上 ,并保持持续上升的趋势

[ 21

～

23 ]

。另外 ,近年来 ,多晶

硅材料研究及生产进展迅速 ,有害杂质含量得到了有效
控制 ,好的多晶硅材料少子扩散长度已超过 100μm ,晶
粒尺寸达到毫米乃至厘米量级 ,再加上多晶硅太阳能电
池制备技术的不断改进 ,多晶硅太阳能电池转换效率又
得到了很大程度上的提高 ,更是促进了其进一步的发
展。据报道 ,市场规模生产的硅片 ,其转换效率大体上
已达 12. 0 %～15. 0 %

[ 24 ,25 ]

,而实验室小尺寸硅片 ,通过

采用不同的加工处理工艺 , 其转换效率更是高达

19. 8 %、

20. 3 %

[ 26 ]

,仅低于单晶硅 4 . 0 %～5. 0 %。

采用以上工艺方法 (即先利用改良西门子法、

硅烷

热分解法或是区域熔炼法进行冶金硅的精炼提纯沉积
高纯多晶硅 ,再进行硅锭的生长切片) 生产多晶硅片需
要复杂的生产设备 ,工艺流程长 (通常会造成较低的硅
收得率) ,能耗大 ,对环境有污染 ,制造成本相应较高 ,致
使其性价比还不能与其他常规能源相比 ,阻碍了太阳能
电池的推广应用。正是为了降低生产成本 ,提高其市场
竞争力 ,亦或是出于环境角度考虑 ,提高废品利用率及
市场太阳能级多晶硅短缺的冲击 ,近年来 ,国内外众多
学者从物理及化学角度出发 ,对此作了大量的研究 ,又
提出了许多有意义的新的太阳能级硅提纯与硅锭 (片)
的成形制备方法 ,如 :由冶金级硅直接提纯制备太阳能
级硅

[ 27 ]

(电子束熔炼提纯冶金硅

[ 28 ]

,等离子体感应精练

提纯冶金硅

[ 29 ,30 ]

) ; 利用高纯试剂还原 SiO

[ 31 ]

; 利用

2Si 熔体低温凝固精炼制备太阳能级硅

[ 32 ]

;真空感应

熔炼定向凝固制备多晶硅

[ 33 ]

; 离心铸造法多晶硅片的

制备

[ 34 ]

;真空冶金法太阳能级硅的制备 ;废料石英光纤

提纯太阳能级多晶硅的制备及熔融电解法太阳能级多
晶硅的制备等。通过多年的研究 ,理论上以上各工艺技
术都有其各自的闪光点和发展竞争的优势 ,但都不够完
善 ,且基本上还只是处于实验室研发阶段 ,没有实现大
规模生产 ,还有待于进一步的优化和研究 ,使其更加完
善并早日实现产业化。

本实验室对多晶硅电磁冷坩埚连续定向熔铸技术

进行了一些探索性的研究 ,基本解决了硅料的启熔、

熔

池稳定的控制等问题 ,拉制出一定长度、

外围晶粒斜向

生长、

中心为定向柱状晶的硅棒。试样组织见图 4 。

除了以上多晶硅提纯及硅锭 (片) 生长等新工艺技

术的开发研究外 ,随着市场的发展 ,竞争的加剧 ,技术的
革新 ,太阳能级多晶硅还必将朝着以下方向发展 : ①多
晶硅锭的大锭化 (据报国外已达 400 kg ,国内也已达

275 kg)

[ 35

～

38 ]

; ②进一步降低各种杂质 (氧、

碳及过渡金

属等) 含量、

提高多晶硅纯度并保持其均匀性 ; ③稳定提

高多晶硅整体品质和保持稳定的供给量 ,保持供需基本
平衡

[ 39 ]

; ④单晶硅大径化 ,而坩埚直径受到限制及连续

拉锭工艺的发展 ,粒状多晶硅需求加大

[ 39 ,40 ]

。

(a)

低倍　　　　　　　　　　　

(b)

高倍

图

　冷坩埚连续定向熔铸多晶硅照片

2. 2 　带状硅( ribbon sil icon)

影响硅太阳能电池成本居高不下的最主要环节是

硅片的制备 ,即硅棒的拉制 (单晶硅) 、

硅锭的生长 (多晶

硅) 和硅片的切割、

研磨、

抛光及腐蚀等。其中 ,单晶硅

棒或多晶硅锭切割成硅片的过程更是硅片制备过程中
耗费最高的环节 ,接近于硅片制备成本的 1/ 3 。带状硅
无需切片即可用来制备电池硅片 ,与常规晶体硅相比 ,
省去了切片及因切片造成的表面损伤而附加的处理 (如
蚀刻等) 工序 ,提高了生产效率和材料收得率 ,从而有利
于成本的降低

[ 41 ]

。

从生长方式上来讲 ,带状硅基本可分为两种 :一种

是直接由硅熔体或是硅颗粒生长制备而成的硅带 ,另一
种是在另一种衬底材料上生长制备的硅带。20 世纪 70
年代以来 ,国外就对硅带的生产进行了大量的研究 ,相
应提出了许多生长工艺 ,目前市场尚存的主要有 :条带

( St ring ribbo n) 法、

蹼状 (Dendritic web) 法

[ 42 ,43 ]

、

定边

喂膜生长 ( EF G) 法、R GS ( Ribbon growt h on sub

st rate)

[ 44 ]

、

SSP ( Silico n sheet s f ro m powder)

[ 19 ]

等。国

内在这方面也进行了大量的研究 ,中科院广州能源研究
所在“百人计划”

资助下 ,与德国弗朗和费太阳能系统研

究所合作 ,引进设备 ,进行了大量由低纯度硅粉直接制
备颗粒硅带的研究

[ 45 ]

。

目前 ,对于硅带的应用主要体现在两个方面 :一是

直接用来加工成硅片制备电池 ,这里对于硅带品质的要
求较高 ,所以通常指用高纯硅生长的高品质硅带 ;二是
用来作为晶体硅薄膜电池的衬底材料 ,这里一般指用低
纯度硅 (如冶金级硅) 制备的相对低品质硅带 (如 SSP) 。
据统计 ,早在 1997 年世界光伏产品发货量中 ,带状硅电
池为 4 MW ,已占约 3 % ,由于它在降低成本方面的优
势以及市场硅原料短缺的刺激 ,近年来更是得到了长足
的发展 ,2006 年已占市场的 2. 6 % ,预计到 2010 年 ,其
市场份额将有望达到 25. 0 %左右。

2. 3 　薄膜硅( thin f ilm sil icon)

为了克服非晶硅薄膜电池的不稳定性 ,近年来发展