其硅片厚度已达 200μm 乃至 100μm 。

随着硅片生长及各加工处理技术的进步 ,单晶硅正

朝大直径化 (300 mm 以上) 、

更低的杂质缺陷含量、

更

均匀的分布以及低成本基础上的高效率方向发展。对
于大直径化所伴随的流体动力学更为复杂 ,热应力问题
更为突出、

传统的细颈不能支撑 300 kg 以上的硅棒、

点

缺陷的影响加剧、

OSF 等缺陷更难以控制、

拉晶试验成

本大大增加等问题 ,近年来国内外众多学者对此进行了
大量的试验研究 ,取得了一定的成果 ,相应提出了许多
可行的看法与解决方案

[ 9 ,10 ]

。不过 ,由于通常的单晶硅

太阳能电池是在厚度为 350～450 μm 的高品质硅片上
制成的 ,这种硅片由硅锭切割而成 ,所以对于硅材料的
损耗较大 ,另外 ,单晶硅锭的生长对于原料硅的品质 (如
纯度) 要求本来就很高 (一般要求原料多晶硅纯度在 6N
以上) ,加之其本身拉制工艺的复杂 ,造成了制造成本居
高不下。其高的光电转换效率弥补不了高成本的劣势 ,
使其因较低的性价比在通用光伏应用领域逐渐为多晶
硅所取代。

　多晶硅

( multicryst alline silico n)

多晶硅是由冶金级硅 (硅含量为 95 %～99 %) 经一

系列化学物理提纯而得到的半导体材料。根据其纯度
的不同 ,大体可分为电子级多晶硅和太阳能级多晶硅两
大类 ,电子级多晶硅一般要求硅含量至少在 6N 以上 ,
最高甚至可达 11N ,太阳能级多晶硅纯度则稍低 ,处于
冶金级与电子级之间。

对于太阳能级多晶硅的提纯制备技术 ,目前研究

开发和利用的主要有改良西门子法、

硅烷热分解法和区

域熔炼法 3 种

[ 11 ]

。其中 ,由于硅烷的易爆性、

区域熔炼

的高成本性等 ,改良西门子法成了多晶硅生产的主流技
术 ,目前 ,世界上约有 80 %的多晶硅均由该技术所生产
制备。相比之下 ,由于国外对我国的技术封锁 ,国内还
没有完全掌握该方法的关键技术 ,而自主多晶硅生产技
术的研究起步又较晚 ,以致我国的多晶硅生产能耗大、
污染重且产能小 ,多晶硅严重短缺 ,严重阻碍了我国光
伏产业的发展

[ 12 ]

。

然而 ,利用以上技术 (如改良西门子法) 生产的多晶

硅由于是通过沉积作用形成的硅粒子的简单集合体 (简
称沉积多晶硅) ,粒子间结合力弱 ,不能满足电阻的要
求

[ 13 ]

,而且不能直接用来切片制备太阳能电池 ,因此 ,

还需通过重新熔化 ,经过一定铸造成形工艺得到致密组
织后方可用来切片使用。对于多晶硅的铸造成形工艺 ,
开发利用的较多 ,就其最终成形形态而言 ,大体可归结
为 3 大类 :多晶硅锭、

带及多晶硅薄膜技术。下面就这

3 种具体形态的多晶硅材料及所制备太阳能电池情况
加以简要介绍。

2. 1 　多晶硅锭( multicrystall ine sil icon ingot)

多晶硅锭铸造成形技术由于省去了单晶硅昂贵的

拉制过程 ,且易于制成方锭 ,提高材料的利用率及电池
模板的包装密度 ,因而成为了降低太阳能电池成本的主
要技术之一

[ 14 ]

。随着光伏产业的发展 ,多晶硅锭的生

长技术有许多具体可行的方法 ,主要有 : 铸锭浇注法

(ingot casting)

[ 15 ,16 ]

、

定向凝固法、

电磁冷坩埚连续铸

造 ( EMC)

[ 17 ,18 ]

等 ,其各自生长制备硅锭的组织照片见

图 3 。

(a)

铸锭浇注法

( b)

定向凝固法　

(c)

电磁冷坩埚连续铸造法

图

　多晶硅组织照片示意图

图 3 中组织照片因放大倍数不同等原因没有绝对

的可比性 ,只是为了简要的说明问题。从图中可以看
出 ,铸锭浇注法得到的是边壁为等轴晶、

铸锭中心部位

为少量柱状晶的组织 ,另外 ,通过对模具中熔体热导条
件的控制 ,可以控制边壁等轴晶与中心柱状晶所占比例
的大小及晶粒尺寸

[ 19 ]

; 定向凝固法得到的为定向柱状

晶组织 ;电磁冷坩埚连续铸造 ( EMC) 得到的组织与浇
注法基本相同 ,也是紧贴冷坩埚壁的为等轴晶 ,中心为
少量柱状晶 ,但一般来讲晶粒尺寸较浇注法小 , 仅为

1～2 mm ,而浇注法通过对温度的控制 ,其尺寸甚至可
以达到厘米级。

由于当晶界垂直于硅片工作表面时 ,晶界对转换效

率几乎没有影响 ,所以通过定向凝固生产的硅片品质
好 ,转换效率较高 ,因而世界上各种生长制备工艺均在
力求控制热流方向 ,形成定向散热条件 ,从而得到定向
凝固组织。目前 ,市场上超过 50 %的多晶硅片均是由
定向凝固法生长所得

[ 20 ]

。另外 ,电磁冷坩埚连续铸造

法由于其生产的高效率性、

冷坩埚的高洁净性 (生产过

程中对硅没有额外污染) 及所得多晶硅锭品质的高均匀
性 ,近年来越来越受到国内外众多学者及科研机构的广
泛关注。

相对单晶硅而言 ,多晶硅所含杂质、

缺陷 (这里主要

指晶界与位错) 多 ,由其制备的多晶硅太阳能电池转换
效率略低 ,但相应的其制造成本也较低 ,所以 ,多晶硅正
以高性价比的优势在常规太阳能市场上迅猛发展 ,成为
光伏市场的主要产品 ,其所占市场份额已高达 50 %以