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用于太阳能光伏产品中的硅——通往完美之路

浏览次数: 日期:2015年11月27日 20:00

  完美———个通常会被我们个人的不足或是仅仅因为懒惰而被忽略的远大目标。幸运的是,生活的经历会告诉我们,完美通常只是一种定义,而“足够好”的标准已经可以满足大多数事情的标准。事实上,正是这些不完美使得我们在生活中不断前行。如果幸运一点,我们甚至能够找到钟爱我们身上不完美的人。

  尽管存在一定争议,目前全球最完美的物品正在通过阿伏伽德罗项目(Avogadroproject)进行合成:在未来,阿伏伽德罗球(Avogadrosphere)的目标是成为新的1公斤基准,但今天,它已经成为纯度、晶体学和形态学上的有形标准。该球体是由单一晶体所制成的起劲为止最为精准的球体——当然,它是通过超纯凝固硅制成。选择这一材料背后的原因则是我们对硅料极为熟悉的认知:这一点是其他材料所不具备的,我们知道如何处置硅料、材料在各种环境中的性能表现以及如何将其为我们所用。因此,硅料是我们试图获得完美时的选择。但是,即使是阿伏伽德罗球,也在其中有意地加入了一点不完美(使用了氮),以减少晶体缺陷的发生次数。

 

  但是,材料上面的微小杂质使得这款超纯材料更为完美——这一大胆且看起来与最初目标相悖的举动,背后确是数十年科学研究的成果。光伏产业早期创始人之一、HansQueisser教授在其精心措辞的报告《DefectsinSemiconductors:SomeFatal,SomeVital》(Science,1998)中重述了这段历史。该报告讲述了“一种具有不可复制的特性的固体”发展成为今天的技术主力硅料的历史。这一成功典范背后的功臣是通过独特的方式对不完美因素进行控制并加以使用,这一过程在今天被称之为缺陷工程。

 

  硅基光伏产品的基础完全建立在Queisser博士所描述关键的、重要的不完美因素的理解之上。在每块太阳能电池中的关键不完美因素——主要是掺杂剂和钝化剂——都是为优化电池性能而对计量进行了精确控制。而对那些重要的不完美因素——主要是导电金属——而言,必须要了解其毒害性,并严格将其控制在临界水平之下。同时还要避免昂贵的、毫无必要的过度提纯。因此,缺陷工程和严格的控制是以最小成本获得最高性能和稳定性的关键。

 

  总的来说,追求纯度并没有尽头:用于光伏产品中的硅片需具有精确量控的杂质,以获得理想的电子特性。事实上,如果我们从阿伏伽德罗上切取一片硅片,并将其制成太阳能电池,其结果也不过是一个极为昂贵的样品——以及一群气得跳脚的晶体学家而已。

 

  一二九、九九、六九级别的原料和五九级别的产品

 

  基于上文所提到的经验,通过向原料硅添加特定数量的友好杂质,可将原料硅微调至最佳所产出硅片具有最佳到底安装图。这一步骤就是掺杂,通常通过硼或磷来进行。这一工艺的结果就是将纯度高达99.99999999%(一二九)的原料的纯度降低至99.9999%(六九)。此外,由于原料需要通过熔融固化过程来加入掺杂原子,而坩埚壁或铸锭炉本身上所带有的其他杂质元素也会通过这一过程渗入。因此,单晶或多晶硅片中的杂质浓度通常会将材料的纯度降至五个九的级别。因此,纯度并不一定是一项相关质量标准。

 

  那为什么要去使用昂贵的高纯度原料呢?在2007-2009年之间欧洲出现的安装潮期间,原料制造商和电池制造商所获得的利润暴涨导致了市场的混乱,几乎任何等级的硅金属都能够买上价钱。在这种状况下,不恰当的铸锭控制或不合格的原料会导致硅片中出现数量超标的致命杂质。而这中状况会导致电池性能受限,更有甚者,在长期使用下出现稳定性问题。

 

  太阳能产业也从此种学到了两个深刻的教训。首先,对相关缺陷进行控制是先决条件。其次,使用高纯度原料是一个昂贵且过于单纯的方式。第二条教训的习得在市场上也有所体现:九九级以上原料相对于所谓的二级太阳能硅料(六九至八九)所具有的价格差距已经在过去三年内几乎消失殆尽。

 

  太阳能电池的缺陷:或致命、或同位、或重要

 

  太阳能工程师通常会通过两种方式获得高性能硅片:较为简单的是基于白板记事方式,这就需要使用高纯度原料。因此,重复使用此前铸锭工艺中的切割浆料或是与低等级硅料进行掺杂在这一情景下是被严格禁止的。尽管这种方式在技术上具有可行性,却同时具有原料费用高和产量低等不足。

 

  有经验的太阳能工程师会凭借自己的科研知识和实践经验,并在不损害电池性能和可靠性的前提下选择使用具有价格竞争力的原料,并同时尽可能多的进行循环使用以期达到最佳经济效益。这就意味着需要对致命杂质的浓度限度、次相关的二级杂质,以及关键参杂物的精确用量等有着极为透彻的理解。同时还需对硅锭铸造的凝固工艺有一定的了解,并将这一步骤作为净化步骤之一,以进一步降低对纯度限制的要求。

 

  太阳能级硅料制造商已然发现了这一商机,并根据气流床反应堆或冶金提纯法等气相沉积技术研制了简化后的净化工艺。对原料中钼、锆、钨和所谓的“死亡金属”致命杂质的严格控制在某些情况下有可能达到“八个九”的等级。而在不影响电池性能和可靠性的前提下,原料对其他过渡金属,如铁、铝或铜,以及各主族元素(如氧、碳、钙等)的接纳程度就要高得多。说道最后,太阳能电池本身才是决定优化原料的最佳实际感应器。

 

  而对供应链所造成的挑战则是如何理解杂质对太阳能电池所造成的影响,以及如何在此种原料基础上提供最好的产品。因此,原料制造商肩负了在其净化工艺中进一步探寻成本降低方式的期盼——摒弃对绝对纯度水平的追求,而使用精确平衡过的杂质浓度作为标准。而六九至八九级别硅料和九九级别以上硅料之间价格差距的逐步缩小也显示出市场对这一发展趋势的认同。

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