太阳能用晶体硅的技术现状和发展趋势
太阳能用晶体硅的技术现状和发展趋势
文/孙武
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
