硅的新应用——硅太阳能电池
摘要：作为二十一世纪的新能源——太阳能具有相当可观的发展前景，利用太阳能资源是人类发展的重要飞跃，利用硅开发太阳能电池为人类创造无数的财富，太阳电池发电具有无污染、无可动部件、资源的普遍性和永不枯竭等特点, 符合当今世界的环境保护和可持续发展的要求和趋势[1~ 3]。本文概述了硅太阳能电池的发展及应用。
关键词: 半导体硅 太阳能电池 应用 发展现状 前景
1. 硅与太阳能电池
1.1 硅
硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿，地壳中储量排第二位，具有分布广、储量大的优点。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。
1.2 太阳能电池
二十一世纪，人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战在有限资源和环境保护的双重制约下，快速发展经济成为全球热点问题，新能源的开发迫在眉睫。太阳能作为新能源具有无限性、清洁性、经济性，二十世纪五十年代第一块实用的硅太阳能电池问世，随着科学技术的不断进步，硅太阳能电池发展迅速，太阳能利用率不断提高，为人类社会的发展起到重要作用。迄今为止, 硅是太阳能光伏发电系统中最主要的光电转换材料, 因为它具有高稳定效率, 低环境负荷以及其性能长期不降质等优点[4] 。
2. 太阳能电池发展现状及发展趋势
2.1 全球太阳能电池发展现状
据Dataquest的统计资料显示,目前全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,鲜肉小馄饨积极生产各种相关的节能新产品。1998年,全世界生产的太阳能电池,其总的发电量达1000兆瓦,1999年达 2850兆瓦。根据欧洲光伏工业协会EPIA2008年的预测，如果按照2007年全球装机容量为2.4GW来计
算，2010年全球的年装机容量将达到6.9GW,2020年和2030年将分别达到香港国土面积56GW和281GW，2010年全球累计装机容量为25.4GW，预计2020年达到278GW，2030年达到1864GW。全球太阳能电池产量以年均复合增长率47%的速度迅猛增长，2008年产量达到6.9GW。
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2.2 我国太阳能电池发展现状
败类歌词我国对太阳能电池的研究开发工作高度重视,早在七五期间,非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题;八五和九五期间,我国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。2003年10月，国家发改委、科技部制定出未来5年太阳能资源开发计划，发改委"光明工程"将筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用，计划到2015年全国太阳能发电系统总装机容量达到300兆瓦。 我国已成为全球光伏产品最大制造国，我国即将出台的《新能源振兴规划》，我国光伏发电的装机容量规划为2020年达到20GW，是原来《可再生能源中长期规划》中1.8GW的10多倍。
2.3太阳电池发展趋势
根据目前太阳能电池的发展趋势( 图1) ，在不久的将来必须实现不依赖于现有的半导体级硅生产技术的太阳级硅工业化生产,半导体级硅满足不了现今太阳能电池发展的需要，全球日益重视太阳能级硅新技术的研究。
图1 1994 - 2000年太阳能电池产量及增长率
高纯多晶硅原料是半导体工业和光伏产业共同的上游原材料, 太阳能电池生产的原料是半导体工业的废料。由于半导体行业具有周期性, 在半导体行业不景气时原本的半导体级硅就用来制造太阳能电池用硅。以上这些原料供应渠道在电子行业低迷时发挥了很大的作用, 但是
随着光伏产业的快速发展和半导体工业逐步复苏, 来自半导体行业的废料已经不能满足光伏产业生产发展的需要。由于光伏市场需求持续稳定增长, 为了提高产量太阳能电池企业就不得不以较高的价格来购买半导体级硅来生产光伏电池[5], 这无疑增加了光伏产业的成本, 制约了光伏产业的发展。因此,太阳能级硅就成为光伏产业发展的瓶颈。
随着光伏产业的进一步发展, 多晶硅的需求量会越来越大。在未来几年中光伏产业将以25 ~30%的速度增长[6]。表1给出了1998~ 2020 年光伏产业太阳级硅供需平衡[7]。从表1可以知, 太阳级硅的市场需求到2010 年将达8000t, 较2001 年增长近一倍, 而太阳级硅的主要来源半导体级硅的废料几乎没有增长。这就造成了太阳级硅供应到2010 年达5600t 的缺额, 严重阻碍了太阳能产业的发展。为满足太阳能产业发展的需要寻找一种独立于半导体工业的太阳能级硅供应体系是迫切的。
表1 1998~ 2010 年光伏产业太阳级硅供需平衡( 适中的估计)
3. 硅太阳能电池及应用
3.1 硅太阳能电池
太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。
硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。
多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。
非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
3.2 硅太阳能电池应用
目前,太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、 通信、家用电器
以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，它的成本还很高，发出1kW电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。
但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—恨生电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。
4. 硅太阳能电池制备技术
4.1 多晶硅薄膜太阳电池制备工艺
多晶硅薄膜太阳电池制备工艺的主要区分点在其沉积温度和沉积方式。
化学气相沉积法( CVD )和液相外延法(LPE)是制备多晶硅薄膜的两种最主要的方法。CVD更是制备多晶硅薄膜最普遍采用的方法,它通常是将气源(例如SiH4、SiHCl3 ) 采取不同的方式, 如高温、等离子体、催化等方法分解,然后在衬底上沉积生长。还有一种更普遍的方法是按薄膜的生长温度, 将其分为低温沉积和高温沉积。
(1) 低温沉积多晶硅薄膜( T≤650oC)
(2) 高温沉积多晶硅薄膜( T=800~1200 oC)
(3) 薄膜转移技术 薄膜转移技术为开发高效晶体硅薄膜太阳电池
提供了一条崭新的道路。它是指通过一定手段, 将硅薄膜活性层从可以重复利用的衬底上剥离, 然后与另一廉价载体组成光伏器件。由于衬底可重复使用, 因而可直接选用价高却质优的高纯硅材料作为衬底, 外延后易得到高质量的单晶硅薄膜。。由于层转移工艺可靠的电池质量, 预计在不久的将来, 该技术带来的薄膜电池效率可达17～20%[8] 。
4.2 太阳能级硅新工艺
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虽然现有的氯化提纯方法可实现工业化生产，但要生产廉价的多晶硅非常困难，为此必须向两个方向发展，在继续保证和发展半导体级多晶硅的同时，要研究和开发生产廉价的太阳能级多晶硅材料新技术。近几年来在制备太阳能电池用多晶硅新工艺、新设备和新技术等方面的研究开发非常活跃，并出现了众多的研究新成果和技术上的新突破，这也预示着世界多晶硅工业化生产技术一个新的飞跃即将到来。
(1) 改良西门子法 在电子级多晶硅生产工艺基础上，研发新的多晶硅反应器装置技术，实现低成本太阳能级硅的生产。
(2) 硅烷热分解法 硅烷是甲硅烷的简称。甲硅烷热分解法的过程包括硅烷的制备、硅烷的提纯以及硅烷的热分解。
(3) 由冶金级硅直接提纯制备太阳能级硅
(4) 利用高纯试剂还原二氧化硅
(5) 真空冶金法制备太阳能级硅新技术
(6) 从废旧石英光纤中提取高纯太阳能级硅 石英光纤主要由高纯度二氧化硅玻璃组成。随着通讯科技的发展，光纤增长非常快。该技术以废旧光纤和光纤次品为原料，利用等离子体与分离技术来制备高纯太阳能硅，收到了较好的效果[9,10]。
(7) 婚礼祝福语大全熔融电解法制备太阳级硅
(8) 利用铝－硅熔体低温凝固精炼制备太阳级硅
5. 未来展望
硅太阳能电池由于具备高效率的潜力以及低成本的双重优势, 越来越受到全世界的关注。随着科学技术的快速发展, 半导体工业能供给的原料有限, 为了满足其对太阳能级硅日益增长的需要,改进太阳能电池转换效率也是很有必要的。这将为各国开发和利用可再生能源——太阳能, 发展光伏产业提供保障，也将为保护日益恶化的环境和实现人类的可持续发展做出贡献。
6. 感想
科技日益进步，经济迅速发展，能源濒临枯竭，太阳能作为新能源具有非常好的发展前景，太阳能电池成为当今乃至以后科技发展的焦点，属于学科最前沿领域，值得每个人了解，值得每个人去研究开发，为全人类造福。学科前沿讲座使我了解目前最新的前沿发展，督促我们朝着更高更好的方向发展。
参考文献：
[1] 张耀明. 阳光经济和能源革命[J]. 江苏科技信息, 2004( 4) : 1~ 4.
[2] 赵玉文.太阳能技术对我国未来减排CO2 的贡献[J]. 太阳能,2003( 3) : 3 ~4.
[3] 刘祖明.苏里曼.K .特拉奥雷, 王书荣等. 多孔硅多晶硅太阳电池研究[J]. 荷兰豆怎么炒好吃云南师范大学学报, 2001, vol21( 4) : 13~ 16.
[4] 沈辉, 舒碧芬, 闻立时. 我国太阳能光伏产业的发展机遇与战略对策[A] . 中国储能电池与动力电池及其关键材料学术研讨会论文集[C] , 长沙,2005. 5: 292~ 297
[5 ]Adolf Goet zberger, Christopher Hebling. Phot ovoltaic mat erials, past ,prent, future. Solar Energy Mat erials & Solar Cells, 62 ( 2000) : 1 ~19 .
