梁骏吾
太阳能电池及其材料的发展, 正处在当今世界所关注的两大问题──能源和环境的交汇点上.所以引起世界各发达国家和发展中国家的重视, 仅统计2006年4月份将召开的有关光伏的国际或地区性会议就有15个。其重要的议题之一就是如何发展光伏电池用的材料,以解决当前全世界太阳能多晶硅短缺的问题。中国是能源生产和消费大国, 对环境保护十分重视, 因而必须对太阳能电池材料予以充分的关注。
自1954年 Pearson 等人 成功制备第一个硅太阳能电池(效率6%)以来, 光伏产业不断发展, 1998年以来世界光伏电池产量 以30-40% 的高速前进。2004年的增长更创60.6%的高记录, 达到1195MW。这期间尝试了多种半导体材料的光伏电池, 但目前硅光伏电池生产仍然占世界总产量的98.5%, 其中多晶硅和单晶硅电池共占84.7%, 非晶硅、非晶硅/晶体硅、带硅电池占13.8%, 化合物光伏电池(CdTe和CIS)占1.35%. 其余多结化合物电池, 虽然有较高的转化效率, 然而成本高, 仅适用于少数领域。总之. 晶体硅仍然是当今太阳电池最主要材料, 其次是各种薄膜硅、带状.硅。
世界光伏产业如果维持15% 或30%的增长率, 则2008年多晶硅的不足量将分别为1800吨 或 8600吨。2005年中国的太阳能单晶硅年产能力为2000吨。多晶需求量为2600吨/年。2005年国内产量仅约60吨。进口多晶硅十分困难, 因为全世界都感到多晶硅严重不足, 因此我们必须尽快完成下列紧迫任务：
(一) 掌握SiHCl3法生产多晶的工艺, 使国内已在建的多晶硅厂早日建成, 投产。
(二) 使用世界先进多晶硅技术. 建设每公斤硅能耗、冶金硅消耗、氢耗、氯耗、每公斤硅成本、环保指标、都处于世界先进水平的新多晶硅生产线。
首先, 我国应尽快掌握先进的西门子工艺。当今世界上生产多晶硅主要有二种工艺──西门子工艺和流床工艺。 除此之外, 正在开发的工艺还有许多, 但都未达到规模生产。我国的生产线应以先进西门子法为首选, 西门子法经历四十多年的改进, 虽然仍然称西门子法, 但其内容细节与四十年前不大相同, 它构成当今多晶硅生产主流工艺。其能耗由八十年代的300kWh/kg 降至 九十年代95-110 kWh/kg, 现在更进一步降至60-70kWh/kg。先进西门子法解决了副产物 SiCl4转化为SiHCl3的难题。产品质量上乘, 高档产品可满足电子级硅要求, 抵挡产品可用于光伏电池, 攻克先进的西门子技术是当务之急。这里有许多科学技术问题. 如反应的真实过程、沉积炉和全过程的自动控制、SiCl4的氯氢化技术、回收技术以及能耗降低技术等都是我们的主攻方向。
其次, 流床技术也是目前重要发展方向, 流床反应的原料可用SiH4也可用SiHCl3 国外流床反应电耗分别低至30-40 kWh/kg, MEMC,Pasadena的产量已达1700吨/年。不过国外公司不愿出卖其流床技术, 我国应研究流床生产中的物理化学过程、颗粒尺寸控制技术、籽晶生长技术、控制粉尘的技术。
直接用气相淀积的方法在晶态衬底或其他衬底上生成多晶、 微晶或非晶的多层结构薄膜, 再经过器件工艺做成光伏电池。显然避免了切割损失, 减少硅材料消耗, 也报导了较高转换效率的器件。但在目前, 其价格和性能尚逊于体晶体材料做成的电池。不过它仍然是一条有希望成为高转换率、低成本的途径, 应当予以重视。
为了解决太阳能电池用多晶硅短缺, 开发了许多新的生长技术: 如用气相转入液相沉积法(VLD) 、硅烷在空心硅管沉积法, 目的是提高多晶硅沉积速率, 属于SiHCl3法和SiH4法改进的尝试。又如以硅石为起点, 用碳还原方法结合若干物理化学提纯方法: 包括液硅与反应气体作用或等离子气体提纯、用定向结晶分凝析出杂质等。从而, 生产价廉的太阳能级硅。国内的科技工作者也设想了许多方法生产太阳能级硅。作为一个使用多晶硅的大国, 对各种创新应予以支持。至于项目的筛选可通过召标、评审、择优支持。
总之, 当今太阳能电池仍然以硅为主, 多晶硅的生产以先进的西门子技术为骨干, 流床法其次. 薄膜硅(含多晶、微晶、非晶)电池也是应关注的一种发展方向。各种新材料、新方法也要有一定的安排, 使我国的光伏事业走向健康发展之路。