晶体硅太阳电池及材料

晶体硅太阳电池及材料
引言
    1839年，法国Becqueral第一次在化学电池中观察到光伏效应。1876年，在固态硒（Se）的系统中也观察到了光伏效应，随后开发出Se／CuO光电池。有关硅光电他的报道出现于1941年。贝尔实验室Chapin等人
1954年开发出效率为6％的单晶硅光电池，现代硅太阳电池时代从此开始。硅太阳电他于1958年首先在航天器上得到应用。在随后10多年里，硅太阳电池在空间应用不断扩大，工艺不断改进，电他设计逐步定型。这是硅太阳电池发展的第一个时期。第二个时期开始于70年代初，在这个时期背表面场、细栅金属化、浅结表面扩散和表面织构化开始引人到电池的制造工艺中，太阳电池转换效率有了较大提高。与此同时，硅太阳电池开始在地面应用，而且不断扩大，到70年代未地面用太阳电池产量已经超过空间电池产量，并促使成本不断降低。 80年代初，硅太阳电他进入快速发展的第三个时期。这个时期的主要特征是把表面钝化威廉希尔官方网站 、降低接触复合效应、后处理提高载流子寿命、改进陷光效应引入到电他的制造工艺中。以各种高效电池为代表，电池效率大幅度提高，商业化生产成本进一步降低，应用不断扩大。
    在太阳电他的整个发展历程中，先后出现过各种不同结构的电池，如肖特基（Ms）电池，M1S电池，MINP电他；异质结电池（如ITO（n）／Si（p），a-Si／c-Si，Ge／Si）等，其中同质p-n结电池结构自始至终占主导
地位，其它结构对太阳电他的发展也有重要影响。
    以材料区分，有晶硅电池，非晶硅薄膜电池，铜钢硒（CIS）电池，磅化镐（CdTe）电池，砷化稼电他等，而以晶硅电池为主导，由于硅是地球上储量第二大元素，作为半导体材料，人们对它研究得最多、威廉希尔官方网站 最成熟，而
且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。
1   晶硅电他的威廉希尔官方网站 发展
1．1地面应用推动各种新型电池的出现和发展
    晶硅电池在70年代初引入地面应用。在石油危机和降低成本的推动下，太阳电池开始了一个蓬勃发展时期，这个时期不但出现了许多新型电池，而且引入许多新威廉希尔官方网站 。例如：
    （1）背表面电场（BSF）电池——在电他的背面接触区引入同型重掺杂区，由于改进了接触区附近的收集性能而增加电他的短路电流；背场的作用可以降低饱和电流，从而改善开路电压，提高电池效率。
    （2）紫光电他一一这种电池最早（1972）是为通信卫星开发的。因其浅结（0．1一0．2µm）密栅（30／cm）、减 反射（Ta2O5—短波透过好）而获得高效率。在一段时间里，浅结被认为是高效的关键威廉希尔官方网站 之一而被采用。
    （3）表面织构化电池——也称绒面电池，最早（1974）也是为通讯卫星开发的。其AM0时电池效率η≥15％，AMI时η＞18％。这种威廉希尔官方网站 后来被高效电他和工业化电池普遍采用。
    （4）异质结太阳电池——即不同半导体材料在一起形成的太阳电池J瞩SnO／Si，In20／Si，（1n203十SnO2／Si电池等。由于SnO2、In2O3、（In2O3＋SnO2）等带隙宽，透光性好，制作电池工艺简单，曾引起许多研究者的兴趣。目前因效率不高等问题研究者已不多，但SnO2、In2O3、（1n2O3＋SnO2）是许多薄膜电他的重要构成部分，作收集电流和窗口材料用。
    （5）M1S电池——是肖特基（MS）电他的改型，即在金属和半导体之间加入1．5一3．0nm绝缘层，使MS电池中多子支配暗电流的情况得到抑制，而变成少子隧穿决定暗电流，与pn结类似。
     其中i层起到减少表面复合的作用。经过改进的M1S电池正面有20一40µm的SiO2膜，在膜上真空蒸发金属栅线，整个表面再沉积SiN薄膜。SiN薄膜的作用是：①保护电池，增加耐候性；②作为减反射层（ARC）；降低薄膜复合速度：①在p-型半导体一侧产生一个n型导电反型层。对效率产生决定性影响的是在介电层中使用了银。该电池优点是工艺简单，但反型层的薄层电阻太高。
    （6）MINP电池——可以把这种电池看作是M1S电池和p一n结的结合，其中氧化层对表面和晶界复合起抑制作用。这种电池对后来的高效电池起到过渡作用。
    （7）聚光电池——聚光电他的特点是电池面积小，从而可以降低成本，同时在高光强下可以提高电池开路电压，从而提高转换效率，因此聚光电池一直受到重视。比较典型的聚光电池是斯但福大学的点接触聚电池，其结构与非聚光点接触电池结构相同，不同处是采用200 Ωcm高阻n型材料并使电池厚度降低到100一160tLm，使体内复合进一步降低。这种电池在140个太阳下转换效率达到26．5％。
1．2晶硅太阳电池向高效化和薄膜化方向发展
      晶硅电池在过去20年里有了很大发展，许多新威廉希尔官方网站 的采用和引入使太阳电池效率有了很大提高。在早期的硅电池研究中，人们探索各种各样的电池结构和威廉希尔官方网站 来改进电池性能，如背表面场，浅结，绒面，氧化膜钝化，Ti／Pd金属化电极和减反射膜等。后来的高效电池是在这些早期实验和理论基础上的发展起来的。
1．2．1单晶硅高效电池
    单晶硅高效电池的典型代表是斯但福大学的背面点接触电池（PCC），新南威尔士大学（UNSW）的钝化发射区电池（PESC，PERC，PERL以及德国Fraumhofer太阳能研究所的局域化背表面场（LBSF）电池等。
我国在“八五”和“九五”期间也进行了高效电池研究，并取得了可喜结果。近年来硅电他的一个重要进展来自于表面钝化威廉希尔官方网站 的提高。从钝化发射区太阳电池（PESC）的薄氧化层（＜10nm）发展到PCC／PERC／PER1。电池的厚氧化层（110nm）。热氧化钝化表面威廉希尔官方网站 已使表面态密度降到
10卜cm2以下，表面复合速度降到100cm／s以下。此外，表面V型槽和倒金字塔威廉希尔官方网站 ，双层减反射膜威廉希尔官方网站 的提高和陷光理论的完善也进一步减小了电池表面的反射和对红外光的吸收。低成本高效硅电池也得到了飞速发展。
      （1）新南威尔士大学高效电池
      （A）钝化发射区电池（PESC）：PESC电池1985年问世，1986年V型槽威廉希尔官方网站 又被应用到该电池上，效率突破20％。V型槽对电他的贡献是：减少电池表面反射；垂直光线在V型槽表面折射后以41”角进入硅片，使光生载流子更接近发射结，提高了收集效率，对低寿命衬底尤为重要；V型槽可使发射极横向电阻降低3倍。由于PESC电他的最佳发射极方块电阻在150 Ω／口以上，降低发射极电阻可提高电池填充因子。
     在发射结磷扩散后，…m厚的Al层沉积在电他背面，再热生长10nm表面钝化氧化层，并使背面Al和硅形成合金，正面氧化层可大大降低表面复合速度，背面Al合金可吸除体内杂质和缺陷，因此开路电压得到提高。早期PESC电池采用浅结，然而后来的研究证明，浅结只是对没有表面钝化的电他有效，对有良好表面钝化的电池是不必要的，而氧化层钝化的性能和铝吸除的作用能在较高温度下增强，因此最佳PEsC电他的发射结深增加到1µm左右。值得注意的是，目前所有效率超过20％的电池都采用深结而不是浅结。浅结电池已成为历史。
     PEsC电池的金属化由剥离方法形成Ti-pd接触，然后电镀Ag构成。这种金属化有相当大的厚／宽比和很小的接触面积，因此这种电池可以做到大子83％的填充因子和20．8％（AM1．5）的效率。
      （B）钝化发射区和背表面电池（PERC）：铝背面吸杂是PEsC电池的一个关键威廉希尔官方网站 。然而由于背表面的高复合和低反射，它成了限制PESC电池威廉希尔官方网站 进一步提高的主要因素。PERC和PERL电池成功地解决了这个问题。它用背面点接触来代替PEsC电他的整个背面铝合金接触，并用TCA（氯乙烷）生长的110nm厚的氧化层来钝化电他的正表面和背表面。TCA氧化产生极低的界面态密度，同时还能排除金属杂质和减少表面层错，从而能保持衬底原有的少子寿命。由于衬底的高少子寿命和背面金属接触点处的高复合，背面接触点设计成2mm的大间距和2001Lm的接触孔径。接触点间距需大于少子扩散长度以减小复合。这种电池达到了大约700mV的开路电压和22．3％的效率。然而，由于接触点间距太大，串联电阻高，因此填充因子较低。
      （C）钝化发射区和背面局部扩散电池（PERL）：在背面接触点下增加一个浓硼扩散层，以减小金属接触电阻。由于硼扩散层减小了有效表面复合，接触点问距可以减小到250µm、接触孔径减小到10µm而不增加背表面的复合，从而大大减小了电他的串联电阻。PERL电池达到了702mV的开路电压和23．5％的效率。PERC和PER1。电池的另一个特点是其极好的陷光效应。由于硅是间接带隙半导体，对红外的吸收系数很低，一部分红外光可以穿透电池而不被吸收。理想情况下入射光可以在衬底材料内往返穿过4n2次，n为硅的折射率。PER1。电池的背面，由铝在SiO2上形成一个很好反射面，入射光在背表面上反射回正表面，由于正表面的倒金字塔结构，这些反射光的一大部分又被反射回衬底，如此往返多次。Sandia国家实验室的P。Basore博士发明了一种红外分析的方法来测量陷光性能，测得PERL电池背面的反射率大于95％，陷光系数大于往返25次。因此PREL电他的红外响应极高，也特别适应于对单色红外光的吸收。在1．02µm波长的单色光下，PER1。电他的转换效率达到45．1％。这种电池AM0下效率也达到了20．8％。
    （D）埋栅电池：UNSW开发的激光刻槽埋栅电池，在发射结扩散后，用激光在前面刻出20µm宽、40µm深的沟槽，将槽清洗后进行浓磷扩散。然后在槽内镀出金属电极。电极位于电池内部，减少了栅线的遮蔽面积。电池背面与PESC相同，由于刻槽会引进损伤，其性能略低于PESC电池。电他效率达到19．6％。
    （2）斯但福大学的背面点接触电池（PCC）                                     
    点接触电他的结构与PER1。电池一样，用TCA生长氧化层钝化电池正反面。为了减少金属条的遮光效应，金属电极设计在电池的背面。电池正面采用由光刻制成的金字塔（绒面）结构。位于背面的发射区被设计成点状，50µm间距，10µm扩散区，5µm接触孔径，基区也作成同样的形状，这样可减小背面复合。衬底采用n型低阻材料（取其表面及体内复合均低的优势），衬底减薄到约100µm，以进一步减小体内复合。这种电他的转换效率在AM1．5下为22．3％。
    （3）德国Fraunhofer太阳能研究所的深结局部背场电池（LBSF）
    LBSF的结构与PERL电池类似，也采用TCA氧化层钝化和倒金字塔正面结构。由于背面硼扩散一般造成高表面复合，局部铝扩散被用来制作电池的表面接触，2cmX2cm电池电池效率达到23．3％（Voc=700mV，Isc－～41．3mA，FF一0．806）。
    （4）日本sHARP的C一Si／µc-Si异质pp+结高效电池
    SHARP公司能源转换实验室的高效电池，前面采用绒面织构化，在SiO2钝化层上沉积SiN为A只乙后面用RF-PECVD掺硼的µc一Si薄膜作为背场，用SiN薄膜作为后表面的钝化层，Al层通过SiN上的孔与µcSi薄膜接触。5cmX5cm电他在AM1．5条件下效率达到21．4％（Voc＝669mV，Isc＝40.5mA，FF=0．79）。
    （5）我国单晶硅高效电池
    天津电源研究所在国家科委“八五”计划支持下开展高效电池研究，其电池结构类似UNSw的V型槽PEsC电池，电池效率达到20．4％。北京市太阳能研究所“九五”期间在北京市政府支持下开展了高效电池研究，电池前面有倒金字塔织构化结构，2cmX2cm电池效率达到了19．8％，大面（5cmX5cm）激光刻槽埋栅电池效率达到了18．6％。
1．3多晶硅高效电池
    多晶硅太阳电他的出现主要是为了降低成本，其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，设备比较简单，制造过程简单、省电、节约硅材料，对材质要求也较低。晶界及杂质影响可通过电他工艺改善；由于材质和晶界影响，电池效率较低。电池工艺主要采用吸杂、钝化、背场等威廉希尔官方网站 。
    近年来吸杂工艺再度受到重视，包括三氯氧磷吸杂及铝吸杂工艺。吸杂工艺也在微电子器件工艺中得到应用，可见其对纯度达到一定水平的单晶硅硅片也有作用，但其所用的条件未必适用于太阳电他，因而要研究适合太阳电池专用的吸杂工艺。研究证明，在多晶硅太阳电池上，不同材料的吸杂作用是不同的，特别是对碳含量高的材料就显不出磷吸杂的作用。有学者提出了磷吸杂模型，即吸杂的速率受控干两个步骤：①金属杂质的释放／扩散决定了吸杂温度的下限；②分凝模型控制了吸杂的最佳温度。另有学者提出，在磷扩散时硅的自间隙电流的产生是吸杂机制的基本因素。
    常规铝吸杂工艺是在电池的背面蒸镀铝膜后经过烧结形成，也可同时形成电他的背场。近几年在吸杂上的工作证明，它对高效单晶硅太阳电池及多晶硅太阳电池都会产生一定的作用。
    钝化是提高多晶硅质量的有效方法。一种方法是采用氢钝化，钝化硅体内的悬挂键等缺陷。在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料，氢钝化的效果越好。氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。在多晶硅太阳电池表面采用pECVD法镀上一层氮化硅减反射膜，由于硅烷分解时产生氢离子，对多晶硅可产生氢钝化的效果。
    在高效太阳电池上常采用表面氧钝化的威廉希尔官方网站 来提高太阳电他的效率，近年来在光伏级的晶体硅材料上使用也有明显的效果，尤其采用热氧化法效果更明显。使用PECVD法在更低的温度下进行表面氧化，近年来也被使用，具有一定的效果。
    多晶硅太阳电他的表面由于存在多种晶向，不如（100）晶向的单晶硅那样能经由腐蚀得到理想的绒面结、构，因而对其表面进行各种处理以达减反射的作用也为近期研究目标，其中采用多刀砂轮进行表面刻槽，对10cmX10cm面积硅片的工序时间可降到30秒，具有了一定的实用潜力。
    多孔硅作为多晶硅太阳电他的减反射膜具有实用意义，其减反射的作用已能与双重减反射膜相比，所得多晶硅电他的效率也能达到13。4％。我国北京有色金属研究总院及中科院感光化学研究所共同研制的在丝网印刷的多晶硅太阳电池上使用多孔硅也已达到接近实用的结果。
    由于多晶硅材料制作成本低于单晶硅cZ材料，因此多晶硅组件比单晶硅组件具有更大的降低成本的潜力，因而提高多晶硅电池效率的研究工作也受到普遍重视。近10年来多晶硅高效电他的发展很快，其中比较有代表性的工作是Geogia  Tech．电池，UNSW电池，Kysera电池等。
   （1）Geogia  Tech．电池
    Geogia工业大学光伏中心使用电阻率0.65 Ωcm、厚度280µm的HEM（热交换法）多晶硅片制作电池，n+发射区的形成和磷吸杂结合，采用快速热过程制备铝背场，用lift一off法制备Ti／Pd／Ag前电极，并加双层减反射膜。1cm2电他的效率AM1.5下达到18．6％。
   （2）UNSw电池
    uNsw光伏中心的高效多晶硅电池工艺基本上与PER1。电池类似，只是前表面织构化不是倒金字塔,而是用光刻和腐蚀工艺制备的蜂窝结构。多晶硅片由意大利的Eurosolare提供，lcm2电他的效率AMI•5下,达到19.8％，这是目前水平最高的多晶硅电他的研究结果。该工艺打破了多晶硅电池不适合采用高温过程
的传统观念。
   （3）Kysera电池
     日本ky0cera公司在多晶硅高效电池上采用体钝化和表面钝化威廉希尔官方网站 ，PECVDSiN膜既作为减反射膜，又作为体钝化措施，表面织构化采用反应性粒子刻边威廉希尔官方网站 。背场则采用丝印铝奖烧结形成。电池前面栅线也采用丝印威廉希尔官方网站 。15cmX15cm大面积多晶硅电池效率达17．1％。目前日本正计划实现这种电池的产业化。
    （4）我国多晶硅电他
     北京有色金属研究总院在多晶硅电池方面作了大量研究工作，目前10cmX10cm电池效率达到11．8％。北京市太阳能研究所在“九五”期间开展了多晶硅电池研究，1cm2电池效率达到14•5％。我国中试生产的10cmX10cm多晶硅太阳电他的效率为10一11％，最高效率为12％。
1．4多晶硅薄膜电池
    自70年代以来，为了大幅度降低太阳电池的成本，光伏界一直在研究开发薄膜电池，并先后开发出非晶硅薄膜电他，硫化镐（CdTe）电他，铜钢硒（C1S）电池等。特别是非晶硅电池，80年代初一问世，很快实现了商业化生产。1987年非晶硅电他的市场份额超过40％。但非晶硅电池由于效率低、不稳定（光衰减），市场份额逐年降低，1998年市场份额降为13％。cdTe电池性能稳定，但由于资源有限和Cd毒性大，近10年来市场份额一直维持在：13％左右；c1S电他的实验室效率不断攀升：最近达到18．％，但由于中试产品的重复性和一致性没有根本解决，产业化进程一再推后，至今仍停留在实验室和中试阶段；与此同时，晶体硅电池效率不断提高，威廉希尔官方网站 不断改进，加上晶硅稳定，无毒，材料资源丰富，人们开始考虑开发多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池既具有晶硅电他的高效、稳定、无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电池工艺简单、节省材料、大幅度降低成本的优点，因此多晶硅薄膜电池的研究开发成为近几年的热点。另一方面，采用薄片硅威廉希尔官方网站 ，避开拉制单晶硅或浇铸多晶硅、切片的昂贵工艺和材料浪费的缺点，达到降低成本的目的。严格说，后者不属于薄膜电他威廉希尔官方网站 ，只能算作薄片化硅电池威廉希尔官方网站 。
    （1）CVD多晶硅薄膜电池
    各种cvD（PECVD，RTCVD，cat一CVD，Hot一wire  CVD等）威廉希尔官方网站 被用来生长多晶硅薄膜，在实验室内有些威廉希尔官方网站 获得了重要的结果。例如日本kaneka公司采用PECVD威廉希尔官方网站 在550℃以下和玻璃衬底上制备出具有pin结构的多晶硅薄膜电池，电池总厚度约2尸m，效率达到10％；德国Fraunhofer太阳能研究所使用SiO2和siN包覆陶瓷或sic包履石墨为衬底，用快速热化学气相沉积（RTCVD）威廉希尔官方网站 沉积多晶硅薄膜，硅膜经过区熔再结晶（ZMR）后制备太阳电池，两种衬底的电池效率分别达到9．3％和11％。
    北京市太阳能研究所自1996年开始开展多晶硅薄膜电他的研究工作。该所采用RTCVD威廉希尔官方网站 在重掺杂非活性硅衬底上制备多晶硅薄膜和电池，1cm2电池效率在AM1．5条件下达到13.6％，目前正在向非硅质衬底转移。
    （2）多层多晶硅薄膜电池
    uNSW1994年提出一种多层多晶硅薄膜电他的概念和威廉希尔官方网站 ，1994年与Pacific  Power公司合作成立kcifiC  sO1ar公司开发这种电池。最近报道，该公司已经生产出30cmX40cm的中试电池组件。薄膜采用CVD 工艺沉积，衬底为玻璃，通过激光刻槽和化学镀实现接触、互联和集成。据称，电池组件的主要成本是封装玻璃，商业化后的发电成本可与煤电相比。

2太阳电池用晶硅材料
2．1现用太阳电池硅材料
    目前全世界光伏工业晶体硅太阳电池所用的晶锭的投炉料，都采用半导体工业的次品硅及其单晶硅的头尾料，其总量约占半导体工业生产硅料的1／10，约为1000～1200吨／年。这种硅料的纯度大部分仍在6N到7N，价格依其品位约在10一20美元／kg。目前半导体工业用的投炉多晶硅料是采用三氯氢硅精馏法（西门子法）生产的，采用改进的西门子法并扩大规模进行生产是未来降低成本的有效措施之一。
    由于经费制约，我国太阳级硅的研究工作限于较简易的化学与物理提纯。化学提纯是将纯度较高的冶金级硅（99％）加工成细颗粒后，使用盐酸、王水、氢氟酸等进行酸洗革取，可将含铁量降到200ppm量级，然后再进行二次定向凝固（早期使用二次直拉），将含铁量降到0．3ppm量级，但其纯度及成本均未能达到要求。我国具有纯度高的石英砂资源，并生产大量冶金级硅供应出口，采用冶金硅精炼的方法生产太阳级硅将来具有潜力。
2．1．1单晶硅材料
    单晶硅材料制造要经过如下过程：石英砂一冶金级硅一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siO2形式存在于石英和砂子中。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，约为14kwh／kg，因此硅的生产通常在水电过剩的地方（挪威，加拿大等地）进行。这样被还原出来的硅的纯度约98％一99％，称为冶金级硅（MG一Si）。大部分冶金级硅用于制铁和制铝工业。目前全世界冶金级硅的产量约为50万吨／年。半导体工业用硅占硅总量的很小一部分，而且必须进行高度提纯。电子级硅的杂质含量约10-10％以下。
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三氯氢硅和氢气，Si＋3HCI→SiHC13＋H2。由于SiHC13在30℃以下是液体，因此很容易与氢气分离。接着，通过精馏使
SiHC13与其它氯化物分离，经过精馏的SiHCl3，其杂质水平可低于10-10％的电子级硅要求。提纯后的SiHC13通过CVD原理制备出多晶硅锭。
    基于同样原理可开发出另一种提纯方法，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粉未颗粒只有十分之几毫米，可用作CZ直拉单晶的投炉料或直接制造Si带。
    拉制单晶有CZ法（柑祸拉制）和区熔法两种。CZ法因使用石英柑蜗而不可避免地引入一定量的氧，对大多数半导体器件来说影响不大，但对高效太阳电池，氧沉淀物是复合中心，从而降低材料少子寿命。区熔法可以获得高纯无缺陷单晶。常规采用内圆切割（ID）法将硅锭切成硅片，该过程有50％的硅材料损耗，成本昂贵。现在已经开发出多线切割法，可以切出很薄（～100Pm）的硅片，切割损失小（～30％），硅片表面切割损伤轻，有利于提高电池效率，切割成本低。
2．1．2多晶硅材料
     由于硅材料占太阳电池成本中的绝大部分，降低硅材料的成本是光伏应用的关键。浇铸多晶硅威廉希尔官方网站 是降低成本的重要途径之一，该威廉希尔官方网站 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移动而形成晶锭。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，切成的硅片一般尺寸为10cmXl0cm，平均晶粒尺寸从毫米到厘米。
     铸锭法中需要解决的主要问题是：（1）盛硅容器的材质。国为硅熔体冷凝时会牢固地粘附在柑祸的内壁，若两者的膨胀系数不同，硅固化时体积增加9％，会使硅锭产生裂纹或破碎。此外，熔化硅几乎能与所有材料起化学反应，因而柑祸对硅料的污染必须控制在太阳级硅所允许的限度以内。（2）晶体结构。用调整热场等方法控制晶体结构，以生长出大小适当（数毫米）的具有单向性的晶粒，并尽量减少晶体中的缺陷，这样才有可能制成效率较高的电池。
      近年来，铸锭工艺主要朝大锭的方向发展。威廉希尔官方网站 先进的公司生产的铸锭多在55cmX55cm（锭重150kJ左右，目前65cmX65cm（锭重230kJ的方形硅锭也已被铸出，铸锭时间在3一43h范围，切片前硅材料的实收率可达到83．8％。大型铸锭炉多采用中频加热，以适应大形硅锭及工业化规模。与此同时，硅锭质量也得到明显的改进，经过工艺优化和柑蜗材质改进，使缺陷及杂质、氧、碳含量减少。在晶体生长中固液界面的形状会影响晶粒结构的均匀性与材料的电性能，一般而言，水平形状的固液界面较好。由于硅锭整体质量的提高，使硅锭的可利用率得到明显提高。
     由于铸锭中采用低成本的柑祸及脱模涂料，对硅锭的材质仍会造成影响。近年来电磁法（EMC）被用来进行铸锭试验，方法是投炉硅料从上部连续加到熔融硅处，而熔融硅与无底的冷柑涡通过电磁力保持接触，同时固化的硅被连续地向下拉。冷增涡用水冷的铜涡来形成。目前该工艺已铸出截面为220mmX220mm的长硅锭，铸锭的材质纯度比常规硅锭高。生产性的铸锭炉已铸造出500kg的硅锭，锭的截面为350mmX350mm，2．  2m长，固化率为1mm／min。固化及冷却时所产生的热应力是影响硅锭质量的主要参数，应不断优化和改进。该法能否正式进入工业化生产仍在实验评估中。
     我国在80年代初就开始了多晶硅材料和太阳电池研究，进行铸锭材料研究的有北京有色金属研究总院、上海有色金属研究所、复旦大学；其中上海有色所采用的是浇铸法，北京有色院及复旦大学采用的是定向凝固法，并铸出了15kg重、220mmX220mmX140mm的硅锭。国家“九五”计划安排了100kg级硅锭的引进消化任务。
   （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帮助。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）硅片加工威廉希尔官方网站
    常规的硅片切割采用内圆切片机，其刀损为0．3一0．  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。一般可减少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2一4MW／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。
2．2带状多晶硅制造威廉希尔官方网站
    为了减少切片损失，在过去几十年里开发过很多种制造片状硅或带硅的威廉希尔官方网站 。在80年代国际上曾出现过很多种生长硅带的方法，但大部分都处于实验室阶段，其原因是：（1）在高温过程中通过设备引入了过多杂质，达不到要求的纯度；（2）在再结晶过程中要求的高冷却速率会使晶体中产生过多的缺陷。在生长速度与硅带质量之间寻找平衡，其降低成本的威廉希尔官方网站 难度比晶锭硅高。下边介绍几种比较成熟的带硅威廉希尔官方网站 。
  （1）限边喂膜（Edge  deifined  film  growth）带硅威廉希尔官方网站
    该威廉希尔官方网站 的工艺过程如下：采用适当的石墨模具从熔硅中直接拉出正八角硅筒，正八角的边长比10cm略长，总管径约30cm，管壁厚度（硅片厚）与石墨模具毛细形状、拉制温度和速度有关，约200一400tLm，管长约5m。采用激光切割法将硅管切成10cmXl0cm方形硅片。电池工艺中采用针头注入法制备电池栅线，其它工艺与常规电池工艺相同。电他效率13％一15％。该威廉希尔官方网站 目前属于ASE公司所有，商品化生产规模是4MW／年，正计划扩产。
  （2）枝蔓践状带硅威廉希尔官方网站
    在生长硅带时两条枝蔓晶直接从柑蜗熔硅中长出，由于表面张力的作用，两条枝晶的中间会同时长出一层如践状的薄片，所以称为践状晶。切去两边的枝晶，用中间的片状晶制作太阳电池。践状晶在各种硅带中质量最好，但其生长速度相对较慢。
    我国在70年代初就拉制出无位错的躇状晶。在80年代中期北京有色金属研究院在国家自然科学基金支持下开展了用碳网作支持物，从横向拉制硅带的工作，并研制出了设备（研究工作在80年代未中止）。我国西北工业大学进行了滴硅旋转法——即用电磁法熔化硅、然后将硅液滴到旋转模具上以形成硅片的探索性研究，并达到了一定的水平。
  （3）De1aware大学多晶片状硅制造威廉希尔官方网站
    该威廉希尔官方网站 基于液相外延工艺，衬底为廉价陶瓷。陶瓷衬底可以重复使用。在电池制作中采用了Al和POC13，吸杂和低温PECVD-Si3N4，钝化威廉希尔官方网站 ，后者提供了体钝化和发射区钝化。lcm2电池效率达到15•6％。De1aware大学和Austropower公司合作通过了中试产业化威廉希尔官方网站 。
  （4）小硅球太阳电池
    硅球的平均直径为L2mm，约有2万个小球镶在100cm2的铝箔上以形成太阳电池，每个小球具有p/n结，这么多的小球在铝箔上形成并联的结构，100cm2面积的电池效率可达到10％。原则上可使用冶金级的小硅球，一方面小硅球本身也容易进行提纯。该方法在威廉希尔官方网站 上具有一定的特色，但要降低成本在威廉希尔官方网站 上仍有许多困难。该方法在90年代初发展起来，但近几年其研究与发展陷于停顿状态。我国复旦大学也曾对这种太阳电池工艺进行了探索性实验，掌握了基本威廉希尔官方网站 的要点。
2．3太阳级硅
      美国、德国、日本的许多家公司在80年代未停止了太阳级硅的研究，主要是因为威廉希尔官方网站 进展缓慢，同时有大量低成本半导体工业次品硅可供利用。另一方面，太阳级硅生产的经济规模约为1000吨／年，成本可降到
20美元／kg，而目前光伏工业每年的需求量只有400一500吨。当光伏工业的用量达到一定的水平，而半导体工业为其提供不了低价的次品硅料时，太阳级硅才能进行正式生产。
     一种目前制造太阳级硅的主要方法是使用精炼的冶金级硅，采用电子束加热真空抽除法去除磷杂质，然后凝固，再采用等离子体氧化法去除硼及碳，再凝固。采用水蒸气混合的冠等离子体可将硼含量降到0•lppm的水平，经过再凝固硅中的金属杂质含量可降到ppb的水平。用此太阳级硅制成的常规工艺电他的最高效率可达到14％，高效工艺制的电他的最高效率可达到16％。此太阳级硅已进入每年生产60吨的中试阶段。
    由于经费制约，我国太阳级硅的研究工作限于较简易的化学与物理提纯。化学提纯是将纯度较高的冶金级硅（99％）加工成细颗粒后，使用盐酸、王水、氢氟酸等进行酸洗革取，此步可将含铁量降到200ppm量级，然后再进行二次定向舒固（早期使用二次直拉），可将含铁量降到0．3ppm量级，但其纯度及成本均未能达到要求。我国具有纯度高的石英砂资源，并有大量冶金级硅出口，采用冶金硅精炼的方法生产太阳级硅具有很大潜力。
3晶硅电池的商业化生产和市场发展
3．1商业化电池威廉希尔官方网站
    （1）常规商业化电池：商业化晶硅电池主要结构是p呗结。绒面、背场和减反射涂层被普遍采用，细栅金属化威廉希尔官方网站 在不断改进，单晶硅商业化电池效率在13一16％之间。多晶硅电池工艺与单晶硅基本相同，但没有绒面威廉希尔官方网站 。商业化多晶硅电池效率在11一14％之间。
    （2）刻槽埋栅电他：BP公司利用UNsW威廉希尔官方网站 生产的刻槽埋栅电池已经实现商业化，规模为2MW／年，电池效率15一17％之间，成本与常规电池基本相同。
    （3）AsE多晶硅片电池效率在11一13％之间。
3．2晶硅电池的产业和市场发展
      国际光伏工业在过去15年的平均年增长率为20％。90年代后期，世界市场出现了供不应求的局面，发展更加迅速。1997年世界太阳电他光伏组件生产达122MW，比1996年增长了38％，是4年前的2倍，是7年前3倍，比集成电路工业发展更快，超出光伏专家最乐观的估计。1998年光伏组件生产达到157．4MW，比1998年增长29％。光伏发电累计总装机容量达到800MW。
     在产业化方面，各国一直在通过改进工艺、扩大规模和开拓市场等措施降低成本，并取得了巨大进展。以美国为代表，政府（能源部）在1990年起动了PVMaT（光伏制造威廉希尔官方网站 ）的产业化计划，通过国家可再生能源实验室（NREI／实施，并成立了国家PV中心，联合产业界、大学和研究机构共同进行攻关，以求大幅度降低成本。这一计划的实施已经产生了非常明显的效果，使商品化电池效率提高到．12一15％。生产规模从过去的1一5MW／年发展到5一20MW／年，并正在向50MW扩大，如英国BP  So1ar公司计划2000年达到50MW／年的生产能力。生产工艺不断简化，自动化程度不断提高。三年来，世界的光伏组件的生产成本降低了32％以上，第一次降到3美元／wp以下，国际市场光伏组件售价在4美元／Wp左右。这种趋势还在继续发展，预测1999年生产成本可降到1．  79美元／Wp，在1994年的水平上降低60％。美国PV系统电价成本目标：2004年光伏系统安装成本3美元／Wp（11美分／kwh），2010年1．5美元／wp（6美分／kwh以下）。
    欧洲和日本也有类似的计划。竞争促使各发达国家的产业化威廉希尔官方网站 几乎以大致相同的水平和速度向前发展；
    在太阳能光伏发电领域，印度是发展中国家的排头兵。截止1997年3月／p度总的pv系统容量达到30MW。目前印度有6个太阳电池制造厂，12个组件生产厂，1998年生产10MW组件，19982002印度计划安装150MW。2002年生产将达到50Mw／年。
    1998年7月在Vienna召开了第二届国际太阳能光伏会议，在这个迄今规模最大的世界光伏会议上，一向观点保守和沉默寡言的欧盟科技局局长Wolfgang  Pa1z博士在会上谈到他对目前PV威廉希尔官方网站 商业化发展态势的观点：光伏威廉希尔官方网站 的发展已经很明显地结束了它的前期开拓阶段，并开始了它的蓬勃发展阶段。1998年7月正当世界金融危机最疯狂的时候，世界PV市场比1997年同期增长了50％。世界各大公司纷纷实施和制定扩产计划，1998年初PVIR统计，正在实施和扩产的新增能力为“3。5MW／年，比1997年高出2倍。可以说，太阳能光伏发电威廉希尔官方网站 和产业正在腾飞，预测今后10年光伏组件的生产将以30％左右甚至更高的递增速度发展，2000年将达到300MW／年，2010年达到4．6GW／年（保有量20GW）。快速发展的屋顶计划、各种减
免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格为PV市场的发展提供了坚实的发展基础。市场发展将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。预测到下世纪中叶，太阳能光伏发电将达到世界总发电量15一20％，成为人类的基础能源之一。第二届世界太阳能光伏会议主席Jurgen  Schmidt在大会上说到：“作为全球一种能源，光伏发电在下世纪前半期将超过核电，是2030年还是2050年的最后几年超过，只是个时间问题。”
    我国太阳能光伏发电威廉希尔官方网站 产业化及市场发展经过近20年的努力，已经奠定良好的基础。目前有4个单晶硅电池及组件生产厂和2个非晶硅电池生产厂。但在总体水平上我国同国外相比还有很大差距，主要表现在以下几个方面：
   （1）生产规模小。目前4个单晶硅电池生产厂基本上保持在1986一1990年引进时的规模和水平。各厂家在引进时标称生产能力为IMW／年，但在不同的工艺环节上都存在着“瓶颈”，实际生产能力都在0．5MW／年左右，所以我国太阳电池总的实际生产能力约2MW／年，  1998年我国太阳电他的产量为2MW，约占世界产量的1．3％。生产的规模化程度比国外5一20MW生产规模低一个数量级。目前各厂都在努力扩大生产能力，可望在1一2年内将各厂的实际生产能力扩大到IMW／年，总能力达到4MW／年。多晶硅电池有利于进一步降低成本，目前我国还是空白。国家已将多晶硅电他的产业化作为“九五”计划的重点进行了安排，可望在2000年形成规模化生产。
   （2）威廉希尔官方网站 水平较低。我国太阳电他的效率较低，平均在11一13％；组件封装水平低，工程现场证明，部分产品大约3一5年就出现发黄、起泡、焊线脱落、效率下降等问题，近几年产品质量有提高，但同国外仍有一定
差距。
   （3）专用原材料国产化程度不高。专用材料如银浆、封装玻璃、EVA等尚未完全实现国产化。国家曾将提高商业化电池效率和材料国产化列入“八五”计划，并取得一定成果，但性能有待进一步改进，各厂家部分材料仍然采用进口品。
   （4）成本高。目前我国电池组件成本约35元／wp（4．2美元／Wp），平均售价44元／Wp（5．3美元／Wp)，成本和售价都高于国外产品。
    我国地域广大、人口众多，7000万人生活在无电地区，光伏发电的潜在市场非常巨大。但由于光伏发电成本高，目前尚不能与常规发电相比。尽管如此，我国的光伏市场仍在逐年地发展和扩大，1998年的安装容量约2．5MW。到1998年底，光伏发电系统总保有量约12MW。
    在光伏市场发展方面，国外各大公司和世界银行对于开拓中国的光伏市场都表现出极大的兴趣和热心，并开始付诸行动。这对我国光伏事业的发展无疑起着极大的推动和催化作用。例如，世界银行通过GEF（全球环境基金）项目向中国软贷款用于风能和光伏发电的市场开拓，其中包括10MW的户用光伏发电系统。该项目在国家经贸委组织下正在执行中。荷兰政府向我国新疆自治区赠送近10万套户用光伏电源系统，价值1500万美元。日本、美国、欧洲的一些公司也都有过类似的赠送和示范项目。面对这样一个将被开发的巨大市场，我国的光伏发电产业必须加快发展步伐。
4．二十一世纪晶硅电他的发展趋势和展望
    90年代以来，在可持续发展战略的推动下，可再生能源威廉希尔官方网站 进入了快速发展的阶段。据专家预测，下世纪中叶太阳能和其它可再生能源能够提供世界能耗的50％。
4．1 光伏建筑将成为光伏应用的最大市场
    太阳能光伏系统和建筑的完美结合体现了可持续发展的理想范例，国际社会十分重视。国际能源组织（IEA）＋ 1991和1997相继两次起动建筑光伏集成计划，获得很大成功，建筑光伏集成有许多优点：①具有高威廉希尔官方网站 、无污和自供电的特点，能够强化建筑物的美感和建筑质量；②光伏部件是建筑物总构成的一部分，除了发电功能外，还是建筑物耐候的外部蒙皮，具有多功能和可持续发展的特征；③分布型的太阳辐射和分布型的建筑物互相匹配；④建筑物的外壳能为光伏系统提供足够的面积；⑤不需要额外的昂贵占地面积，省去了光伏系统的支撑结构，省去了输电费用；③PV阵列可以代替常规建筑材料，从而节省安装和材料费用，例如昂贵的外墙包覆装修成本有可能等于光伏组件的成本，如果安装光伏系统被集成到建筑施工过程，安装成本又可大大降低；①在用电地点发电，避免传输和分电损失（5一10％），降低了电力传输和电力分配的投资和维修成本，建筑光伏集成系统既适用于居民住宅，也适用商业、工业和公共建筑，高速公路音障等，既可集成到屋顶，也可集成到外墙上；既可集成到新设计的建筑上，也可集成到现有的建筑上。光伏建筑集成近年来发展很炔，许多国家相继制定了本国的光伏屋顶计划。建筑自身能耗占世界总能耗的1／3，是未来太阳能光伏发电的最大市场。光伏系统和建筑结合将根本改变太阳能光伏发电在世界能源中的从属地位，前景光明。
4．2  PV产业向百兆瓦级规模和更高威廉希尔官方网站 水平发展
    目前PV组件的生产规模在5一20Mw／年，下世纪将向百兆瓦级甚至更大规模发展。同时自动化程度、威廉希尔官方网站 水平也将大大提高，电池效率将由现在的水平（单晶硅13％一15％，多晶硅11％一13％）向更高水平（单晶硅18％一20％，多晶硅16％一18％）发展，同时薄膜电池在不断研究开发，这些都为大幅度降低光伏发电
成本提供了威廉希尔官方网站 基础。
4．3下世纪前半期光伏发电将超过核电
    专家预计，下世纪前半期的30一50年代，光伏发电将超过核电。1997年世界发电总装机容量约2000GW，其中核电约400GW，约占20％，世界核电目前是收缩或维持，而我国届时核能将发展到约100GW，这就意味着世界光伏发电届时将达到500GW左右。1998年世界光伏发电累计总装机容量800MW，以2040年计算，这要求光伏发电年增长率达16．5％，这是一个很实际的发展速度，前提是光伏系统安装成本至少能和核能相比。
4．4  PV发电成本下降趋势
    美国能源部1996年关于PV联网系统市场价格下降趋势预测表明，每年它将以9％速率降低。1996年pv系统的平均安装成本约7美元／Wp，预计2005年安装成本将降到3美元／Wp，PV发电成本）11美元／kWh；2010年PV发电成本降到6美分／kWh，系统安装成本约1．7美元／Wp。
降低成本可通过扩大规模、提高自动化程度和威廉希尔官方网站 水平、提高电池效率等途径实现。可行性研究指出，500MW／年的规模，采用现有已经实现商业化生产的晶硅威廉希尔官方网站 ，可使PV组件成本降低到：欧元左右（其中多晶硅电池组件成本0．91欧元／Wp），如果加上威廉希尔官方网站 改进和提高电池效率等措施，组件平均成本可降低到1美元／Wp。在这个组件成本水平上，加上系统其它部件成本降低，发电成本6美分／kWh是能实现的。考虑到薄膜电池，未来降低成本的潜力更大，因此在下世纪前10一30年把PV系统安装成本降低到与核电可比或更低是完全可能的。