Vanguard号卫星上首次使用硅太阳电池，在20世纪50～80年代，几乎所有的人造卫星等空间飞行器上，都是利用硅太阳电池作为主要的电源。虽然后来GaAs材料也应用在空间太阳电池在，但是硅太阳能空间电池依然占据了半壁江山。到了20世纪的90年代，由于硅太阳电池成本的持续降低，通过建立太阳能电站以及和住宅屋顶结合等形式，硅太阳电池实现了并网发电。从20世纪70年代以来，硅太阳电池的全球平均年增长率达到30%，其中1997以硅太阳电池为主的电池组件全球销售达到122MW，2001的销售突破400MW，2000年和2001的年销售均超过40%，而太阳电池的生产成本则以每年7.5%的平均速度下降，预计今后10年太阳能光电工业还将以20%～30%的速度增加，成为世界上最具有发展前景的朝阳工业之一。

2.2 太阳能硅的分类

太阳能电池用硅材料主要包括直拉硅单晶、铸造多晶硅、非晶硅、带（片）状硅和薄膜多晶硅等。

硅单晶的实验转换效率可达到24.7%；在实际生产线中，高效太阳能电池的效率也超过20%；对于常规的地面用商业直拉硅单晶太阳电池，其转换效率一般可达到13%～16%。

多晶硅，由于其相对的低成本高效率成为最主要的太阳电池硅材料。和直拉硅单晶相比，铸造多晶硅中的晶界、位错等缺陷、金属等杂质严重影响了太阳能光电转换效率，实验室里可达到20.3%，目前商业生产的效率为14%～16%。

非晶硅是20世纪70年代发展起来的，通常是在玻璃上沉积一层很薄的非晶硅，具有制备工艺简单、制备温度低、成本低和可大面积连续生产的优点。但非晶硅的原子结构是短程有序和长程无序，存在大量的结构缺陷，主要是具有电学活性的硅悬挂键，严重影响了材料的性能和稳定性，特别是利用非晶硅制备的太阳能电池具有光致衰减缺陷，导致效率很低，实验室的效率也仅为13%，在实际生产中，效率也不超过10%。

多种带（片）状的硅材料和电池已经被发展，这些带状硅晶体的厚度在200～350um之间，仅仅需要将它们从大块的带状切割成合适的大小，就可直接制备太阳电池，而省去从硅晶锭切成硅片的过程，所以大大节约了成本。但由于带状硅体的晶体缺陷和杂质过多，所以带状硅晶体的太阳电池效率依然不够理想。

半导体硅材料是间接带隙材料，其发光效率极其低下，约为10-5左右，不能做激光器和发光管；因此一般认为硅材料不是光电子材料，不能应用在光电子领域。但是硅材料物美价廉，资源丰富，硅工艺成熟完美，若实现硅的发光，就可将微电子和光电子结合，实现硅基光电集成，从而从根本上推动光电子的发展和应用。

2.3硅的制备

2.3.1硅单晶制备

硅单晶的制备：硅单晶是以纯度极高的多晶硅为原料，通常由直接法和区熔法生长而成。

硅单晶的生长，硅单晶中有80%以上是直拉法，德国的simens公司是区熔法生长单晶的先驱者之一。首先是用针眼状的感应线圈加热多晶硅棒的一端，形成一个尖端状的熔区，然后与特定晶向的籽晶接触，这过程称为引晶。接着将籽晶和多晶棒一起往下移动，熔区主举经过多晶棒，这时单晶硅就会在籽晶处延伸。通常，在引晶时，由于热冲击，会在新形成的单晶中产生位错。显然，如果位错不加排除，就会在继续生长的单晶中产生更多的位错，最后无法形成无位错的单晶。为消除位错，可用缩颈工艺，即在形成一段籽晶后，缩小晶体的直径至2～3mm，继续生长20mm左右，可把位错完全排除到籽晶的外表面。接着再生长一段无位错的细晶后，放肩至目标尺寸进入等径生长。

直拉法生长单晶硅可分为6个主要步骤：①加料：将多晶硅原料及掺杂物放置在石英坩埚内，p型一般为硼，n型一般为磷；②熔化：将装有多晶硅的石英坩埚放入热场，将单晶炉腔体抽真空至一定的压力范围，然后加热到硅熔化温度以上，将多晶硅原料融化；③引晶：当硅熔体的温度稳定之后，将具有<100>或<111>等晶向的籽晶慢慢浸入熔硅中，由于籽晶与熔硅接触时的热应力，会导致籽晶产生位错，这些位错可利用缩颈，然后放肩进行硅晶体生长，得到无位错的单晶；④放肩：缩颈完成后，需降低拉速与熔体温度，使得晶体的直径渐渐增大到所需尺寸。大多采用平放肩工艺，达到提高多晶硅的利用率；⑤晶体生长：当放肩直径接近预定目标时，提高拉速晶体逐渐进入等径生长阶段，在等径生长阶段，要调整拉速和温度以使晶体的直径在限定的范围内；⑥收尾：在生长完晶体的主体部分以后，如果立刻将晶体与熔硅液面分开，那么热应力将使晶体产生位错，并且位错会向上攀移一段距离。于是为避免产生位错，必须将晶体的直径慢慢变小，直到成为一尖点而与液面分开。

FZ硅单晶的掺杂：通常为利用载气，将掺杂气体吹入熔区而实现掺杂。N 型参杂利用PH3，而P型掺杂利用B2H6，优点为不需要准备电阻率各异的多晶棒，而不足之处则是n型掺杂的不均匀性，易形成杂质条纹，导致电阻率的径向不均匀性。区熔法生长单晶不但成本高，且直径尺寸也有限制，目前区熔硅在材料市场上只占非常小的比例，绝大部分硅晶体是用直拉法生长的。生产设备可分四个主体部分，炉体、晶体或坩埚升降和旋转机构、气体压力控制和计算机控制系统。