太阳能用晶体硅的技术现状和发展趋势

摘要硅是太阳能电池研发的主要材料之一，具有来源丰富、环境污染小的优势。本文介绍了目前太阳能用晶体硅的的应用技术和未来发展趋势。

【关键词】太阳能 单晶硅 多晶硅

能源是影响社会经济发展的重要因素。在低碳环保的社会主流下，无污染的能源在未来能源结构中所占比重会越来越高。太阳能是典型的洁净型可再生能源，受到了越来越多的重视。太阳能光伏应用具有低污染、高储量、安全性及潜在的巨大经济效益成为能源领域的宠儿。低成本高效率的太阳能电池是光伏技术长期追逐的目标，各国光伏研究机构和大型生产商也在不停歇地开展研发工作，以促进光伏技术的不断进步。

从当前的太阳能电池种类来看，包括了晶体硅电池、薄膜电池以及其他材料电池。硅电池主要是单晶硅电池和多晶硅电池。目前应用型太阳能电池中，硅太阳能电池由于其成熟的技术，渐渐成为太阳能电池的主流。而且单晶硅和多晶硅太阳能电池因技术较为成熟，转换效率较高，经济效益较好等优势，应用是最为广泛，在大规模应用和工业生产中居于主导地位。

晶硅太阳能电池分为单晶和多晶，区别在于所用硅片。单晶硅片由多晶硅原料经拉晶炉拉成单晶棒后再切片制成，多晶硅片是由多晶硅料经铸锭炉铸成多晶硅锭后再切片制成。

1 太阳能级单晶硅棒的技术现状和发展趋势

单晶硅太阳能电池作为晶体硅电池中转换效率最高的，其成本也比较高。随着太阳能光伏行业的不断发展，竞争的加剧，单晶硅太阳能电池在如何更好提高高转换效率，同时又能更好的控制成本，保持此优越性方面要求越来越高。国内外各科研机构以及各厂家也通过采用不同的方式和思路为此不断探索，也不断有相应较高效率的单晶硅电池问世。

博世太阳能（阿恩施塔特，德国）和哈梅林太阳能研究所（ISFH，Emmerthal，德国）已经使用离子注入指叉背结背接触（IBC）技术，产生出了22.1%的高效晶体硅（C-Si）的太阳能光伏（PV）电池。中电光伏也宣布通过在传统硅片上使用新结构设计，其单晶太阳能电池转换率再创纪录，达20.26%。晶澳太阳能宣布公司旗下“博秀”P-型单晶太阳能电池转换效率已突破20%。2013年3月，松下开发的达到24.7%转换效率的单晶太阳能电池是在单晶硅晶圆两面形成非晶硅层的异质结构造的“HIT太阳能电池”。

已达到规模化生产的N型单晶硅太阳电池有三种，分别是日本松下的N-SiHITN型硅太阳电池，美国SunpowerIBC结构N型硅太阳电池，以及英利的熊猫N型硅电池。转换效率也不断提高。

作为单晶硅太阳能电池的主体材料，太阳能级单晶硅棒也跟随电池的发展要求技术不断改进升级。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、更低的杂质缺陷含量、更均匀的分布以及低成本、高效率方向发展。

2 太阳能级多晶铸锭技术的发展

多晶硅太阳电池由于成本低、性价比高，在市场比重中不断扩大。多晶硅太阳电池所用多晶硅片由铸锭在经过开方、切片制备而得到。多晶硅铸锭一般采用定向凝固法（Directional Solidification，DS）生长得到 ，可以取代单晶硅的拉制过程 ，且具有能耗少、产量大的优势，大大降低生产成本。另外，多晶硅铸锭本身是方形的，可以减少开方时的材料损失，因而增加了使其更具有竞争力。

目前，在多晶硅铸锭领域出现一种用类似于制造多晶硅的方法，生产具有单晶硅特征的“准单晶”。这种技术制备的硅片在一定尺寸上表现为同一晶向的晶粒面积较大。在能耗方面，准单晶硅的铸锭能耗和普通多晶硅的铸锭能耗相差不大，而生产的准单晶硅的质量接近CZ单晶硅。这种大晶粒多晶硅大大降低了普通多晶铸造中由于晶界导致电池效率降低的问题，因为该技术可以有效地降低材料中的晶界密度。同时，取向相同的晶粒使高效的碱制绒技术能被应用，从而提高了电池对光的吸收效率，在不明显增加硅片成本的前提下，使电池效率提高0.5%以上。

“准单晶”技术使单晶硅低缺陷、高转换效率的优势，同多晶硅铸锭技术高产量、低能耗、低光致衰减的优势得以共存。因此，大力投入研发太阳能级的准单晶硅铸造技术既具有巨大的科研价值又具有广阔的市场前景。

大力发展准单晶硅是未来太阳能级单晶硅的重要发展方向。要提高准单晶硅的收益，需要从铸造技术加以改善：（1）籽晶循环利用次数需要增加。目前研发水平，准单晶硅铸锭中籽晶一般只能利用一次，而每次籽晶需要要熔化掉大约5 ～10mm。籽晶的价格相对于硅料而言贵很多。为尽可能节约生产成本，必须通过增加籽晶循环利用次数，加大收益。（2）籽晶厚度需要降低。因为某些特殊原因，部分铸锭炉生产准单晶硅锭后，其籽晶少子寿命很低，不适合用作下次铸锭的籽晶，无形中增加了铸锭成本，所以可以采用通过降低籽晶厚度来节约成本，使在生产中用到的籽晶能得到最充分的利用。同时，对于可以循环利用的籽晶，降低籽晶厚度也可以节约成本。（3）铸锭时间需要缩短。准单晶硅铸锭技术与普通多晶硅铸锭时间相比较，相对较长。时间增加意味着相应的生产成本也会有所上升，例如燃料费用、水电费用、人工费等用，同时也会延长铸锭的生产周期。通过缩短铸锭时间、压缩生产周期，可有效地减少能耗等成本。（4）提高准单晶硅的成品率。目前，由于技术仍处于未成熟阶段，所以准单晶硅铸锭成品率较普通多晶硅铸锭成品率有所降低。通过提高准单晶硅铸锭的成品率也是未来节省成本的一个重要方向。（5）增加单晶硅铸锭的尺寸。铸造大尺寸的准单晶硅锭也是未来提高收益的一个重大方向。

高效大硅锭也是未来多晶生产的重要发展方向之一，高效多晶铸锭的优势明显，可降低单位能耗，提高产出率，同时也降低了后续设备需求、耗材消耗及人工成本。相对于准单晶产品生产，高效多晶只需要在设备以及热场等方面技术升级改造，对原有设备进行技术改进和工艺革新，虽然在转换效率上稍逊，但成本优势较为明显。

3 小结

从现有的发展来看，由于硅电池工艺和材料研究都日益成熟，预计在今后硅材料太阳能电池的主导地位不会改变。其中单晶硅和多晶硅将主导太阳能电池市场，也将在高效率太阳能电池中稳定保持高的市场分额。目前太阳能硅电池最为关键的问题还是提高转换效率和降低成本，通过改进现有的制造工艺、设计新的电池结构、开发新型电池材料等方式，降低制造成本，提高光电转换效率。

参考文献

[1] 李宏军等，太阳能级单晶硅铸造技术研究进展。新材料产业，2011(04).

[2] 苏柳等，准单晶硅技术研究进展。硅酸盐通报，2012(06).

作者单位

陕西西京电子科技有限公司陕西省西安市710065