太阳能晶硅电池发展历程及其关键材料技术

太阳能晶硅电池发展历程及其关键材料技术前言部份

2.121世纪以来，全球范围内的传统能源迅速短缺和环境污染日益严重，这两个问题成为了制约经济发展的主要问题太阳能作为一种清洁、无污染的新能源，早已走进了人们的视野，太阳能发电及光伏产业近来受到了人们的高度重视太阳能电池是利用光生伏特效应直接把太阳能转换成电能的一种器件太阳能电池主要有块状太阳能电池和薄膜型太阳能电池两大类，其中硅太阳能电池又可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池等硅太阳能电池由于其转换效率比较高、性能稳定、原材料丰富等优点成为当今光伏产业中的重要支柱太阳能电池以硅材料为主的主要原因对太阳能电池材料普通的要求

1、半导体材料的禁带不能太宽；

2、要有较高的光电转换效率

3、材料本身对环境不造成污染；

4、材料便于工业化生产且材料性能稳定基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因但随着新材料的不断开辟和相关技术的发展，以其它材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景本文简要地综述了太阳能电池的种类及其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展及趋势本文就晶硅太阳能电池的发展历程及其关键材料技术展开介绍主题部份

2.2太阳能电池发展历程

2.

2.1从发现光伏现象，太阳能电池已经有近170多年的发展历史1839年法国人发现了光伏现象，38年后才研制出第一片硒太阳电池，仅有设的转换效率，作为发电没能推广1954年美国贝尔实验室的3位科学家才做出具有实用价值的单晶硅电池（

4.5%）,几年后迅速提升到10%,这时主要用于卫星、航天器（价格太高，每瓦要近2000美圆）上世纪70年代后，由于化石能源危机（石油、煤炭），再生能源被各国重视，特别是太阳能电池，此时的工艺、材料研究得到迅速发展，从1995年以后，太阳能电池以每年35%的年增长幅度高速发展价格也大幅度降低（2-4美圆每瓦）最近5年是世界光伏电池快速增长几年，平均年增长速度超过40%o2004年全球太阳能电池产量1200MW,2005年产量达到1650MW,比2004年增加38%转换效率常规生产单晶

15.5%、多晶

14.5%,实验室达

24.8%由于世界各国加大了对硅和生产工艺的研究，加之地球硅材料及其丰富，有人估计，太阳能发电21世纪中叶将占整个能源市场的20%-50%太阳能晶硅电池关键材料技术■晶体硅太阳能电池的基本原理晶体硅的发电过程P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结，当光线照射到硅晶体的表面时，一部份光子被硅材料吸收，光子的能量传递给硅原子，使电子发生跃迁，成为自由电子，在P-N结两侧聚集，产生电位差当外部接通电路时，在该电压的作用下，将有电流流过外部电路产生一定的输出功率硅材料简介・硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼（黑色或者银灰色固体，熔点2300C，沸点3658C，密度

2.34克/厘米，硬度仅次于金刚石，在室温下较稳定，可与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和金属氧化物反应，形成金属硼化物这些化合物通常是高硬度、耐熔、高导电率和化学惰性的物质）、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个空穴P型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交壤面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，浮现了浓度差N区的电子汇扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成为了一个有N指向P的“内电场”，从而阻挠扩散进行达到平衡后，就形成为了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成PN结当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区挪移，而P型区中的电子往N型区挪移，从而形成从N型区到P型区的电流然后在PN结中形成电势差，这就形成为了电源■晶体硅太阳能电池的技术解析

1.1表面织构减少入射光学损失是提高电池效率最直接方法化学腐蚀工艺是最成熟的产业化生产技术，也是行业内最广泛使用的技术，工艺门坎低、产量大；但绒面质量不易控制、不良率高，且减反射效果有限腐蚀后的反射率普通仍在H%以上，并产生大量的化学废液和酸碱气体，非环境友好型生产方式反应离子刻蚀技术RIE是最有发展前景的技术

1.2发射区扩散PN结特性决定了太阳能电池的性能！传统工艺对太阳能电池表面均匀掺杂，且为了减少接触电阻、提高电池带负载能力表面掺杂浓度较高但研究发现表面杂质浓度过高导致扩散区能带收缩、晶格畸变、缺陷增加、“死层”明显、电池短波响应差PN结技术是国际一流电池创造企业与国内电池企业的主要技术差距

1.3去边技术产业化的周边PN结去除方式是等离子体干法刻蚀，该方法技术成熟、产量大，但存在过刻、钻刻及不均匀的现象，不仅影响电池的转换效率，而且导致电池片蹦边、色差与缺角等不良率上升激光开槽隔离技术根据PN结深度而在硅片边缘开一物理隔离槽，但与国外情况相反，据国内使用情况来看电池效率反而不及等离子体刻蚀技术，因此该方法有待进一步研究

1.4表面减反射膜生长技术早期采用TiO2膜或者MgF2/ZnS混合膜以增加对入射光的吸收,但该方法均需先单独采用热氧化方法生长一层1020umSi02使硅片表面〜非晶化、且对多晶效果不理想

1.5丝网印刷与金属浆料技术丝网印刷技术是低成本太阳能电池产业化生产的关键技术，其主要技术进步与电极浆料及网版制版技术密切相联电极浆料技术进步是提升电池效率的捷径，也是一些实验室技术向产业化转换的关键根据电池表面扩散薄层方块电阻、扩散结深以及表面减反射膜厚度与密度等开辟相对应的浆料已经成为国际一流光伏企业率先同行的一个有力武器•晶体硅太阳能电池的分类介绍单晶硅材料单晶硅材料创造要经过如下过程石英砂—冶金级硅—提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割硅主要以Si02形式存在于石英和沙子中它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成该过程能量消耗很高，所以硅的生产通常在水电过剩的地方进行典型的半导体级硅的制备过程粉碎的冶金级硅在硫化床反应器中与HCI气体，混合并反应生成生成三氯氢硅和氢气，Si+3HCI一SiHC13+H2接着，通过精播使SiHC13与其它氯化物分离，经过精镭的SiHC13,其杂质水平可低于10T0%的电子级硅要求提纯后的SiHC13通过CVD原理制备出多晶硅锭基于同样原理可开辟出另一种提纯方法，即在硫化床反应器中，用Si烷在很小的Si球表面上原位沉积出Si此法沉积出的Si粉未颗粒惟独十分之几毫米，可用作CZ直拉单晶的投炉料或者直接创造Si带拉制单晶有CZ法（柑祸拉制）和区熔法两种多晶硅材料由于硅材料占太阳电池成本中的绝大部份，降低硅材料的成本是光伏应用的关键浇铸多晶硅技术是降低成本的重要途径之一，该技术省去了昂贵的单晶拉制过程，也能用较低纯度的硅作投炉料，材料及电能消耗方面都较省1）铸锭工艺铸锭工艺主要有定向凝固法和浇铸法两种定向凝固法是将硅料放在柑塌中加以熔融，然后将柑塌从热场中逐渐下降或者从增蜗底部通上冷源以造成一定的温度梯度，使固液界面从柑蜗底部向上挪移而形成晶锭定向凝固法中有一种称为热交换法（HEM）,在柑祸底部通入气体冷源来形成温度梯度浇铸法是将熔化后的硅液从增祸中倒入另一模具中凝固以形成晶锭，铸出硅锭呈方形，切成的硅片普通尺寸为lOcmXIOcm,平均晶粒尺寸从毫米到厘米2）多晶硅结构及材料性能采用计算机图象仪可对硅片缺陷及少子寿命等参数进行面扫描，这对观察多晶硅材料性能、结构及进行系统分析具有很大匡助针对特有的铸锭工艺来分析氧、碳含量及其对电性能的影响是提高硅片质量的重要手段在扫描电镜上加EB1C（电子束感应电流法）功能部件对样品进行扫描对了解晶体硅电池因缺陷、晶界、杂质的局部影响十分有效3）硅片加工技术常规的硅片切割采用内圆切片机，其刀损为

0.3-

0.35mm，使晶体硅切割损失较大，且大硅片不易切得很薄近几年，多线切割机的使用对晶体硅片的成本下降具有明显作用多线切割机采用钢丝带动碳化硅磨料来进行切割硅片，切损只有

0.22mm,硅片可切薄到

0.2mm,且切割的损伤小，可减少腐蚀的深度普通可减少V4硅材料的损失目前先进的大公司基本上都采用该设备一台设备可切割2—4MW/年的硅片近期研究出可将85%的碳化硅磨料及油液经过离心机分离后重复使用工艺，可进一步降低材料消耗总结部份

2.3在能源危机、环境问题日益严重的今天，对太阳能的利用、对太阳能电池的研究和开辟势必成为世界的潮流硅作为光伏市场最主要的光电转换材料，其主导地位不容撼动随着市场的发展，高转换效率、低成本化将是今后硅太阳能电池发展的主要方向在这方面,随着各生长加工处理技术的进步与改善，多晶硅、硅带、晶态薄膜硅以其高性价比的优势必将得到长足发展，成为今后通用光伏市场的主打材料晶体硅太阳能电池的发展趋势:以硅片为载体的光伏电池创造技术，其理论极限效率为29%近年O来由于一系列新技术的突破，硅太阳能电池转换效率产业化水平单晶16%18%、多晶15%17%,按目前的晶体硅电池效率路线图与电池技术，〜〜提升效率的难度已经非常大因此有人预言硅电池的市场生命周期，但产品市场生命力的决定因素是其性价比，就如半导体集成电路一样近一个世纪了仍然离不开硅基，晶体硅太阳能电池作为光伏发电主要材料的现状不会改变，市场主导地位将继续延续！其特征将会是向着高效率、大尺寸、超薄化、长寿命方向发展随着我们对半导体材料与光伏技术研究的不断深入，势必会不断诞生一些突破性的技术来巅覆传统、提升太阳能电池的效率、降低系统发电成本，实现光伏发电从补充能源向主流能源的跃进！只是以前这些技术都由国外企业与机构产生可以预见通过中国泛博“光伏人”的努力，今后这些革命性的技术突破将会在我们中国本土企业与科研机构中产生！参考文献

2.41•黄锋，陈瑞润，郭景杰，丁宏升，毕维生《傅恒志太阳能电池用硅材料的研究现状与发展趋势》哈尔滨工业大学材料科学与工程学院专题论述特种铸造及有色合金2022年第28卷第12期2维库电子通，晶体硅太阳能电池

3.百度百科，晶体硅太阳能电池

4.道客巴巴，晶体硅太阳能电池简介内容总结太阳能晶硅电池发展历程及其关键材料技术1前言部份

2.1世纪以来，全球范围内的传统能源迅速短缺和环境污染日益严重，这21两个问题成为了制约经济发展的主要问题但随着新材料的不断开辟和相关技术的发展，以其它材料为基础2的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景当晶片受光后，结中，型半导体的空穴往型区挪移，而型区3PN NP P中的电子往型区挪移，从而形成从型区到型区的电流N NP。