太阳能电池用硅材料的研究现状与发展趋势

摘　要 　根据太阳电池用硅材料的结晶形态

可分为单晶硅、

多晶硅、

非晶硅

分别综述了它们的特点、

研究历史、

现状和最

新成果

并讨论了太阳电池用硅材料的有关问题与发展趋势。

种形态的硅各有优缺点和使用领域

并且随技术的发展不

断完善

多晶硅、

硅带、

晶态薄膜硅以其高性价比将成为光伏市场的主打材料。

关键词 　太阳能电池

;

单晶硅

;

多晶硅

;

非晶硅

　　自太阳能电池问世以来 ,硅以其高储量、

较为成熟

的工艺、

洁净无污染、

合适的能带结构 (较高的转换效

率) 、

高的性能稳定性 (长寿命) 等优势成为了太阳能电

池研究开发的主体材料

[ 1 ]

, 其所占市场份额已超过

90 % ,且预计在将来很长的一段时间内还将继续保持这
种优势

[ 2

～

4 ]

。目前 ,对于硅太阳能电池材料研究和开发

利用的有好多种 ,就硅材料的晶态而言 ,大致可归纳为
单晶硅、

多晶硅与非晶硅 3 类。

　单晶硅

( mo nocrystalline silico n)

单晶硅太阳能电池是研究应用最早的硅太阳能电

池 ,其转换效率最高 ,技术也最为成熟 ,多用于光照时间
少、

光照强度小、

劳动力成本高的区域 ,如航空航天领域

等

[ 1 ]

。通过采用各种不同的硅片加工及电池处理技术 ,

国内外各科研机构及电池厂家都生产制备出了相应较
高效率的单晶硅电池 ,据报道 ,其实验室小尺寸硅片转
换效率已高达 24. 7 % ,大尺寸的单晶硅模片效率最高
也已达 22. 7 %

[ 5 ]

。

以往用于生产太阳能单晶硅的原料主要为 :半导体

单晶硅碎片、

半导体单晶硅生长制备过程中的头尾料

等。随着光伏产业的迅猛发展 ,以上原料已不能满足市
场发展的要求 ,所以近年来开发了一些适合于太阳能级
硅生产制备的新工艺 ,生产出高纯多晶硅 (硅含量一般
在 6N 以上) ,以用于太阳能单晶硅拉制的原料。目前 ,
单晶硅的拉制生长技术主要有直拉法 (CZ 法) 和悬浮区
熔法 ( FZ 法) 两种

[ 6 ]

。直拉法是利用旋转着的籽晶从坩

埚中提拉制备出单晶的方法 ,其原理见图 1

[ 7 ]

,相比之

下 ,直拉法工艺成本较低 ,国内外大多数太阳能单晶硅
片厂家目前也多采用这种技术。而 FZ 法由于熔炼生
产过程中熔区处于悬浮状态 ,不与任何物质接触 ,硅熔
体不受外界物质 (如坩埚等) 的污染 ,其原理见图 2

[ 7 ]

;

此外 ,由于晶体生长过程中的杂质分凝效应和蒸发效
应 ,所生产硅单晶纯度较高 ,但相应生产成本高于直拉
法 ,所以一般仅用于太空等要求高品质硅片的生长。

图

　直拉法单晶生长示意图

感应线圈　

2 .

单晶

坩埚　

4 .

熔体

图

法单晶生长示意图

1 .

夹持器　

多晶　

3 .

熔区　

4 .

感应线圈　

单晶　

6 .

颈　

籽晶

8 .

籽晶支持器

在单晶的制备过程中可根据需要进行掺杂 ,以控制

材料的电阻率。一般来讲 ,地面用单晶硅太阳能电池材
料的电阻率为 0. 5～3. 0 Ω ・㎝ ,空间用单晶硅太阳能电
池材料电阻率约为 10. 0 Ω ・㎝

[ 8 ]

。生长制备的单晶硅

棒须经内圆切片机、

多线切片机或是激光切片机切片后