太阳能晶硅电池发展历程及其关键材料技术.

太阳能晶硅电池发展历程及其关键材料技术摘要：

随着经济的快速发展，对能源的需求越来越大，太阳能作为一种非常理想的清洁、可再生的新能源，可以缓解能源短缺和环境污染。

人们利用太阳能的方式有很多种，包括太阳能光化学转化、光热转化和光电转化，其中太阳能光电转化是将太阳能转化成电能，也就是一般说的光伏技术。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。

关键词：单晶硅、多晶硅

晶硅太阳能电池的发展：

随着21 世纪的到来，经济飞速发展，对能源的需求越来越大，大量化学燃料的使用，导致能源迅速短缺和环境污染日益严重。新能源成为21 世纪研究的重要领域之一，太阳能的应用与普及受到了人们的高度重视。太阳能是由太阳的氢经过核聚变产生的一种能源，太阳的能量非常丰富，每秒钟照射到地球上的能量相当于500 万吨标准煤，如果换算成电能则大约为3.8×1019MW，可见太阳的能量有多么巨大，而且太阳能不含有害物质，不排除二氧化碳，因此科学家们认为太阳能的利用极富发展前景，是人类解决当前能源危机的一种有效途径。于是，人们将目光纷纷投向了太阳。

太阳能是一种非常理想的清洁、可再生的新能源，可以缓解能源短缺和环境污染。人们利用太阳能的方式有很多种，包括太阳能光化学转化、光热转化和光电转化，其中太阳能光电转化是将太阳能转化成电能，也就是一般说的光伏技术。（光生伏打效应是指物体由于吸收光子而产生电动势的现象，是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。）在各种太阳能电池中，硅太阳能电池因其可靠性高、寿命长、能承受各种环境变化等优点成为太阳能电池的主要品种，目前，国际上98%以上的太阳能电池是利用硅材料制备的。据统计在2005 年的世界光伏市场中，硅太阳能电池占据的比重为87%，其中单晶硅占太阳能电池占据的比重为32％、多晶硅太阳能电池占据的比重为58％、硅薄膜太阳能电池占据的比重为7％、而其它材料的太阳能电池仅占据总比重的3％。而且硅的含量很丰富，是继氧之后地壳中含量最多的元素，并且硅太阳能电池的制备是建立在半导体工业技术之上，所以硅太阳能电池技术被普遍地接受并发展利用。

自1954年在美国贝尔实验室成功研制出来第1块单晶硅太阳能电池以来,开启了人类对太阳能在发电方面使用的一扇大门。1958年太阳电池首先在航天器上得到应用。20世纪70年代初,硅太阳电池开始在地面应用。从80年代起,太阳能电池效率大幅度提高,生产成本进一步降低。从1990年到2000年,光伏组件的销售每年平均以20%的速率增长,特别是从1997年以来,年增长速度上升到30%。

日本从1991年开始到2001年在建筑屋顶安装光伏系统累计333MW ,平均每年增长20MW。美国1980年正式将光伏发电列入公共电力规划,累计投资达8 亿多美元,1997年宣布“百万屋顶光伏计划”,到2010年将安装1000～3000MW太阳电池。德国从1999年启动“屋顶光伏”计划,当年安装7MW , 2000年39MW , 2001年

77MW ,

到2003年达到405MW。2002年,我国国家计委启动了“西部省区无电乡通电计划”, 光伏用量达到16.5MW。2006年我国产量达到460MW ,比2005年增加280 % ,可再生能源发展空间巨大。我国政府规划目标是2020年太阳能电池安装要达到1800MW。

晶体硅太阳能电池仍占行业的主导地位，市场份额超过90％，尤其是多晶硅太阳能电池的市场份额已远远高于单晶硅太阳电池的市场份额，由两年前的50/50的

比例发展到去年的52/38，导致这一变化趋势的原因是由于多晶硅片的生产能力

远远大于单晶硅片的生产能力以及多晶硅太阳能电池转换效率的迅速提高。由于太阳能电池的成本主要来源于硅片材料，且在短时间内硅材料成本下降速度缓慢，因此不断提高太阳能电池的制造技术、提高转换效率是降低太阳能电池生产成本的重要途径。

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2.34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。

单晶硅材料：

单晶硅材料制造要经过如下过程：石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。硅主要以siO2形式存在于石英和砂子中。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，约为14kwh／kg，因此硅的生产通常在水电过剩的地方（挪威，加拿大等地）进行。这样被还原出来的硅的纯度约98％一99％，称为冶金级硅（MG一Si）。大部分冶金级硅用于制铁和制铝工业。目前全世界冶金级硅的产量约为50万吨／年。半导体工业用硅占硅总量的很小一部分，而且必须进行高度提纯。电子级硅的杂质含量约10-10％以下。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三氯氢硅和氢气，Si＋3HCI→SiHC13＋H2。由于

SiHC13在30℃以下是液体，因此很容易与氢气分离。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，即在硫化床反应器中，用Si烷在很小的Si球表面上原位沉积出Si。此法沉积出的Si粉未颗粒只有十分之几毫米，可用作CZ直拉单晶的投炉料或直接制造Si带。

拉制单晶有CZ法（柑祸拉制）和区熔法两种。CZ法因使用石英柑蜗而不可

避免地引入一定量的氧，对大多数半导体器件来说影响不大，但对高效太阳电池，氧沉淀物是复合中心，从而降低材料少子寿命。区熔法可以获得高纯无缺陷单晶。常规采用内圆切割（ID）法将硅锭切成硅片，该过程有50％的硅材料损耗，成本昂贵。现在已经开发出多线切割法，可以切出很薄（～100Pm）的硅片，切割损失小（～30％），硅片表面切割损伤轻，有利于提高电池效率，切割成本低。多晶硅材料：

由于硅材料占太阳电池成本中的绝大部分，降低硅材料的成本是光伏应用的关键。浇铸多晶硅技术是降低成本的重要途径之一，该技术省去了昂贵的单晶拉制过程，也能用较低纯度的硅作投炉料，材料及电能消耗方面都较省。

1）铸锭工艺

铸锭工艺主要有定向凝固法和浇铸法两种。定向凝固法是将硅料放在柑塌中加以熔融，然后将柑塌从热场中逐渐下降或从增蜗底部通上冷源以造成一定的温度梯度，使固液界面从柑蜗底部向上移动而形成晶锭。定向凝固法中有一种称为热交换法（HEM），在柑祸底部通入气体冷源来形成温度梯度。浇铸法是将熔化后的硅液从增祸中倒入另一模具中凝固以形成晶锭，铸出硅锭呈方形，切成的硅片一般尺寸为10cmXl0cm，平均晶粒尺寸从毫米到厘米。

2）多晶硅结构及材料性能

采用计算机图象仪可对硅片缺陷及少子寿命等参数进行面扫描，这对观察多晶硅材料性能、结构及进行系统分析具有很大帮助。针对特有的铸锭工艺来分析氧、