硅太阳电池材料的研究进展

收稿日期:2002-04-30

作者简介:王晓晶(1978-),女,华南理工大学材料学院在读硕士。

硅太阳电池材料的研究进展

王晓晶1,2,班　群1,沈　辉1

(1.中国科学院广州能源研究所,广州510070;2.华南理工大学材料学院,广州510640)

摘　要:目前各种太阳电池材料中,硅是最主要的材料。文章简要介绍单晶硅、多晶硅、带状硅、非晶硅以及多晶硅薄膜材料的研究状况,并对有关问题和太阳电池材料的发展趋势进行了讨论。关键词:太阳电池材料;单晶硅;多晶硅;带状硅

中图分类号:T M91414　　　　　文献标识码:A 　　　　　文章编号:1004-3950(2002)04-0028-04

Study and progress of silicon solar cells material

WANG Xiao 2jing 1,2,BAN Q un 1,SHEN H ui 1

(1.G uangzhong Institute of Energy C onversion ,the Chinese Academy of Sciences ,G uangzhou 510070,China ;2.C ollege of

Materials Science and Engineering ,S outh China University of Science &T echnology ,G uangzhou 510640,China )Abstract :S ilicon is the m ost important material am ong all kinds of s olar cells materials .This paper reviewed the study status of m onocrystalline silicon 、polycrystalline silicon 、silicon ribbons 、am orphous silicon and polycrystalline silicon thin film materi 2als ,discussed the related problems and development current.

K ey w ords :s olar cells material ;m onocrystalline silicon ;polycrystalline silicon ;silicon ribbons

0　引　言

从1954年第一块单晶硅太阳电池发展到今

天,太阳电池所用材料涉及到很多半导体材料,包括硅、无机化合物半导体、有机半导体甚至一些金属材料。由于硅原料丰富,它是地球上储量(约27%)仅次于氧的第二大元素。此外,硅的性能稳

定、无毒,且制备工艺成熟,因此成为太阳电池研究开发、生产和应用的主体材料。

1　晶体硅材料

1.1　单晶硅材料

自太阳电池问世以来,晶体硅就作为电池材

料一直保持着统治地位,预计在很长的一个时期仍将继续保持。2000年太阳电池市场中,晶体硅的市场占有率约为86%,而非晶硅仅约为13%[1]。

单晶硅不仅是现代信息产业的基础材料,也是最重要的太阳电池材料。在现有工艺和条件下,从电池性能上讲,单晶硅是制造太阳电池的比较理想的材料。澳大利亚新南威尔士大学一种单

晶硅太阳电池效率已达24.7%(AM1.5,100mW/cm 2,25℃

),这是迄今为止报道的最高效率[5]。但由于单晶硅材料的限制,成本居高不下,单晶硅太阳电池很难得到大规模应用。太阳电池一般使用高纯度(>6N )的单晶硅。目前全世界光伏工业晶体硅太阳电池所用的硅锭的投炉料,都采用半导体工业的次品硅及其单晶硅的头尾料,经过单晶炉的复拉,生产出太阳能级的单晶硅,其总量约占半导体工业生产硅料的1/10,约为1000～1200t/a ,这种硅料的纯度大部分仍在6N 到7N [2]。

半导体用硅占全世界硅材料总量的很小一部分,目前全世界工业级硅的产量约为50万t/a [2],半导体级硅的产量大约10000t 左右,约占工业级硅产量的2%。而太阳电池在近年来以约30%的速度增长,太阳能级单晶硅的产量已经不能满足日益发展的光伏工业的要求。国外也有用较纯硅材料直接拉制太阳能级单晶硅,这是降低单晶硅太阳电池的措施之一。

生长硅单晶主要有直拉法和悬浮区熔法。直拉法又称C zochralski 法,简称CZ 法,如图1[12]所

新能源及工艺

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2002

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示。在直拉单晶炉内,向装有熔硅的坩埚中,控制热场,将籽晶旋转并缓慢向上提拉,单晶在籽晶下按籽晶的晶向长大。现已生长出直径为12英寸及以上的单晶硅,直径为6英寸的单晶硅太阳电池已经用于工业化生产。CZ 法因使用石英坩埚而不可避免地引入一定量的氧,氧沉淀物是复合中心,从而降低材料少子寿命。悬浮区熔法简称FZ (Float Z one )法,如图2所示。它将区熔提纯和制备单晶结合在一起,能生长出高纯无缺陷单晶。采用内圆切割法可将硅单晶锭切成硅片,几乎有近50%的硅材料损耗,成本昂贵。通过采用多线切割工艺,可使损失降低至30%左右[2]

。

图1　

直拉法示意

图2　区熔法示意

1.2　多晶硅材料

硅材料的成本约占太阳电池总成本的1/3～1/2

[16]

,因此在不影响效率的情况下,降低硅材料

的成本,是降低硅太阳电池成本的关键。因为熔铸多晶硅锭比提拉单晶硅锭的工艺简单,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,材料利用率高,电能消耗较省,可以制备任

意形状的多晶硅锭,便于大量生产大面积的硅片。同时,多晶硅太阳电池的电性能和机械性能都与单晶硅太阳电池基本相似,而生产成本却低于单晶硅太阳电池。80年代开始,德国、法国、美国、日本、意大利等均先后投入工业化生产多晶硅太阳电池,并大幅度降低单晶硅太阳电池的产量。从1998年起,多晶硅电池的市场份额(43.7%)就超过单晶硅电池(39%),并且保持快速增长势头。澳大利亚新南威尔士大学多晶硅电池效率已突破19.8%(1cm ×1cm )[9]。

目前应用最广泛的是浇铸多晶硅。浇铸多晶硅在原理上有两种方式:一种是在一个坩埚内将多晶硅熔化,然后倒入另一个坩埚冷却;另一种是在一个坩埚内将多晶硅熔化,然后通过坩埚底部热交换,使晶 …… 此处隐藏：5620字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……