结晶硅（c-Si）是硅的结晶形式，或者是由小晶体组成的多晶硅（多晶硅），或者是单晶硅（单晶硅），一种连续晶体。 结晶硅是用于太阳能电池生产的光伏技术中的主要半导体材料。 这些电池组装成太阳能电池板，作为光伏系统的一部分，以从太阳光产生太阳能。
在电子学中，晶体硅通常是硅的单晶形式，并且用于制造微芯片。 该硅含有比太阳能电池所需的杂质水平低得多的杂质水平。 半导体级硅的生产涉及化学纯化以生产超纯多晶硅，然后进行再结晶过程以生长单晶硅。 然后将圆柱形晶锭切割成晶片以进行进一步处理。
由晶体硅制成的太阳能电池通常被称为传统的，或第一代太阳能电池，因为它们是在20世纪50年代开发的并且仍然是迄今为止最常见的类型。 因为它们是由160-190微米厚的太阳能硅片制成的 – 来自太阳能级硅块 – 它们有时被称为基于晶片的太阳能电池。
由c-Si制成的太阳能电池是单结电池，并且通常比其竞争技术更有效，后者是第二代薄膜太阳能电池，最重要的是CdTe，CIGS和非晶硅（a-Si）。 非晶硅是硅的同素异形变体，无定形意味着“没有形状”来描述其非晶形式。
概观
分类
硅的同素异形体形式从单晶结构到完全无序的无定形结构，具有几种中间变体。 此外，这些不同形式中的每一种都可以具有多个名称甚至更多缩写，并且经常引起非专家的混淆，特别是因为一些材料及其作为PV技术的应用具有不太重要的意义，而其他材料具有非常重要的意义。
光伏产业
然而，光伏产业将它们分为两类：
晶体硅（c-Si），用于传统的传统晶圆太阳能电池：
单晶硅（单晶硅）
多晶硅（多晶硅）
带状硅（ribbon-Si），目前尚无市场
未分类为晶体硅，用于薄膜和其他太阳能电池技术：
非晶硅（a-Si）
纳米晶硅（nc-Si）
原晶硅（pc-Si）
其他非硅材料，如CdTe，CIGS
新兴的光伏发电
多结太阳能电池（MJ）通常用于航天器上的太阳能电池板，用于太空太阳能。 它们还用于聚光光伏（CPV，HCPV），这是一种最适合接收大量阳光的新兴技术。
代
或者，不同类型的太阳能电池和/或其半导体材料可按世代分类：
第一代太阳能电池由晶体硅制成，也称为传统的传统的基于晶片的太阳能电池，并且包括单晶（单晶硅）和多晶（多晶硅）半导体材料。
第二代太阳能电池或面板基于薄膜技术并且具有商业上的重要性。 这些包括CdTe，CIGS和非晶硅。
第三代太阳能电池通常被标记为具有很小或没有市场意义的新兴技术，并且包括大量物质，主要是有机物质，通常使用有机金属化合物。
可以说，多结光伏电池可以分类为这两代。 典型的三结半导体由InGaP /（In）GaAs / Ge制成。
技术规格比较
| 分类 | 技术 | η（％） | V OC （V） | 我SC （A） | W /平方米 | t （μm） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 薄膜太阳能电池 | 的a-Si | 11.1 | 6.3 | 0.0089 | 33 | 1 |
| 碲化镉 | 16.5 | 0.86 | 0.029 | – | 五 | |
| CIGS | 20.5 | – | – | – |
市场份额
2013年，传统的晶体硅技术在全球光伏生产中占主导地位，多晶硅领先于单晶硅市场，分别占54％和36％。 在过去十年中，薄膜技术的全球市场份额停滞在18％以下，目前为9％。 在薄膜市场，CdTe的年产量为2 GWp或5％，其次是a-Si和CIGS，均为2％左右.4,18所有时间部署的光伏容量为139千兆瓦（截至2013年）分为121 GW晶体硅（87％）和18 GW薄膜（13％）技术。
效率
PV器件的转换效率描述了输出电功率与输入辐射光的能量比。 单个太阳能电池通常比整个太阳能模块具有更好或更高的效率。 实验室效率也始终领先于市场上的商用产品。
实验细胞
2013年，结晶硅的记录实验室电池效率最高。 然而，多晶硅紧随其后的是碲化镉和铜铟镓硒太阳能电池
25.6％ – 单晶硅电池
20.4％ – 多晶硅电池
21.7％ – CIGS细胞
21.5％ – CdTe电池
这些都是单结太阳能电池。 对于高浓度，多结电池，截至2014年的记录为44.7％
模块
在过去十年中，平均商用晶体硅模块的效率从大约12％提高到16％。 在同一时期，CdTe模块的效率从9％提高到16％。 2014年在实验室条件下表现最佳的模块由单晶硅制成。 它们比商用模块的效率高出7个百分点（23％对比16％），这表明传统的硅技术仍有改进的潜力，因此保持其领先地位。
2014年采用集中器技术的多结模块的最佳实验室模块效率达到了36.7％。
能源回收期
能量回收时间（EPBT）描述了PV系统运行所需的时间跨度，以产生与其制造和安装相同的能量。 多年来的这种能源摊销也被称为盈亏平衡能源回收期。 EPBT在很大程度上取决于光伏系统的安装位置（例如可用的太阳光量）和系统的效率，即光伏技术的类型和系统的组件。
在20世纪90年代的生命周期分析（LCA）中，能源回收期通常被认为高达10年。 尽管在21世纪初期，时间跨度已经减少到不到3年，但“太阳能光伏无法回收用于制造它的能量”的神话似乎一直持续到今天。
EPBT与净能量增益（NEG）和能源投资回收能量（EROI）的概念密切相关。 它们都用于能源经济学，并指的是收获能源所消耗的能量与从该收获中获得的能量之间的差异。 NEG和EROI还考虑了光伏系统的使用寿命，通常假设有效的生产寿命为25至30年，因为许多制造商现在为其产品提供25年的保修。 根据这些指标，可以通过计算得出能量回收时间。
不同地点和技术的能源回收时间
| 位置 例子 |
结晶硅 | 薄膜 | CPV | 辐射 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 单 | 多 | 的a-Si | CIGS | 碲化镉 | ||||
| 加拿大北欧和中欧 | 3.3 | 2.1 | 2.4 | 1.7 | 1.1 | – | 1200千瓦时 | |
| 南欧，美国，南美，印度 | 1.8 | 1.2 | 1.3 | 0.9 | 0.7 | 0.8 | 1700千瓦时 | |
| 美国西南部，澳大利亚，非洲，中东 | 1.5 | <1.2 | 0.9 | <0.9 | <0.7 | <0.8 | 1900千瓦时 | |
| 资料来源： Fraunhofer FHI，能源回报时间，演示幻灯片和光伏报告，p。 30-32 表： kWh /m²/ a – 每平方米每年千瓦时，全球水平辐射 |
||||||||
EPBT的改进
对于使用晶体硅的PV系统而言，EPBT一直比薄膜技术更长。 这是因为硅是通过减少电炉中的高级石英砂而生产的。 这种碳热冶炼过程在高于1000°C的高温下发生，并且非常耗能，每生产1千克硅使用约11千瓦时（kWh）。 然而，能量回收时间在过去几年中已显着缩短，因为晶体硅电池在转换太阳光方面变得更加有效，而晶片材料的厚度不断减小，因此制造它所需的硅更少。 在过去十年中，用于太阳能电池的硅量从每瓦峰值16克降至6克。 在同一时期，c-Si晶片的厚度从300μm或微米减小到约160-190μm。 目前结晶硅晶圆的厚度仅为1990年时的40％，当时它们的厚度约为400μm。：29将晶体硅锭切成晶圆的锯切技术也通过减少切口损失并使其更容易回收硅锯屑。
材料和能源效率的关键参数
<表>
<TBODY>
<TR>
<TH>参数</次>
<TH>单 – 硅</次>
<TH>的CdTe </次>
</ TR>
<TR>
<td>电池效率</ td>
<TD> 16.5％</ TD>
<TD> 15.6％</ TD>
</ TR>
<TR>
<td>降低单元到模块的效率</ td>
<TD> 8.5％</ TD>
<TD> 13.9％</ TD>
</ TR>
<TR>
<td>模块效率</ td>
<TD> 15.1％</ TD>
<TD> 13.4％</ TD>
</ TR>
<TR>
<td>晶圆厚度/层厚度</ td>
<td>190μm</ td>
<td>4.0μm</ td>
</ TR>
<TR>
<td> Kerf损失</ td>
<td>190μm</ td>
<TD> – </ TD>
</ TR>
<TR>
每个细胞<td>银</ td>
<td> 9.6 g / m <sup> 2 </ sup> </ td>
<TD> – </ TD>
</ TR>
<TR>
<td>玻璃厚度</ td>
<td> 4.0 mm </ td>
<td> 3.5 mm </ td>
</ TR>
<TR>
<td>使用寿命</ td>
<td> 30年</ td>
<td> 30年</ td>
</ TR>
<TR>
<th colspan =“3”>资料来源：<i> IEA-PVPS，生命周期评估，2015年3月</ i> </ th>
</ TR>
</ TBODY>
</ TABLE>
毒性
除非晶硅外，大多数商业化的PV技术都使用有毒的重金属。 CIGS通常使用CdS缓冲层，而CdTe技术本身的半导体材料含有有毒的镉（Cd）。 在晶体硅模块的情况下，将电池的铜线连接在一起的焊料材料含有约36％的铅（Pb）。 此外，用于丝网印刷前后触点的浆料含有痕量的铅，有时还含有痕量的镉。 据估计，100千兆瓦的c-Si太阳能组件使用了约1,000公吨的铅。 然而，对焊料合金中的铅没有基本需求。
细胞技术
PERC太阳能电池
钝化发射极后接触（PERC）太阳能电池包括在太阳能电池的后侧添加额外的层。 该介电无源层用于将未吸收的光反射回太阳能电池，以进行第二次吸收尝试，从而提高太阳能电池的效率。
通过额外的薄膜沉积和蚀刻工艺创建PERC。 蚀刻可以通过化学处理或激光处理来完成。
HIT太阳能电池
HIT太阳能电池由被超薄非晶硅层包围的单晶硅晶片组成。 首字母缩略词HIT代表具有内在薄层的异质结。 HIT电池由日本跨国电子公司Panasonic生产（也见Sanyo§太阳能电池和工厂）。 松下和其他几个团队报告了HIT设计优于其传统c-Si对应物的几个优点，它们是：
本征a-Si层可以作为c-Si晶片的有效表面钝化层。
2.p + / n +掺杂的a-Si用作电池的有效发射极/ BSF。
3.与传统的扩散c-Si技术的处理温度相比，a-Si层在低得多的温度下沉积。
4.与c-Si电池技术相比，HIT电池具有更低的温度系数。
由于所有这些优点，这种新的异质结太阳能电池被认为是传统的基于c-Si的太阳能电池的有前途的低成本替代品。
HIT细胞的制备
制造顺序的细节因组而异。 通常，使用质量良好的CZ / FZ生长的c-Si晶片（寿命约为1ms）作为HIT电池的吸收层。 使用碱性蚀刻剂，例如NaOH或（CH3）4NOH，晶片的（100）表面被纹理化以形成5-10μm高度的金字塔。 接下来，使用过氧化物和HF溶液清洁晶片。 然后通常通过PECVD或热线CVD沉积本征a-Si钝化层。 用H 2稀释的硅烷（SiH 4）气体用作前体。 沉积温度和压力保持在200℃和0.1-1托。 精确控制该步骤对于避免形成有缺陷的外延Si是必要的。 显示沉积和退火循环以及H 2等离子体处理提供了优异的表面钝化。 与SiH4混合的乙硼烷或三甲基硼气体用于沉积p型a-Si层，而与SiH4混合的膦气体用于沉积n型a-Si层。 应该注意的是，在c-Si晶片上直接沉积掺杂的a-Si层显示出非常差的钝化特性。 这很可能是由于a-Si层中掺杂剂引起的缺陷产生。 溅射氧化铟锡（ITO）通常用作双面设计中正面和背面a-Si层顶部的透明导电氧化物（TCO）层，因为a-Si具有高横向电阻。 它通常沉积在背面以及完全金属化的电池上，以避免背金属的扩散，并且还用于反射光的阻抗匹配。 50-100μm厚的银/铝网格通过模板印刷沉积，用于前接触和后接触，用于双面设计。 制造过程的详细描述可以在。
HIT细胞的光电建模与表征
文献讨论了几项解释这些细胞中载体运输瓶颈的研究。 传统的光和暗IV被广泛研究并且观察到具有若干非平凡特征，这不能使用传统的太阳能电池二极管理论来解释。 这是因为本征a-Si层和c-Si晶片之间存在异质结，这给电流引入了额外的复杂性。 此外，已经进行了大量努力来使用CV，阻抗谱，表面光电压，suns-Voc来表征该太阳能电池以产生补充信息。
此外，正在积极地进行许多设计改进，例如使用新发射器，双面配置，交叉背接触（IBC）配置双面串联配置。
单晶硅
单晶硅（单c-Si）是整个材料中晶体结构均匀的形式; 整个材料的取向，晶格参数和电子特性是恒定的。 通常将诸如磷和硼的掺杂原子结合到膜中以分别制造硅n型或p型。 单晶硅通常通过Czochralski生长方法以硅晶片的形式制造，并且取决于所需单晶晶片的径向尺寸（300mm Si晶片约200美元）可能非常昂贵。 这种单晶材料虽然有用，但却是与生产光伏电池相关的主要费用之一，其中产品最终价格的大约40％可归因于电池制造中使用的起始硅晶片的成本。
多硅
多晶硅（多c-Si）由许多不同晶体取向的较小硅晶粒组成，通常尺寸> 1mm。 通过使用所需晶体结构的晶种使液体硅冷却，可以容易地合成该材料。 另外，存在用于形成较小晶粒的多晶硅（poly-Si）的其他方法，例如高温化学气相沉积（CVD）。
未归类为晶体硅
这些全向性形式的硅未被分类为晶体硅。 它们属于薄膜太阳能电池组。
非晶硅
非晶硅（a-Si）没有长程周期序。 非晶硅作为独立材料应用于光伏器件在某种程度上受到其较差的电子特性的限制。 然而，当与串联和三结太阳能电池中的微晶硅配对时，与单结太阳能电池相比，可以获得更高的效率。 与1.7-1.8eV带隙的非晶硅的带隙相比，这种串联的太阳能电池组件允许获得具有约1.12eV的带隙（与单晶硅相同）的薄膜材料。 串联太阳能电池因此具有吸引力，因为它们可以用类似于单晶硅的带隙制造，但具有非晶硅的容易性。
纳米晶硅
纳米晶硅（nc-Si），有时也称为微晶硅（μc-Si），是多孔硅的一种形式。 它是具有次晶结构的同素异形硅 – 类似于非晶硅（a-Si），因为它具有非晶相。 然而，它们不同的是，nc-Si在非晶相内具有小晶粒硅晶粒。 这与多晶硅（poly-Si）形成对比，多晶硅仅由结晶硅晶粒组成，由晶界分开。 差异仅来自晶粒的晶粒尺寸。 大多数具有微米级晶粒的材料实际上是细晶粒多晶硅，因此纳米晶硅是更好的术语。 术语纳米晶硅是指硅薄膜中从非晶相到微晶相的过渡区域周围的一系列材料。
原晶硅
原晶硅具有比非晶硅（a-Si）更高的效率，并且还显示出提高稳定性，但不能消除它。 原晶相是在晶体生长期间发生的独特相，其发展成微晶形式。
由于其更有序的晶体结构，原晶Si在带隙附近也具有相对低的吸收。 因此，原晶和非晶硅可以在串联太阳能电池中组合，其中薄的原晶硅顶层吸收短波长光，而较长波长被下面的a-Si衬底吸收。
非晶转变为晶体硅
使用公知的并广泛实施的高温退火工艺，可以将非晶硅转变为晶体硅。 工业中使用的典型方法需要高温兼容的材料，例如生产昂贵的特殊高温玻璃。 然而，有许多应用，这是一种固有的不具吸引力的生产方法。
低温诱导结晶
与太阳能发电场相比，柔性太阳能电池一直是不太引人注目的综合发电的主题。 这些模块可以放置在传统电池不可行的区域，例如缠绕在电线杆或手机电话塔上。 在本申请中，可以将光伏材料施加到柔性基底上，通常是聚合物。 这种基材不能在传统退火过程中经受的高温下存活。 相反，已经广泛研究了在不干扰下面的衬底的情况下结晶硅的新方法。 铝诱导结晶（AIC）和局部激光结晶在文献中是常见的，但是在工业中没有广泛使用。
在这两种方法中，使用诸如等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的传统技术来生长非晶硅。 结晶方法在后沉积处理期间发散。
在铝诱导的结晶中，通过物理气相沉积在非晶硅的表面上沉积薄的铝层（50nm或更小）。 然后将该叠层材料在140℃至200℃之间的相对低温下在真空中退火。 认为扩散到非晶硅中的铝会削弱存在的氢键，从而允许晶体成核和生长。 实验表明，在低至150℃的温度下可以生产出粒度为0.2-0.3μm的多晶硅。 结晶的膜的体积分数取决于退火过程的长度。
铝诱导的结晶产生具有合适的晶体学和电子性质的多晶硅，使其成为生产用于光伏的多晶薄膜的候选者。 AIC可用于生成晶体硅纳米线和其他纳米级结构。
实现相同结果的另一种方法是使用激光局部加热硅而不加热下面的衬底超过某个温度上限。 准分子激光器或者绿色激光器，例如倍频Nd：YAG激光器，用于加热非晶硅，提供使晶粒生长成核所需的能量。 必须小心控制激光能量密度，以便在不引起广泛熔化的情况下诱导结晶。 当非常小部分的硅膜熔化并使其冷却时，发生膜的结晶。 理想情况下，激光应该在整个厚度上熔化硅膜，但不会损坏基板。为此，有时添加一层二氧化硅作为热障。 这允许使用不能暴露于标准退火的高温的基材，例如聚合物。 聚合物支持的太阳能电池对于无缝集成的电力生产方案感兴趣，其涉及将光伏放置在日常表面上。
结晶非晶硅的第三种方法是使用热等离子体射流。 该策略试图减轻与激光加工相关的一些问题 – 即结晶的小区域和生产规模的高成本。 等离子炬是一种简单的设备，用于对非晶硅进行热退火。 与激光方法相比，该技术更简单且更具成本效益。
等离子炬退火是有吸引力的，因为工艺参数和设备尺寸可以容易地改变以产生不同的性能水平。 用这种方法可以获得高水平的结晶（~90％）。 缺点包括难以实现膜结晶的均匀性。 虽然这种方法经常应用于玻璃基板上的硅，但聚合物的加工温度可能太高。