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摘 要 综述了近年来国内外硅基太阳能电池及其材料的研究和发展现状；探讨了硅材料的制备工艺与材料的性能，以及采用它们所生产电池的优势与不足；并展望了硅基太阳能电池的发展趋势。
关键词 太阳能电池；硅材料；光伏
太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，也是清洁、不产生任何环境污染的能源。在太阳能有效利用当中，太阳能光电利用是近年来发展最快，也是最具活力的研究领域。1990年以来，太阳能电池的平均年增长率高达16%，目前每年的贸易额超过10亿美元。硅材料在光伏领域的增长率已高于它在集成电路领域的增长率。1998年，全世界太阳能产量为150MW；1999年为200MW，增长33%；2003年，将为350MW左右；到2010年，将达到750MW/a~4000MW/a。
1 概述
制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能量后发生光电转换效应。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1)以非晶硅(α-Si)、多晶硅和单晶硅为材料的硅太阳能电池； 2)以Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体如GaAs、InP等多元化合物为材料的太阳能电池； 3)以铜铟硒(CuInSe2简写为CIS)为材料生产的太阳能电池；4)以其它材料(如Ⅱ-Ⅵ族半导体，塑料/有机材料)生产的太阳能电池；另外，锗单晶也是重要的太阳能电池材料。GaAs/Ge主要用于空间太阳能电池。
无论采用何种材料生产太阳能电池，它们对材料的一般要求是：1)半导体材料的禁带不能太宽；2)要有较高的光电转换效率；3)材料本身对环境不造成污染；4)材料便于工业化生产，而且材料的性能要稳定。综合以上几方面因素考虑，硅材料是最理想的太阳能电池材料。上面的分类顺序也体现了其相对重要性。按照电池的生产量来说，硅材料太阳能电池无疑是市场的主体，硅基(多晶硅、单晶硅)太阳能电池占80%以上，如果按照每生产1W太阳能电池需用硅材料17g计算，每年全世界需消费硅材料3000t左右；但是按照市场价值(例如，用于铱星系统上的太阳电池)来说，化合物半导体材料也是非常重要的。CIS是后起之秀，它正在处于上升期。
关于太阳能电池成本、转换效率和规模化生产的关系问题，有关专家指出：“根据理论测算显示，电池的光电转换效率每提高1%，则电池成本可下降7%；如果按照10MW的基数计算，每增加10MW的产量，则成本就可下降10%”。不过，成本的降低应该有一个限度。而且成本降低到一定程度后，成本降低的比例也会降低。
太阳能电池的主要应用领域是消费类产品(包括作为能源利用和玩具应用等)，占全部用量的30%；其次是通信(包括全部的卫星系统)占21%；军工和宇航应用占14%；计算机应用占11%；汽车应用占8%；工业应用占14%；其它应用占2%。
太阳能电池从根本上用于2个方面：1)地面应用。其用量大，但是单价较低；主要使用硅基光伏电池组件，其成本最低，每年生产几十万平方英寸的电池。2)空间飞行器上应用。虽然用量较小，但是价格较高；主要使用化合物半导体材料的太阳能电池。总体来看，太阳能电池使用最多的还是硅材料。
2 单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池使用的硅原料主要为：半导体硅碎片，半导体单晶硅的头、尾料，半导体用不合格的单晶硅，以及专门为生产太阳能电池而制备的单晶硅，如中子嬗变搀杂直拉硅单晶。其中半导体硅碎片占60%。
在硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池的转换率最高，技术也最为成熟。它是目前最重要的光伏材料。高性能的单晶硅太阳能电池，是建立在高质量单晶硅材料和以其相关的成熟加工工艺基础上的。现在，单晶硅电池的工艺已基本成熟。为了不断提高电池转换效率，除了进一步加强晶体质量方面的基础研究，如缺陷和杂质对少子寿命的影响、更加清楚地理解载流子输运过程及光吸收特性等外，仍然深入地进行器件研究，优化设计，如采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术。开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在这个方面，一些研究单位取得了很好的成果，例如德国费莱堡的夫朗霍夫太阳能系统研究所，他们采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构，并在表面把13nm厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合，通过改进了的电镀过程增加栅极宽度和高度的比率。采用以上方法制得的电池转换效率超过23%，最大值可达23.3%[1]；Kyocera公司[2]制备的大面积(225cm2)单晶硅太阳能电池转换效率为19.44%；斯坦福大学研究的背点接触太阳能电池、澳大利亚新南威尔士大学开发的钝化发射区背局部扩散(PERL)电池，以及作为对PERL电池进行改进设计出的一种随机锥形钝化发射极和背电池(RP-PERC)，使直拉硅单晶太阳能电池的转换效率达到22%[3]。后来，他们又报道了采用区熔单晶硅为材料，在PERL电池中采用倒锥形表面结构制备的太阳能电池的转换效率达到24.4%[4]；我国北京太阳能研究所[5]也正积极进行高效率硅太阳能电池的研发工作，他们研制的平面高效率单晶硅电池(2cm×2cm)的转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极单晶硅电池(5cm×5cm)的转换效率达到18.6%。研究室制备的太阳能电池的转换效率比较高，大面积的商品单晶硅太阳能电池和组件的转换效率一般则为14%~17%[6]。据报道，我国河北保定英利集团2002年开始建设太阳能电池工业化生产线，多晶硅电池片的转换效率可达15%，单晶硅电池片的转换效率可达16%。
单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响，使单晶硅太阳能电池的价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了寻找既有较高光电转换效率、生产成本又很低的材料，人们进行了多方面的试验和研究，发现并开发了多晶硅(低等级半导体级多晶硅和铸造多晶硅(SOG-Si))、多晶硅薄膜和非晶硅薄膜材料用于太阳能电池的生产。
3 多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池一般采用低等级的半导体多晶硅，或者专门为太阳能电池使用而生产的铸造多晶硅等材料。
与单晶硅太阳能电池相比，多晶硅太阳能电池成本较低，而且转换效率与单晶硅太阳能电池比较接近，因此，多晶硅太阳能电池是未来地面应用发展的方向之一。一般商品多晶硅太阳能电池组件的转换效率为12%~14%。商品多晶硅太阳能电池的产量占硅太阳能电池的50%左右。它是太阳能电池的主要产品之一。
澳大利亚新南威尔士大学，利用PERL电池加工技术，采用热交换法生长的多晶硅而制备的多晶硅太阳能电池，其转换效率达到18.2%[3]。后来，他们对这种电池作了进一步改进，把电池表面掩蔽在热生长氧化物中，以降低其有害电子活性，进行各向同性腐蚀，以形成六角形对称蜂窝表面结构，从而进一步减少反射损耗，增加电池有效光学厚度，使多晶硅电池的转换效率达到19.8%(面积1cm2，AM1.5，100mW/cm2，25℃)[4]；日本京工陶瓷公司研制的15cm×15cm多晶硅太阳能电池组件，其转换效率达17%[7]；我国河北保定英利集团2002年建设的太阳能电池片工业化生产线，多晶硅电池片的转换效率可达15%。
3.1 太阳能电池用铸造多晶硅的研究与生产如果采用改良西门子法生产半导体级多晶硅，成本较高，而且这种硅原料受半导体产业影响，供应不稳定，数量也很有限。为了解决太阳能电池用硅材料问题，各国都投入了力量进行太阳能电池专用多晶硅的研究，一方面是解决质量问题，另一方面是解决工业化批量生产的技术和工艺问题。与单晶硅相比，多晶硅存在晶粒间界和晶粒的不同取向。晶粒间界中的大量缺陷在硅的禁带中形成的界面态是光生载流子的复合中心，影响多晶硅太阳能电池的特性和效率。控制晶体凝固过程中的晶粒形状和尺寸，是降低界面态密度，从而提高多晶硅太阳能电池性能的重要方法之一。多晶硅晶锭的晶粒形状和尺寸控制，在很大程度上取决于铸锭工艺过程，即晶体生长过程中的温度分布、凝固速度、固-液界面形状。而影响上述3个参数的主要因素是冷源的散热情况、坩埚厚度，以及加热器的热量分布情况。这些都取决于铸锭的设备，例如坩埚壁的厚度、石墨托的厚度、坩埚冷源的直径等几何参数。我国有色金属研究总院的刘秋娣等人对多晶硅锭凝固过程的影响因素进行了分析，并通过数字模拟求解得到最佳铸锭参数。他们的研究结论是：(1)石墨托侧壁的厚度在满足支撑作用的前提下，要尽可能地薄；(2)石墨托底部越厚越有利于得到性能优良的硅锭；(3)石英坩埚的厚度和冷源半径有最佳值，与实际工艺中所用炉子的热场分布、热循环情况关系很大，需要结合实际参数来确定；(4)在铸锭过程的起始和收尾阶段，加热器温度的降低速率必须足够小，以免细晶的出现和应力过于集中，从而导致晶锭的开裂[17]。
日本1996年8月成立了“太阳能电池用原料技术研究组”，专门开发新的太阳能电池用硅材料(SOG-Si)的批量生产技术，规划在2000年度完成。这种技术是：使用金属硅为原料，将其熔化，在熔融状态下去除硅中的硼、磷等杂质，并通过单向凝固进行提纯。其提纯的工序分为2步。第一步，通过电子束真空熔化，蒸发除去硅中的磷，并进行单向凝固，除去金属杂质等；第二步是将第一步工序制成的半成品进行等离子熔化，在氧气氛中除去硅中的硼、碳，并再次进行单向凝固，除去硅中的残余金属杂质。1998年底，日本川铁水岛制铁所建成了年产太阳能电池用硅60t的中试厂。该厂生产的铸造多晶硅，其锭的杂质含量为：Fe<0.05，Al<0.01，C<10，O<5，可以达到太阳能电池用材料所要求的纯度。这种硅材料与半导体硅碎片相比，两种基片的平均转换效率大致相同。当生产规模达到年产1000t时，其成本可达2300日元/kg[18]。
4 多晶硅和微晶硅薄膜太阳能电池
通常的晶体硅太阳能电池都是在厚度350μm~450μm的高质量的硅片上制成的，这种硅片从拉制或者铸造的晶锭上切割而成，消耗的硅材料较多。为了节省材料，降低成本，人们从20世纪70年代就开始了在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜的研究。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，众多科研工作者一直在不懈努力，并已获得了一些成果。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积(LPCVD)法和等离子增强化学气相沉积(PECVD)法。另外，也采用液相外延法(LPE)和溅射沉积法制备多晶硅薄膜电池。采用CVD法在单晶硅衬底上制备的薄膜电池，其转换效率为12.6%~17.3%；采用液相外延法在单晶硅衬底上制备的薄膜电池，其转换效率为11.5%~15.3%。
化学气相沉积法，采用二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅或者四氢硅作为反应气体，在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上。衬底材料一般采用Si、SiO2、Si3N4等。为了形成大的晶粒，并解决容易在晶粒间形成空隙的问题，采用的方法是：先用LPCVD法在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，并对这层非晶硅层进行退火，可得到较大晶粒，然后在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜。这个工艺中，再结晶技术是非常重要的一项技术，目前主要采用固相结晶法[8]和区熔再结晶法[9]。采用再结晶技术与制备单晶硅太阳能电池的技术相结合，这样可使太阳能电池的转换效率得到显著提高。德国费莱堡的夫朗霍夫太阳能系统研究所，采用区熔再结晶法，在区熔硅衬底上制得的多晶硅电池的转换效率达19%；日本三菱公司采用这种方法制得的多晶硅电池的转换效率达到16.42%。
液相外延法(LPE)是通过把硅熔融在母熔体里，降低温度，析出硅膜。澳大利亚新南威尔士大学，报道了用液相外延法(LPE)制备出高效漂移场薄膜硅电池，面积4.11cm2电池的转换效率为16.4%，经过减薄衬底，加强陷光等加工，其电池的转换效率可提高到23.7%。美国的Astropower公司采用LPE制备的太阳能电池的转换效率达到12.2%。
采用廉价衬底的多晶硅膜生长方法有PECVD和热丝法，或者通过对非晶硅膜进行退火，通过低温固相晶化而制得，有报道制出了转换效率为9.8%和9.2%的无退化电池[10]。
由于多晶硅薄膜电池所使用的硅远比单晶硅和多晶硅太阳能电池少，而且其电池无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，成本远远低于单晶硅电池，因此，多晶硅薄膜电池在未来地面应用方面将是发展方向。
5 非晶硅薄膜太阳能电池
开发太阳能电池追求的2个关键目标是：提高转换效率和降低成本。通过比较，人们发现非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，因此，受到人们重视，并得到迅速发展。非晶硅薄膜太阳能电池首先实现商品化，也是目前产业规模最大的薄膜电池。非晶硅薄膜太阳能电池于1976年问世，在1980年大规模用于计算机电源后，逐步发展到工业生产并进入国际市场。
虽然非晶硅作为太阳能电池材料是一种很好的材料，但它也存在一些缺陷。由于它的光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了它的转换效率；另外，它的光电转换效率会随着光照时间的延续而衰退，即光致衰退，而使电池性能不稳定[11、12]。为了解决这些问题，采取了一些技术措施：减少材料中的Si-H键，减少O2、N2等杂质沾污，利用H2稀释技术等制备高质量i层；同时，优化电池的结构设计，采用多带隙迭层结构，一方面可减薄各子电池的i层厚度，增强内建电场，减少光致衰退，同时又可更充分利用太阳光谱，扩展光谱响应。这样，既提高了初始效率，又提高了稳定性。目前，非晶硅太阳能电池的研究取得了很大进展，最好的稳定转换效率达到13%。为了解决材料沉积速率问题，日本大阪大学与三洋公司合作，开发成功了高速制造非晶硅材料及其电池的技术，他们采用RF等离子体沉积工艺，在10cm2的玻璃衬底上沉积0.5μm厚的膜只需6s，比通常工艺要快100倍~1000倍，而且材料质量与常规工艺一样好，这是大规模生产非晶硅薄膜太阳能电池一个重大的技术突破[13]。世界上具有代表性的非晶硅太阳能电池和组件的数据参数列于表1。
非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法很多，有反应溅射法、PECVD法、LPCVD法等；反应原料气体为H2稀释的SiH4；衬底主要采用玻璃和不锈钢片。制成的非晶硅薄膜，经过不同的电池工艺，可分别制得单结电池和叠层电池。
非晶硅太阳能电池的主要特点是：原材料消耗小；可使用廉价衬底和柔性衬底；容易实现大规模和自动化生产；“能量偿还”时间短、功率/质量比大；制造过程安全；不污染环境。总的来说，它具有较高的转换效率和较低成本以及质量轻的特点，有着极大的发展潜力，是大规模应用的良好电池材料。但是，由于它的稳定性和转换效率还不是很高，影响了它的实际应用。如果能够进一步提高它的稳定性和转换效率，那么，无疑它将成为太阳能电池的主要发展产品之一。
6 带状硅太阳能电池
在太阳能电池制造中，材料成本占据很大比例，几乎占总成本的50%~70%。通过制备带状硅，不需要切片，可使材料的利用率大大提高。自20世纪70年代开始研制带状硅以来，提出了许多生长系统和工艺。但是，通过比较，在商业上较普遍采用的是条带(String ribbon)法、蹼状(dendritic web)法、定边喂膜生长(EFG)法等。它们都在不同时期先后走向了实用化，其中比较成熟的工艺是EFG。带状硅太阳能电池在降低成本方面有比较大的潜力。
7 我国太阳能电池研究和生产状况
我国光伏发电应用始于20世纪70年代。进入21世纪，已建成7个初具规模的光伏电池生产厂，光伏电池组件的年生产能力为4.5MW左右，其中，单晶硅电池为2.5MW，非晶硅电池为2MW，多晶硅电池只有少量的中试产品，远远满足不了需要。在技术水平、生产规模、关键设备和专用材料的国产化程度，以及电池成本和售价等方面与发达国家相比，还存在很大差距。我国已累计有约20MW的太阳能电池设施。近年，我国光伏市场以每年20%的速度增长，而且这种发展还有明显加快的趋势。我国拟建和在建的多晶硅太阳能电池生产线就有几条，如保定英利集团26MW、无锡10MW、宁波2MW。
为了缩短我国与国际水平的差距，加快我国太阳能电池研究和生产水平，国家经贸委在“2000年-2015年新能源与可再生能源产业发展规划要点”中提出：集中力量在现有太阳能电池生产和应用的基础上，适应国际光电技术发展趋势和国内外市场发展的形势，开拓市场，打破年产量徘徊在2MW左右的局面。通过国家重点扶持，推动第二代太阳能电池商业化，形成应用器件配套齐全的太阳能光伏产业。2015年全国太阳能电池发电系统的市场拥有量将达到320MW。通过扩大生产规模，降低太阳能电池生产成本，从而推动市场的发展，形成良性循环。
20世纪末，我国太阳能电池的研究和生产还处于基础和小规模阶段；进入21世纪以来，在国家重视环保、大力支持开发利用新能源和可再生能源的政策环境下，我国的太阳能电池研究和开发明显加快了步伐。
河北工业大学开发研制的“中子嬗变掺杂直拉硅单晶”及其专利技术在河北宁普县开花结果。宁普单晶硅基地2001年生产用于太阳能电池的单晶硅140t，全部销售到日本松宫半导体技术株式会社——当今世界最大的太阳能电池用硅片供应商。实现销售收入超过亿元，出口创汇1000多万美元。他们有进一步增加设备、扩大产量达到240t/a的计划[14]；峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂既提供电路和电力器件用单晶硅，也可提供太阳能电池用单晶硅。
河北保定英利集团、天威保变和北京中新立业，2002年2月，三方共同出资7500万元组建“保定英利新能源有限公司”，建设“多晶硅太阳能电池及应用系统”，进行硅太阳能电池工业化生产。该项目规划生产多晶硅和单晶硅太阳能电池及组件产品。项目共建立3条生产线：1条硅片生产线、1条电池片生产线和1条组件生产线。生产电池片的转换效率，多晶硅可达15%，单晶硅可达16%。他们拟在建成国家项目3MW/a多晶硅太阳能电池的基础上，在年内建成多晶硅、单晶硅太阳能电池26MW/a的生产线[15，16]。
云南半导体器件厂和云南师范大学太阳能研究所共同承担的国家“九五”重点科技攻关项目——晶体硅太阳能电池规模生产制造技术研究开发，最近通过专家验收。该项目建成了产能超过1MW/a的多晶硅太阳能电池生产线，并且完善了原有单晶硅电池生产线，使太阳能电池生产和组装能力达到1.5MW/a以上。
8 太阳能电池的发展趋势
太阳能电池，与计算机和通信产业一样，将成为21世纪的主导产业。太阳能电池产业在解决能源短缺、减少环境污染、提供清洁可再生高效能源方面发挥着越来越重要的作用。从转换效率和材料来源考虑，太阳能电池今后的发展重点仍然是硅太阳能电池。就光电性质对光伏应用的要求而言，晶体硅并非最佳材料，但由于它的固态工艺及对材料本身的研究非常成熟，因此，在今后相当长一段时间内，仍将是光伏市场上的主导材料；而多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池，它们具有较高的转换效率和相对较低的成本，因此，晶体硅、多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池都将是市场的主导产品。
太阳能电池追求的总体目标仍然是提高转换效率和降低成本。对于目前的硅太阳能电池，要想进一步提高转换效率是比较困难的。因此，今后的研究重点除了开发新的电池材料外，应主要集中在如何降低成本方面，即在保证转换效率仍较高的情况下，降低电池衬底成本，这是今后太阳能电池，尤其是地面应用太阳能电池发展需要解决的问题，也是未来的发展方向。在这方面，带状硅太阳能电池有比较大的优势和潜力。在空间应用方面，其重点仍然是开发应用化合物半导体材料的太阳能电池。
参考文献
[1] Achievements and results，annual report 1996，Fraunhofer institute solare energiessteme，Freiburg，German
[2] Kenji Fukui，et al.Solar Energy Materials and Solar Cells，1994，34：111
[3] S.K.Deb Renewable Energy，1998，15(14)：467
[4] J.Zhao，et al.Appl.Phys.Lett，1998，73(14)：1991
[5] 何少琪.太阳能，1998，(3)：15
[6] PVIR.1998，17(1)：6
[7] 江希年编.北京太阳能研究所1997年论文集，1998，6： 59
[8] Satio Y，et al.J Appl.Phys.，1985，57：2010
[9] Ishiara T，Arimoto S，et al.J Appl.Phys.Lett，1995，63： 3604
[10] 耿新华等.物理，1999，28(2)：96
[11] Staebler D L，Wronski C R.Appl.Phys.Lett，1977，31： 292
[12] 邓志杰等.稀有金属，1999，23(2)：142
[13] Techno.Japan，1998，31(11)：66
[14] 赵兴林.人民日报，2002年1月20日
[15] 付迁.科技日报(创新周刊)，2002年2月21日
[16] 王娅妮.光明日报，2002年2月26日
[17] 刘秋娣等.有色金属，2003，55(1)：15
[18] 杨晓婵.现代材料动态，2000，7：11
关键词 太阳能电池；硅材料；光伏
太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，也是清洁、不产生任何环境污染的能源。在太阳能有效利用当中，太阳能光电利用是近年来发展最快，也是最具活力的研究领域。1990年以来，太阳能电池的平均年增长率高达16%，目前每年的贸易额超过10亿美元。硅材料在光伏领域的增长率已高于它在集成电路领域的增长率。1998年，全世界太阳能产量为150MW；1999年为200MW，增长33%；2003年，将为350MW左右；到2010年，将达到750MW/a~4000MW/a。
1 概述
制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能量后发生光电转换效应。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1)以非晶硅(α-Si)、多晶硅和单晶硅为材料的硅太阳能电池； 2)以Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体如GaAs、InP等多元化合物为材料的太阳能电池； 3)以铜铟硒(CuInSe2简写为CIS)为材料生产的太阳能电池；4)以其它材料(如Ⅱ-Ⅵ族半导体，塑料/有机材料)生产的太阳能电池；另外，锗单晶也是重要的太阳能电池材料。GaAs/Ge主要用于空间太阳能电池。
无论采用何种材料生产太阳能电池，它们对材料的一般要求是：1)半导体材料的禁带不能太宽；2)要有较高的光电转换效率；3)材料本身对环境不造成污染；4)材料便于工业化生产，而且材料的性能要稳定。综合以上几方面因素考虑，硅材料是最理想的太阳能电池材料。上面的分类顺序也体现了其相对重要性。按照电池的生产量来说，硅材料太阳能电池无疑是市场的主体，硅基(多晶硅、单晶硅)太阳能电池占80%以上，如果按照每生产1W太阳能电池需用硅材料17g计算，每年全世界需消费硅材料3000t左右；但是按照市场价值(例如，用于铱星系统上的太阳电池)来说，化合物半导体材料也是非常重要的。CIS是后起之秀，它正在处于上升期。
关于太阳能电池成本、转换效率和规模化生产的关系问题，有关专家指出：“根据理论测算显示，电池的光电转换效率每提高1%，则电池成本可下降7%；如果按照10MW的基数计算，每增加10MW的产量，则成本就可下降10%”。不过，成本的降低应该有一个限度。而且成本降低到一定程度后，成本降低的比例也会降低。
太阳能电池的主要应用领域是消费类产品(包括作为能源利用和玩具应用等)，占全部用量的30%；其次是通信(包括全部的卫星系统)占21%；军工和宇航应用占14%；计算机应用占11%；汽车应用占8%；工业应用占14%；其它应用占2%。
太阳能电池从根本上用于2个方面：1)地面应用。其用量大，但是单价较低；主要使用硅基光伏电池组件，其成本最低，每年生产几十万平方英寸的电池。2)空间飞行器上应用。虽然用量较小，但是价格较高；主要使用化合物半导体材料的太阳能电池。总体来看，太阳能电池使用最多的还是硅材料。
2 单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池使用的硅原料主要为：半导体硅碎片，半导体单晶硅的头、尾料，半导体用不合格的单晶硅，以及专门为生产太阳能电池而制备的单晶硅，如中子嬗变搀杂直拉硅单晶。其中半导体硅碎片占60%。
在硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池的转换率最高，技术也最为成熟。它是目前最重要的光伏材料。高性能的单晶硅太阳能电池，是建立在高质量单晶硅材料和以其相关的成熟加工工艺基础上的。现在，单晶硅电池的工艺已基本成熟。为了不断提高电池转换效率，除了进一步加强晶体质量方面的基础研究，如缺陷和杂质对少子寿命的影响、更加清楚地理解载流子输运过程及光吸收特性等外，仍然深入地进行器件研究，优化设计，如采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术。开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在这个方面，一些研究单位取得了很好的成果，例如德国费莱堡的夫朗霍夫太阳能系统研究所，他们采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构，并在表面把13nm厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合，通过改进了的电镀过程增加栅极宽度和高度的比率。采用以上方法制得的电池转换效率超过23%，最大值可达23.3%[1]；Kyocera公司[2]制备的大面积(225cm2)单晶硅太阳能电池转换效率为19.44%；斯坦福大学研究的背点接触太阳能电池、澳大利亚新南威尔士大学开发的钝化发射区背局部扩散(PERL)电池，以及作为对PERL电池进行改进设计出的一种随机锥形钝化发射极和背电池(RP-PERC)，使直拉硅单晶太阳能电池的转换效率达到22%[3]。后来，他们又报道了采用区熔单晶硅为材料，在PERL电池中采用倒锥形表面结构制备的太阳能电池的转换效率达到24.4%[4]；我国北京太阳能研究所[5]也正积极进行高效率硅太阳能电池的研发工作，他们研制的平面高效率单晶硅电池(2cm×2cm)的转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极单晶硅电池(5cm×5cm)的转换效率达到18.6%。研究室制备的太阳能电池的转换效率比较高，大面积的商品单晶硅太阳能电池和组件的转换效率一般则为14%~17%[6]。据报道，我国河北保定英利集团2002年开始建设太阳能电池工业化生产线，多晶硅电池片的转换效率可达15%，单晶硅电池片的转换效率可达16%。
单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响，使单晶硅太阳能电池的价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了寻找既有较高光电转换效率、生产成本又很低的材料，人们进行了多方面的试验和研究，发现并开发了多晶硅(低等级半导体级多晶硅和铸造多晶硅(SOG-Si))、多晶硅薄膜和非晶硅薄膜材料用于太阳能电池的生产。
3 多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池一般采用低等级的半导体多晶硅，或者专门为太阳能电池使用而生产的铸造多晶硅等材料。
与单晶硅太阳能电池相比，多晶硅太阳能电池成本较低，而且转换效率与单晶硅太阳能电池比较接近，因此，多晶硅太阳能电池是未来地面应用发展的方向之一。一般商品多晶硅太阳能电池组件的转换效率为12%~14%。商品多晶硅太阳能电池的产量占硅太阳能电池的50%左右。它是太阳能电池的主要产品之一。
澳大利亚新南威尔士大学，利用PERL电池加工技术，采用热交换法生长的多晶硅而制备的多晶硅太阳能电池，其转换效率达到18.2%[3]。后来，他们对这种电池作了进一步改进，把电池表面掩蔽在热生长氧化物中，以降低其有害电子活性，进行各向同性腐蚀，以形成六角形对称蜂窝表面结构，从而进一步减少反射损耗，增加电池有效光学厚度，使多晶硅电池的转换效率达到19.8%(面积1cm2，AM1.5，100mW/cm2，25℃)[4]；日本京工陶瓷公司研制的15cm×15cm多晶硅太阳能电池组件，其转换效率达17%[7]；我国河北保定英利集团2002年建设的太阳能电池片工业化生产线，多晶硅电池片的转换效率可达15%。
3.1 太阳能电池用铸造多晶硅的研究与生产如果采用改良西门子法生产半导体级多晶硅，成本较高，而且这种硅原料受半导体产业影响，供应不稳定，数量也很有限。为了解决太阳能电池用硅材料问题，各国都投入了力量进行太阳能电池专用多晶硅的研究，一方面是解决质量问题，另一方面是解决工业化批量生产的技术和工艺问题。与单晶硅相比，多晶硅存在晶粒间界和晶粒的不同取向。晶粒间界中的大量缺陷在硅的禁带中形成的界面态是光生载流子的复合中心，影响多晶硅太阳能电池的特性和效率。控制晶体凝固过程中的晶粒形状和尺寸，是降低界面态密度，从而提高多晶硅太阳能电池性能的重要方法之一。多晶硅晶锭的晶粒形状和尺寸控制，在很大程度上取决于铸锭工艺过程，即晶体生长过程中的温度分布、凝固速度、固-液界面形状。而影响上述3个参数的主要因素是冷源的散热情况、坩埚厚度，以及加热器的热量分布情况。这些都取决于铸锭的设备，例如坩埚壁的厚度、石墨托的厚度、坩埚冷源的直径等几何参数。我国有色金属研究总院的刘秋娣等人对多晶硅锭凝固过程的影响因素进行了分析，并通过数字模拟求解得到最佳铸锭参数。他们的研究结论是：(1)石墨托侧壁的厚度在满足支撑作用的前提下，要尽可能地薄；(2)石墨托底部越厚越有利于得到性能优良的硅锭；(3)石英坩埚的厚度和冷源半径有最佳值，与实际工艺中所用炉子的热场分布、热循环情况关系很大，需要结合实际参数来确定；(4)在铸锭过程的起始和收尾阶段，加热器温度的降低速率必须足够小，以免细晶的出现和应力过于集中，从而导致晶锭的开裂[17]。
日本1996年8月成立了“太阳能电池用原料技术研究组”，专门开发新的太阳能电池用硅材料(SOG-Si)的批量生产技术，规划在2000年度完成。这种技术是：使用金属硅为原料，将其熔化，在熔融状态下去除硅中的硼、磷等杂质，并通过单向凝固进行提纯。其提纯的工序分为2步。第一步，通过电子束真空熔化，蒸发除去硅中的磷，并进行单向凝固，除去金属杂质等；第二步是将第一步工序制成的半成品进行等离子熔化，在氧气氛中除去硅中的硼、碳，并再次进行单向凝固，除去硅中的残余金属杂质。1998年底，日本川铁水岛制铁所建成了年产太阳能电池用硅60t的中试厂。该厂生产的铸造多晶硅，其锭的杂质含量为：Fe<0.05，Al<0.01，C<10，O<5，可以达到太阳能电池用材料所要求的纯度。这种硅材料与半导体硅碎片相比，两种基片的平均转换效率大致相同。当生产规模达到年产1000t时，其成本可达2300日元/kg[18]。
4 多晶硅和微晶硅薄膜太阳能电池
通常的晶体硅太阳能电池都是在厚度350μm~450μm的高质量的硅片上制成的，这种硅片从拉制或者铸造的晶锭上切割而成，消耗的硅材料较多。为了节省材料，降低成本，人们从20世纪70年代就开始了在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜的研究。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，众多科研工作者一直在不懈努力，并已获得了一些成果。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积(LPCVD)法和等离子增强化学气相沉积(PECVD)法。另外，也采用液相外延法(LPE)和溅射沉积法制备多晶硅薄膜电池。采用CVD法在单晶硅衬底上制备的薄膜电池，其转换效率为12.6%~17.3%；采用液相外延法在单晶硅衬底上制备的薄膜电池，其转换效率为11.5%~15.3%。
化学气相沉积法，采用二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅或者四氢硅作为反应气体，在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上。衬底材料一般采用Si、SiO2、Si3N4等。为了形成大的晶粒，并解决容易在晶粒间形成空隙的问题，采用的方法是：先用LPCVD法在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，并对这层非晶硅层进行退火，可得到较大晶粒，然后在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜。这个工艺中，再结晶技术是非常重要的一项技术，目前主要采用固相结晶法[8]和区熔再结晶法[9]。采用再结晶技术与制备单晶硅太阳能电池的技术相结合，这样可使太阳能电池的转换效率得到显著提高。德国费莱堡的夫朗霍夫太阳能系统研究所，采用区熔再结晶法，在区熔硅衬底上制得的多晶硅电池的转换效率达19%；日本三菱公司采用这种方法制得的多晶硅电池的转换效率达到16.42%。
液相外延法(LPE)是通过把硅熔融在母熔体里，降低温度，析出硅膜。澳大利亚新南威尔士大学，报道了用液相外延法(LPE)制备出高效漂移场薄膜硅电池，面积4.11cm2电池的转换效率为16.4%，经过减薄衬底，加强陷光等加工，其电池的转换效率可提高到23.7%。美国的Astropower公司采用LPE制备的太阳能电池的转换效率达到12.2%。
采用廉价衬底的多晶硅膜生长方法有PECVD和热丝法，或者通过对非晶硅膜进行退火，通过低温固相晶化而制得，有报道制出了转换效率为9.8%和9.2%的无退化电池[10]。
由于多晶硅薄膜电池所使用的硅远比单晶硅和多晶硅太阳能电池少，而且其电池无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，成本远远低于单晶硅电池，因此，多晶硅薄膜电池在未来地面应用方面将是发展方向。
5 非晶硅薄膜太阳能电池
开发太阳能电池追求的2个关键目标是：提高转换效率和降低成本。通过比较，人们发现非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，因此，受到人们重视，并得到迅速发展。非晶硅薄膜太阳能电池首先实现商品化，也是目前产业规模最大的薄膜电池。非晶硅薄膜太阳能电池于1976年问世，在1980年大规模用于计算机电源后，逐步发展到工业生产并进入国际市场。
虽然非晶硅作为太阳能电池材料是一种很好的材料，但它也存在一些缺陷。由于它的光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了它的转换效率；另外，它的光电转换效率会随着光照时间的延续而衰退，即光致衰退，而使电池性能不稳定[11、12]。为了解决这些问题，采取了一些技术措施：减少材料中的Si-H键，减少O2、N2等杂质沾污，利用H2稀释技术等制备高质量i层；同时，优化电池的结构设计，采用多带隙迭层结构，一方面可减薄各子电池的i层厚度，增强内建电场，减少光致衰退，同时又可更充分利用太阳光谱，扩展光谱响应。这样，既提高了初始效率，又提高了稳定性。目前，非晶硅太阳能电池的研究取得了很大进展，最好的稳定转换效率达到13%。为了解决材料沉积速率问题，日本大阪大学与三洋公司合作，开发成功了高速制造非晶硅材料及其电池的技术，他们采用RF等离子体沉积工艺，在10cm2的玻璃衬底上沉积0.5μm厚的膜只需6s，比通常工艺要快100倍~1000倍，而且材料质量与常规工艺一样好，这是大规模生产非晶硅薄膜太阳能电池一个重大的技术突破[13]。世界上具有代表性的非晶硅太阳能电池和组件的数据参数列于表1。
非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法很多，有反应溅射法、PECVD法、LPCVD法等；反应原料气体为H2稀释的SiH4；衬底主要采用玻璃和不锈钢片。制成的非晶硅薄膜，经过不同的电池工艺，可分别制得单结电池和叠层电池。
非晶硅太阳能电池的主要特点是：原材料消耗小；可使用廉价衬底和柔性衬底；容易实现大规模和自动化生产；“能量偿还”时间短、功率/质量比大；制造过程安全；不污染环境。总的来说，它具有较高的转换效率和较低成本以及质量轻的特点，有着极大的发展潜力，是大规模应用的良好电池材料。但是，由于它的稳定性和转换效率还不是很高，影响了它的实际应用。如果能够进一步提高它的稳定性和转换效率，那么，无疑它将成为太阳能电池的主要发展产品之一。
6 带状硅太阳能电池
在太阳能电池制造中，材料成本占据很大比例，几乎占总成本的50%~70%。通过制备带状硅，不需要切片，可使材料的利用率大大提高。自20世纪70年代开始研制带状硅以来，提出了许多生长系统和工艺。但是，通过比较，在商业上较普遍采用的是条带(String ribbon)法、蹼状(dendritic web)法、定边喂膜生长(EFG)法等。它们都在不同时期先后走向了实用化，其中比较成熟的工艺是EFG。带状硅太阳能电池在降低成本方面有比较大的潜力。
7 我国太阳能电池研究和生产状况
我国光伏发电应用始于20世纪70年代。进入21世纪，已建成7个初具规模的光伏电池生产厂，光伏电池组件的年生产能力为4.5MW左右，其中，单晶硅电池为2.5MW，非晶硅电池为2MW，多晶硅电池只有少量的中试产品，远远满足不了需要。在技术水平、生产规模、关键设备和专用材料的国产化程度，以及电池成本和售价等方面与发达国家相比，还存在很大差距。我国已累计有约20MW的太阳能电池设施。近年，我国光伏市场以每年20%的速度增长，而且这种发展还有明显加快的趋势。我国拟建和在建的多晶硅太阳能电池生产线就有几条，如保定英利集团26MW、无锡10MW、宁波2MW。
为了缩短我国与国际水平的差距，加快我国太阳能电池研究和生产水平，国家经贸委在“2000年-2015年新能源与可再生能源产业发展规划要点”中提出：集中力量在现有太阳能电池生产和应用的基础上，适应国际光电技术发展趋势和国内外市场发展的形势，开拓市场，打破年产量徘徊在2MW左右的局面。通过国家重点扶持，推动第二代太阳能电池商业化，形成应用器件配套齐全的太阳能光伏产业。2015年全国太阳能电池发电系统的市场拥有量将达到320MW。通过扩大生产规模，降低太阳能电池生产成本，从而推动市场的发展，形成良性循环。
20世纪末，我国太阳能电池的研究和生产还处于基础和小规模阶段；进入21世纪以来，在国家重视环保、大力支持开发利用新能源和可再生能源的政策环境下，我国的太阳能电池研究和开发明显加快了步伐。
河北工业大学开发研制的“中子嬗变掺杂直拉硅单晶”及其专利技术在河北宁普县开花结果。宁普单晶硅基地2001年生产用于太阳能电池的单晶硅140t，全部销售到日本松宫半导体技术株式会社——当今世界最大的太阳能电池用硅片供应商。实现销售收入超过亿元，出口创汇1000多万美元。他们有进一步增加设备、扩大产量达到240t/a的计划[14]；峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂既提供电路和电力器件用单晶硅，也可提供太阳能电池用单晶硅。
河北保定英利集团、天威保变和北京中新立业，2002年2月，三方共同出资7500万元组建“保定英利新能源有限公司”，建设“多晶硅太阳能电池及应用系统”，进行硅太阳能电池工业化生产。该项目规划生产多晶硅和单晶硅太阳能电池及组件产品。项目共建立3条生产线：1条硅片生产线、1条电池片生产线和1条组件生产线。生产电池片的转换效率，多晶硅可达15%，单晶硅可达16%。他们拟在建成国家项目3MW/a多晶硅太阳能电池的基础上，在年内建成多晶硅、单晶硅太阳能电池26MW/a的生产线[15，16]。
云南半导体器件厂和云南师范大学太阳能研究所共同承担的国家“九五”重点科技攻关项目——晶体硅太阳能电池规模生产制造技术研究开发，最近通过专家验收。该项目建成了产能超过1MW/a的多晶硅太阳能电池生产线，并且完善了原有单晶硅电池生产线，使太阳能电池生产和组装能力达到1.5MW/a以上。
8 太阳能电池的发展趋势
太阳能电池，与计算机和通信产业一样，将成为21世纪的主导产业。太阳能电池产业在解决能源短缺、减少环境污染、提供清洁可再生高效能源方面发挥着越来越重要的作用。从转换效率和材料来源考虑，太阳能电池今后的发展重点仍然是硅太阳能电池。就光电性质对光伏应用的要求而言，晶体硅并非最佳材料，但由于它的固态工艺及对材料本身的研究非常成熟，因此，在今后相当长一段时间内，仍将是光伏市场上的主导材料；而多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池，它们具有较高的转换效率和相对较低的成本，因此，晶体硅、多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池都将是市场的主导产品。
太阳能电池追求的总体目标仍然是提高转换效率和降低成本。对于目前的硅太阳能电池，要想进一步提高转换效率是比较困难的。因此，今后的研究重点除了开发新的电池材料外，应主要集中在如何降低成本方面，即在保证转换效率仍较高的情况下，降低电池衬底成本，这是今后太阳能电池，尤其是地面应用太阳能电池发展需要解决的问题，也是未来的发展方向。在这方面，带状硅太阳能电池有比较大的优势和潜力。在空间应用方面，其重点仍然是开发应用化合物半导体材料的太阳能电池。
参考文献
[1] Achievements and results，annual report 1996，Fraunhofer institute solare energiessteme，Freiburg，German
[2] Kenji Fukui，et al.Solar Energy Materials and Solar Cells，1994，34：111
[3] S.K.Deb Renewable Energy，1998，15(14)：467
[4] J.Zhao，et al.Appl.Phys.Lett，1998，73(14)：1991
[5] 何少琪.太阳能，1998，(3)：15
[6] PVIR.1998，17(1)：6
[7] 江希年编.北京太阳能研究所1997年论文集，1998，6： 59
[8] Satio Y，et al.J Appl.Phys.，1985，57：2010
[9] Ishiara T，Arimoto S，et al.J Appl.Phys.Lett，1995，63： 3604
[10] 耿新华等.物理，1999，28(2)：96
[11] Staebler D L，Wronski C R.Appl.Phys.Lett，1977，31： 292
[12] 邓志杰等.稀有金属，1999，23(2)：142
[13] Techno.Japan，1998，31(11)：66
[14] 赵兴林.人民日报，2002年1月20日
[15] 付迁.科技日报(创新周刊)，2002年2月21日
[16] 王娅妮.光明日报，2002年2月26日
[17] 刘秋娣等.有色金属，2003，55(1)：15
[18] 杨晓婵.现代材料动态，2000，7：11