多晶硅太阳能电池 研究进展
主要内容
引言 一、太阳能电池的发电机理 二、多晶硅太阳能电池 三、多晶硅太阳能电池现存的问题 四、发展趋势 结语
引言
随着世界范围内能源短缺和环境问题的 加剧，以太阳能为主的可再生能源的研究、 开发和利用日益得到重视。太阳能有许多 优势：取之不尽，用之不竭；不排放任何 温室气体，没有噪音，对环境的影响极小， 是一种绿色能源；分布遍及全球，地域限 制性小。太阳能电池生产技术不断得到研 究开发, 生产成本不断降低, 究开发, 生产成本不断降低, 电池转换效率不 断提高, 太阳能电池的应用日益普及并拓展, 断提高, 太阳能电池的应用日益普及并拓展, 已日渐成为电力供应的重要来源。
3、多晶硅的生产工艺 多晶硅生产采用的技术几乎都是先进的 改良西门子法。该方法的显著特点是: 改良西门子法。该方法的显著特点是:能耗 低、成本低、产量高、质量稳定,采用综合 低、成本低、产量高、质量稳定, 利用技术,对环境不产生污染, 利用技术,对环境不产生污染,具有明显的竞 争优势。随着对多晶硅需求的迅速增长， 近来不断涌现出多种专门用于太阳能级多 晶硅生产的低成本新技术工艺，如冶金法、 物理法、熔融电解法 、碳热还原反应法、 铝热还原法、以及常压碘化学气相传输净 化法等。
2、多晶硅太阳能电池的研究现状 多晶硅材料则是由许多单晶颗粒(颗粒 直径为数微米至数毫米)的集合体。各个单 晶颗粒的大小，晶体取向彼此各不相同。 多晶硅太阳能电池带来以下三方面影响： 晶粒间界处存在势垒，阻断载流子的通过； 晶粒间界作为一种晶体缺陷，起着有效复 合中心作用；在形成p-n 结的工艺过程中， 掺杂的原子会沿着晶粒间界向下择优扩散， 形成导电分流路径，增大漏电流。
熔盐三层电解精炼法制取多晶硅流程图
无氯技术
无氯技术（C h l o r i n e F r e eTechnology）是 一种很有发展前途的太阳能级多晶硅制备技术， 其原料为冶金基硅。工艺流程包括在催化剂作用 下硅原料与C 2 H 5O H 反应生成S i( O C 2H 5) 3H ， 反应温度为2 8 0 ℃， S i( O C 2H 5) 3H在催化剂作 2 H 用下又分解为SiH4和Si(OC2H5)4，Si(OC2H5)4水解得 到高纯SiO2或硅溶胶，SiH4在850℃～900℃的高温 下热解生成多晶硅和氢气。该技术属于俄罗斯 INTERSOLAR中心和美国国家可再生能源实验室 的专利技术。利用该工艺技术生产1kg的多晶硅仅 需要15～30kWh的能量，硅产量（多晶硅、主要 副产品、硅溶胶）可达80%～90%。
在西门子法工艺基础上增加还原尾气干 法回收系统、SiCl4氢化工艺,实现了闭路循 环,形成了当今广泛应用的改良西门子法。 该方法通过采用大型还原炉,降低了单位产 品的能耗;采用SiCl4 氢化和尾气干法回收工 艺,明显降低了原辅材料的消耗,在当今世界 多晶硅生产中处于主流地位。目前,国际上 大多数多晶硅生产公司(厂家) ,如海姆洛克 ( Hemlock) 、瓦克(Wack2er) 、德山 Tokuyama) 等公司均采用改良西门子法生产 电子级多晶硅。
(3) 硅烷热分解生成高纯硅料(800～1000 ℃) :
制得的硅烷气经提纯后在热分解炉中分解, 生成的高纯多晶硅沉积在加热到850 ℃以上的细 小多晶硅棒上,采用该技术的有美国ASIMI 和 SGS(现为REC) 公司。同样,硅烷的最后分解也可 以利用流化床技术得到颗粒状高纯多晶硅。 硅烷热分解法主要优点在于硅烷易于提纯, 热分解温度低等。虽然该法获得的多晶硅纯度 高,但综合生产成本较高,而且硅烷易燃易爆,生产 操作时危险性大。
硅烷热分解法
这种方法是通过SiHCl3 将冶金级硅转化成硅烷气的形 式,主要分为以下3步: (1) SiCl4 和H2 与冶金级硅粉发生反应合成SiHCl3 (500 ℃,30MPa ,催化剂) :
(2) SiH2Cl2 分解生成硅烷气(SiH4 ) 并精馏提纯(60 ℃,0. 3MPa ,催化 剂) :
二、多晶硅太阳能电池
1、多晶硅太阳能电池研究目的
多晶硅太阳电池以其转换效率已接近单晶硅、 性能稳定和成本适中而得到越来越广泛的应用。 多晶硅太阳能电池对原料的纯度要求低, 多晶硅太阳能电池对原料的纯度要求低, 原料的来 源渠道也较为广阔, 可由铸锭而成, 源渠道也较为广阔, 可由铸锭而成, 适合大规模商 业化生产, 业化生产, 多线切割工艺可为电池生产提供不同规 格的硅片, 以适应不同用途, 格的硅片, 以适应不同用途, 并使生产成本大大降 低。目前多晶硅太阳能电池已超越单晶硅的产量, 低。目前多晶硅太阳能电池已超越单晶硅的产量, 占据市场的主导地位。

熔盐三层电解精炼法
此工艺可有三条路线供选择:一 是把工业硅做阳极直接进行电解, 阴极得多晶硅. 但是由于硅的熔 点较高,为1 414 ℃,一般的熔盐电 解很难达到这一温度. 二是使硅 与某种金属生成合金,使阳极成 为液相,则提高了反应速度. 此时 电解过程是二液一固. 第三种方 法阳极和阴极均为合金,此时阴 极合金中的M2应是蒸气压较高 的金属,例如Na, K,Li,Mg, Ca, Sr等 金属,此时可增加“蒸馏”工序 将M2除去. M1和M2在理论上并 不销耗,但需要定时净化。
改良西门子法
该技术采用高纯三氯氢硅 (SiHCl3 ) 作为原料,氢气作为 还原剂,采用西门子法或流化 床的方式生长多晶硅。此法 有以下3 个关键工序： (1) 硅粉与氯化氢在流化床上 进行反应以形成SiHCl3 ,反应 方程式为:
(2) 对SiHCl3 进行分馏提纯, 以获得高纯甚至 10 - 9 级(ppb) 超纯的状态: 反应中除了生成中间 化合物SiHCl3 外,还有附加产物,如SiCl4 、 SiH2Cl2 和FeCl3 、BCl3 、PCl3 等杂质,需要精馏 提纯。经过粗馏和精馏两道工艺,中间化合物 SiHCl3 的杂质含量可以降到10 - 7～10 - 10数量级; (3) 将高纯SiHCl3 用H2 通过化学气相沉积 (CVD) 还原成高纯多晶硅,反应方程式为:
3、前高纯多晶硅的制备和提纯技术只掌握在 美、日、德等国的近10 家大公司手中,如 Hemlock、Wacker 、Tokuyama 、REC等公 司,目前这4 家大公司所生产的高纯多晶硅占 据世界高纯多晶硅产量70 %以上的份额,对 整个世界高纯多晶硅材料市场形成了绝对 的垄断。
四、发展趋势
随着市场的发展, 随着市场的发展,高转换效率、低成本化将是今后多 晶硅太阳能电池发展的主要方向。在这方面, 晶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, 加工处理技术的进步与改善,我国必须走自主开发新工艺、 新技术、新设备的路子，才能使我国的多晶硅制造技术达 到或超过国际先进水平，形成有竞争力的我国多晶硅产业。 在未来的很多年中，太阳能发电工业成为一个大的 产业将提供很多的就业机会，有更多的人从事太阳能发 电技术的研究和生产。太阳能光伏发电将会成为我国能 源支柱产业之一。同时带动相关产业的迅猛发展。
冶金法
冶金法的主要工艺是：选择纯度较好的工业 硅进行水平区熔单向凝固成硅锭，除去硅锭中金 属杂质聚集的部分和外表部分后，进行粗粉碎与 清洗，在等离子体融解炉中除去硼杂质，再进行 第二次水平区熔单向凝固成硅锭，之后除去第二 次区熔硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分， 经粗粉碎与清洗后，在电子束融解炉中除去磷和 碳杂质，直接生成出太阳能级多晶硅。据报道冶 金硅物理提纯的太阳级硅技术有新的突破，光电 转换效率达18%。 转换效率达18%。
三、多晶硅太阳能电池现存的问题
1. 目前我国只能依靠引进国外改良Siemens 法 目前我国只能依靠引进国外改良Siemens 工艺技术进行小批量的生产，在产业化方 面同国际先进水平差距主要表现在多晶硅 的产能低，供需矛盾突出；生产规模小； 工艺设备落后，物料和电力消耗过大，三 废问题多。
2. 目前比较紧迫需要解决的是四氯化硅的 综合利用问题。直接采用四氯化硅生产太 阳能电池级多晶硅，或利用四氯化硅生产 气相白炭黑、有机硅、高纯石英、光纤预 制棒、超高纯四氯化硅等，使之形成一个 完整的产业链，同时提高其副产品四氯化 硅的附加值。
结语
◆ 全球光伏发电持续快速、健康发展，太阳级硅 材料仍然是目前发展的制约因素，但供求关系渐趋缓 和。全球光伏发电前景愈来愈好。 ◆ 中国已成为世界太阳电池的最大生产国，除硅 材料供应紧张外，光伏产业链渐趋平衡、协调、健康 发展； ◆ 中国当前亟待认真落实可再生能源法，特别是 《上网电价法》，启动我国光伏市场，促进光伏产业 持续健康发展，为我国能源、环境和社会的可持续发 展做出贡献。
一、太阳能电池的发电机理
太阳能电池芯片是具有光电 效应的半导体器件，半导体的PN 结被光照后产生电流，当光直射 太阳能电池芯片，其中一部分被 反射，一部分被吸收。一部分透 过电池芯片、被吸收的光激发被 束缚的高能级状态下的电子，使 之成为自由电子，这些自由电子 在晶体内向各方向移动，余下空 穴（电子以前的位置）。空穴也 围绕晶体飘移，自由电子（－） 在N结聚集，空穴（＋）在P结聚 集，当外部环路被闭合，电流产 生。