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
2
[ 31 ]
; 利 用
Al
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
4
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
2
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
7
2
9