高效晶硅电池技术进展

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[摘 要]晶硅电池是节能环保的新型能源，因其以可再生资源太阳能为原料，利用光伏发电技术，在坚持资源可持续发展的道路上扮演重要的角色。在晶硅电池中，制备晶硅电池的关键工艺使电极制作，主要依靠电池的电极收集光生电流，因此，晶硅电池电极制作工艺材料成本的降低和技术的进展一直是晶硅电池产业的重要研究课题。

[关键词]太阳能电池；晶硅电池；高效电池技术

中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）36-0224-01

前言：自1954年晶硅电池技术问世以来，凭借其清洁高效低成本的优势在能源危机被日益重视的环境下成为太阳能电池的最主要研发方向，在六十年间迅速得到创新与发展，在技术方面取得众多突破。然而，尽管其光电转换效率与最初相比已经有极大提高，却仍与理论极限效率相差甚远，因此，晶硅电池光电转化率的提高是目前的研究重点，离子注入法在在这种形势下应运而生，使晶硅电池技术得到进展，更加高效。

1.太阳能电池的分类

在能源问题日益严峻的今天，清洁而高效的可再生资源太阳能无疑处于极为关键的地位，目前太阳能电池凭借其原料广泛、价格低廉等优势成为电池领域研发的重点。太阳能电池以光伏发电系统为核心，自其开始研发的六十年来，发展迅速，结构和种类日益丰富，依据其材料的不同大致可将目前市场上的太阳能电池分为包括单晶硅和多晶硅在内的晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和光电化学太阳能电池三大类别。虽然薄膜太阳能电池和例如染料敏化太阳能电池的光电化学太阳能电池均有不断的更新研发和多项重大技术突破，但是相较之下这两类处于实验室研制阶段的太阳能电池的技术与效率水平以及市场接受程度依然不能与晶硅电池相比。因此，高效晶硅电池的技术进展备受各行各业的关注。

2. 晶硅太阳电池

目前晶硅太阳电池主要分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、以及新兴的准单晶电池，但目前后者还主要处于研究层面，单晶硅电池和多晶硅电池在市场上占有较大比重。

2.1 单晶硅太阳电池

单晶硅太阳能电池的表面织构化所形成的陷光效应，减少太阳光在硅片表面因反射造成的损失，可以增强对光的吸收，使电池的光电转化效率有所提高。光伏用的单晶硅电池采用直拉法制造，设备比较简单，并且可以直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭。利用单晶硅电池择优腐蚀原理在硅片表面形成金字塔形结构，从而达到使单晶硅电池表面形成陷光结构和绒面结构从以降低表面的反射率，电池内部形成光陷阱以提高太阳电池的转换效率的目的。 目前研究人员采用氢氧化钠氢氧化钾强碱弱酸盐等碱性化学溶液研究单晶硅的表面织构化，但依旧存在绒面均匀性、一致性、可重复性不够高的问题。影响单晶硅绒面的主要因素有很多，氢氧化钠含量、硅酸钠含量，IPA含量，反应的时间、温度等不同都会对绒面产生不同的影响。

适量的氢氧化钠含量有助于金字塔的成型，降低反射率，而过少或过多分别会造成金字塔不成形或崩塌现象。硅酸钠能为反应提供更多的起始点，得到排列更加均匀紧密的金字塔，硅酸钠水溶液的碱性降低了溶液的张力，解决了直拉单晶硅表面密度低制作不均匀的缺点，并通过促进氢氧根离子与硅的腐蚀作用，为绒面成核提供起点，从而改善单晶硅片表面的湿润效果。然而过量的硅酸钠则会阻碍反应的进行，适得其反。IPA可以协助氢气泡的释放，减缓反应速率从而减弱氢氧化钠的腐蚀强度，并且获得良好的各向异性因子，提高金字塔的覆盖率。反应的温度不宜过高，否则IPA的挥发会影响反应的顺利进行。单晶硅太阳电池制绒的技术提高可以使其更加完善高效。

2.2 多晶硅太阳电池

多晶硅电池具有易制成方形基片、可组件排列、价格低廉且转换效率较高等特点，是光伏领域中不可或缺的部分，近年来占据市场的主要地位。多晶硅太阳电池主要涉及到铸造多晶硅、冶金法多晶硅、西门子法多晶硅等，随着高晶硅电池技术的发展，为了节约成本，多晶硅片子正在往薄的方向发展，旨在接近其仅有五十微米极限厚度。对硅原料进行重熔铸锭而形成的铸造多晶硅主要由锅底料、半导体工业制备单晶硅剩下的头尾料以及没制备成功而产生的废料以及用纯度较高的原生多晶硅与纯度较低的半导体工业废料或高纯金属硅混合掺配这两大类型构成。冶金法多晶硅是将工业硅经湿法冶炼、高温熔炼和定向凝固等多个阶段冶炼提纯得来，由于冶金法多晶硅耗能量少，清洁高效，成本低廉，对于多晶硅太阳电池的大规模生产有较大的实践意义。然而该技术尚处于研发阶段，极不成熟，并未投入使用，它的研发与攻克是目前极为重要的课题之一。西门子法是现今多晶硅的主流生产技术，它包括通过气体分馏进行提纯的改良西门子法和通过硅烷热分解进行提纯的硅烷法。用该技术生产的硅的纯度已经达到电子级硅的标准，因此通常用其与废料掺杂来制备。

然而由于较高密度的晶界、位错、微缺陷以及包括铜、铁、钴、镍等在内重金属杂质的存在，会严重影响多晶硅太阳电池的化学性能，因此吸杂工艺的重要性不言而喻。吸杂分为内吸杂和外吸杂两大类，前者通过利用硅中氧沉积所产生的缺陷作用将杂质束缚在硅体内，从而在硅表面形成一层洁净区域；后者则是依借在硅片表面引入的杂质、损伤或沉积某种薄膜等产生的应力作用将杂质从硅片内部吸出，在进行表面清理，以达到吸杂的目的。

3. 离子注入电池实现方法

离子注入是当真空中的离子束射向固体材料时，因受到固体材料的抵抗而导致速度降低，并最终停留在固体材料中的现象。其在晶硅电池中的应用价值极为显著，在半导体领域是一项重要的掺杂技术。在电池的转化效率方面，离子注入技术远超于传统扩散工艺，可以更快地实现晶体硅的产业化，具有广泛的应用前景。在硅片中注入硼、磷、砷等杂质原子，可改变其表面电导率或形成 p-n 结，该方法制备出的p-n结的均匀性与杂志分布都比较优良，且硅片表面形成热氧化钝化，降低表面复合速率，减少死层。相较于高温扩散方式制备的 p-n 结，离子注入法避免了长期高温对硅片晶格结构造成的损伤，克服了扩散工艺参杂不均匀的缺点。离子注入过程中高能离子会一定程度上损伤硅片晶格，高温退火法对于消除这类损伤很有帮助，退火的同时会在硅片表面生长一层对硅片表面起到钝化作用的二氧化硅薄层，离子注入电池需要经过清洗制绒、离子注入制备发射极、退火、PECVD镀膜、金属化电极几步工艺流程来实现离子的注入。

4.结语

高效晶硅太阳电池的研究与技术发展在如今能源需求大，总量严重不足的环境下，处于毋庸置疑的重要地位。本文对太阳能电池分类的简单介绍，以及晶硅太阳电池中单晶硅电池和多晶硅电池的技术与问题分析，并讨论了离子注入技术的作用及实现方法，希望对晶硅太阳电池的技术发展有一定启发。在现今阶段，大力发展太阳能光伏产业，充分利用好可再生资源太阳能，实现能源的可持续发展是我们的共同目标。

参考文献

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