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 。
3
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 。
1
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
1
直拉法单晶生长示意图
1.
感应线圈
2 .
单晶
Si
3.
坩埚
4 .
熔体
图
2
FZ
法单晶生长示意图
1 .
夹持器
2.
多晶
3 .
熔区
4 .
感应线圈
5.
单晶
6 .
颈
7.
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
方可用来制备电池模片 。目前 ,随着切片技术的进步 ,