概述：长期以来，晶体硅(c-Si)光伏一直被认为是能源密集型和昂贵的。在过去的几十年中，制造链上的显着改进使c-Si成为一种不能再被忽视的低成本电力来源。

2020年c-Si组件安装量超过125GW，占整个光伏市场的95%，累计安装量超过700GW。有一些强有力的迹象表明，到2040-2050年，c-Si光伏可能成为世界上最重要的电力来源。在这篇评论中，我们调查了与硅光伏组件的材料和工业加工相关的关键变化。在晶圆层面，多晶硅成本的大幅下降以及金刚石线锯的普遍实施降低了单晶晶圆的成本。在平行下，各种晶圆中的杂质和电子缺陷浓度已降低，从而实现了工业设备的高效率。生产线清洁度的提高、工具自动化程度的提高以及生产技术和电池架构的改进都有助于提高主流模块的效率。电池级别的效率提升伴随着晶圆尺寸的增加和先进组装技术的引入。这些改进减少了电池到模块的效率损失，并将加速主流模块的年度效率增益。最后，我们讨论了其他光伏技术在大众市场上与硅竞争所需的条件。生产线清洁度的提高、工具自动化程度的提高以及生产技术和电池架构的改进都有助于提高主流模块的效率。电池级别的效率提升伴随着晶圆尺寸的增加和先进组装技术的引入。这些改进减少了电池到模块的效率损失，并将加速主流模块的年度效率增益。最后，我们讨论了其他光伏技术在大众市场上与硅竞争所需的条件。生产线清洁度的提高、工具自动化程度的提高以及生产技术和电池架构的改进都有助于提高主流模块的效率。电池级别的效率提升伴随着晶圆尺寸的增加和先进组装技术的引入。这些改进减少了电池到模块的效率损失，并将加速主流模块的年度效率增益。最后，我们讨论了其他光伏技术在大众市场上与硅竞争所需的条件。电池级别的效率提升伴随着晶圆尺寸的增加和先进组装技术的引入。这些改进减少了电池到模块的效率损失，并将加速主流模块的年度效率增益。最后，我们讨论了其他光伏技术在大众市场上与硅竞争所需的条件。电池级别的效率提升伴随着晶圆尺寸的增加和先进组装技术的引入。这些改进减少了电池到模块的效率损失，并将加速主流模块的年度效率增益。最后，我们讨论了其他光伏技术在大众市场上与硅竞争所需的条件。

介绍

光伏发电是正在进行的能源向低碳排放社会转型的主要参与者。光伏(PV)效应依赖于使用吸收光并将其转换为自由电荷载体的半导体材料。尽管有几种材料可以——并且已经——用于制造太阳能电池，但过去生产和今天仍在生产的绝大多数光伏组件都是基于硅——地壳中仅次于氧的第二丰富元素——在晶体中形式。除了批量制造的快速增长之外，近几十年来晶体硅(c-Si)技术取得成功的一种解释是，从石英到模块的c-Si制造链可以很容易地分为单独的步骤（图1a）。多年来，与薄膜更容易加工相比，c-Si PV技术中众多加工步骤的明显劣势已转变为优势：每个步骤都可以并且已经被准独立地以大批量和高良率（通常> 98%从晶圆到电池），导致所有步骤的成本显着降低（图1b），因为新制造商通常只关注价值链中的一两个步骤——晶圆、电池或模块制造，或系统安装——而不是试图通过垂直整合来巩固利润率。

一个|制造光伏组件的主要步骤：纯化多晶硅（poly-Si）制备、晶锭浇铸或拉制、晶片化、太阳能电池加工和组件组装。乙|从多晶硅纯化到模块组装的价值链上资本支出的学习曲线。符号表示历史数据，线条表示钝化发射极和背面电池(PERC)电池的预测未来趋势。c |考虑市场上销售的所有组件，单晶和多晶硅主流组件的平均效率演变。提供了对单晶电池效率未来改进的估计。d |随着时间的推移，晶圆厚度和硅消耗减少。面板a（西门子反应器）经参考许可改编。229，爱思唯尔。面板a（锭）由隆基提供。面板b经参考许可改编。230，PP阿尔特马特。面板c和d经参考许可改编。231，弗劳恩霍夫ISE。

框1总结了硅光伏的历史。在过去十年中，单晶硅和多晶硅的绝对平均效率每年提高0.3-0.4%（图1c）。2021年销售的组件的效率通常在17.4%（低档多晶电池）到22.7%（高性能背接触电池）1，估计产量最多的技术（钝化发射极和背面电池(PERC)单晶）平均为20%。请注意，由于模块设计的快速发展，而且由于现有生产线仍在折旧，平均效率低于最先进的效率。最新的主流大型组件的效率值将超过21%，但仍在生产老一代组件，平均效率为19%。效率最高的模块(>22%)可能需要更复杂的制造，这会使它们的成本和价格增加2到3倍。因此，它们主要与利基应用（例如屋顶或远程系统）相关，其中效率和功率密度比发电的平准化成本更重要。

效率提高和成本降低是否会跟上步伐的问题对于光伏作为全球能源的前景至关重要。在这篇评论中，我们基于对材料技术发展的详细分析和当前的研发趋势，解释了这种趋势为何以及如何可能持续下去。

我们首先回顾了使硅光伏成为低成本电力来源和能源领域主要参与者的关键因素。在过去的几十年中，材料使用量的减少和晶圆质量的提高以及价格的大幅下降同时实现了。然后，我们将讨论业界最喜欢的电池技术在过去几年中如何从1970年代描述的历史结构演变为性能更好的PERC结构。我们进一步讨论，随着对高性能和低成本光伏系统的需求，依赖于钝化触点的更高效的电池目前如何在强大的工业参与下快速开发。然后，我们调查了能够减少电池到模块效率损失的模块的最新发展，特别是在过去的几年里。在过去十年中，主流组件效率平均每年增加0.3-0.4%，现在已达到19-22%。此处讨论的改进显着使当今的模块能够在不到一年的时间内产生制造它们所需的能量。根据当今的知识，我们描述了使光伏发电成本通常达到0.013美元至0.03千瓦时的技术创新-1在全球范围内的未来十年内。最后，我们简要讨论替代光伏技术如何在大众市场上与硅竞争。

方框1历史视角

1954年，美国贝尔实验室展示了第一个具有实用价值的太阳能电池，效率为6%（参考文献237）。在接下来的几年里，硅电池的主要市场驱动力是空间应用，而陆地市场主要局限于离网应用。小批量生产转化为高价格，阻碍了光伏的大规模部署。第一座容量为1兆瓦的陆地光伏(PV)发电厂建于1982年。

从1980年到1990年初，在微电子和功率半导体技术的基础上，开发了用于实现高性能和/或工业硅太阳能电池的最重要的技术砖。1985年，单晶太阳能电池在实验室中的效率达到了20%（参考文献238），在1988年在100倍浓度下达到了26.2%（参考文献239）。在此期间，工业太阳能电池的效率从12%缓慢增长到14.5%。挑战仍然是找到一种方法，例如1994年的4-5 W -1美元（参考文献240)至少降低10倍，以使光伏成为具有竞争力的电力来源，这一目标需要技术改进、更大的产量和专门的供应链。在全球范围内，许多国家在过去50年中为光伏产业做出了重大贡献：首先，美国拥有庞大的卫星光伏市场和第一批大型光伏电站，然后是澳大利亚拥有庞大的远程光伏通信市场，以及日本拥有第一个重要的住宅光伏市场。21世纪初出现了大幅加速，德国和许多欧洲国家采用了创新和显着的上网电价补贴241，这引发了欧盟设备制造商的巨大努力，增强了该行业的制造能力。最后，通过国际投资者，特别是美国的大量资金支持，中国在制造业中发挥了重要作用，支持低成本的大规模工业化。

从2000年到2010年，这些激励计划引发了每年超过30%的强劲市场增长，并产生了深远的影响。2004年光伏行业首次使用的硅（重量）超过整个半导体行业，导致2004年至2009年精制多晶硅短缺。太阳能级多晶硅原料价格达到400美元-1，短缺前的30-50公斤-1美元。这引发了对大型多晶硅生产厂的投资，使价格低至6-12公斤-12021年，与此同时，太阳能电池和太阳能组件的产能增加，主要集中在亚洲，尤其是中国，导致全球投资过剩和供过于求。2010-2015年模块售价快速下降，迫使许多公司倒闭。大规模产业化在过去十年中以每年约25%的速度增长，到2020年将超过130吉瓦。这相当于630 km 2的晶体硅组件面积，占光伏市场的95%以上10.从1980年到2020年，累计产能每翻一番，光伏组件价格就会下降24%（见图）。假设利润率不变，这表明过去40年的学习率在成本方面也是24%。过去十年可以观察到40%的学习率，这可以解释为从2000年代初期的短缺中恢复，随后中国制造业集群的集中，以及整个供应链中工具、流程和设计的标准化。今天，主流晶体硅组件的典型批发价格在0.17-0.25 W -1美元之间（参考文献10），具体取决于类型和效率，折算成惊人的低35-50 m -2美元。

直到2021年的数据在ref的许可下进行了调整。10，弗劳恩霍夫ISE。

从多晶硅原料到晶圆

对于高效的光伏电池和组件，需要杂质浓度低、晶体缺陷少的硅晶体。给出一个想法，硅中0.02 ppb的间隙铁，对应于大约10 12  cm -3的浓度，可以将c-Si太阳能电池的效率从20%降低到~12%，因为激发的电子会失去它们的能量铁相关的重组中心。所需的硅原料纯化和以下工艺的清洁度可与微电子技术中的规范相媲美。

硅加工从冶金级硅（约1%的杂质）开始，它与HCl反应生成三氯硅烷（SiHCl 3或TCS），这是一种沸点为32 °C的液体。一系列蒸馏循环（通常为3-5个）用于获得纯度为9N至12N的TCS，即每十亿个原子的杂质少于一个（在12N的情况下为万亿分之一）。随后，TCS与H 2一起进料进入冷壁反应器，在其中将高纯度硅丝（几毫米宽）加热到1,150 °C。TCS在热硅细丝的表面热解离，硅沉积使细丝变粗成直径为10-20厘米的棒。该工艺通常称为西门子工艺，是硅光伏链中成本高昂且能源密集型的部分，但内部罐反射涂层的改进和反应器尺寸的增加降低了其成本和能源需求。在最大的反应器中，现在可以在约100小时内生产多达10吨的高纯硅，能耗为35-45 kWh kg -1（参考文献2）。然后将硅棒压碎成块并用于硅锭的生长。根据影响材料质量的蒸馏循环次数，太阳能级硅的价格通常在低质量硅的6-7 kg -1和高质量硅的10-12 kg -1之间。- 2020年的优质硅。进一步降低成本2是可能的，例如，通过使用更大的管状硅丝，由于它们增加的初始表面积3而减少了沉积时间。流化床反应器构成了一种沉积硅的替代方法，可以将这一步的能源需求减半4，但它们的市场份额很小5.采用最先进的工艺并从沙子开始，生产1 kg纯化多晶硅原料的总电力消耗约为60 kWh（11 kWh kg -1用于制造冶金级硅，49 kWh用于纯化和生产多晶硅）。

然后使用两种主要技术来制备硅锭（方框2 ）：定向凝固(DS)和Czochralski (Cz)方法6、7，其中Cz方法使用的电量大约是DS技术的四倍（32对7 kWh kg -1的结晶硅）。随后将块和锭切割成典型边长为156-210毫米的（伪）方形砖，然后使用多线锯技术将其锯成晶片。在这里，一根细钢丝在导向圆柱体上缠绕多次，以同时锯切多达数千个晶片。1980年代开发的原始工艺使用乙二醇溶液中的碳化硅颗粒浆料来切穿硅8.这个过程有显着的切口损失（线径加上碳化硅颗粒直径的两倍），加起来高达120–200 µm。2015年至2019年期间，金刚石线（与金刚石微粒结合的钢丝）成为新标准9，将切口损失降低到50–70 µm，并为近年来晶圆价格的下降做出了重大贡献。结合电池厚度的减小和电池效率的提高，原始硅的数量从2000年的14 g W -1显着下降到今天的3.0 g W -1（图1d，所有功率值均指标准测试条件下的峰值功率）。总结从沙子到晶片的所有电力消耗，产量略低于100 kWh kg -1（包括用于晶圆切割的5 kWh m - 2），即0.3 kWh W -1。这种能量消耗会在2到4个月内在野外得到补偿，具体取决于辐照度。总而言之，对于DS和Cz生长技术的标准安装，如今在南欧国家，硅光伏系统的能源投资回收时间不到1年（北欧为1.2年），DS生长的硅具有轻微优势，因为到较低的能源需求10、11，并且仅考虑模块部分远低于1年。

因此，与10年前相比，每平方米模块面积的硅片成本现在低得惊人。以170 µm的典型晶圆厚度为例，2020年现货市场上优质晶圆的多晶硅售价为每片0.13美元至0.18美元，单晶硅为每片0.30美元至0.35美元，其中，典型尺寸为158.75 × 158.75 mm 2 ，相当于6-13 m - 2美元。这一价格为方框2中讨论的替代晶片技术设定了高基准。值得注意的是，对硅原料的强劲需求导致2021年价格大幅上涨2到3倍（方框1）。加上光伏玻璃短缺，这导致整个光伏产业链的价格上涨，预计随着新产能的增加，价格将在2022年和2023年再次下降。

框2不同种类的硅

用于光伏的硅晶片可以通过它们的结晶方式来区分。在过去的二十年里，通过定向凝固(DS)制造的多晶硅(mc-Si)晶圆平均占据了大约60%的市场份额。在DS中，熔融硅在方形坩埚中从底部到顶部缓慢结晶，该坩埚由涂有氮化硅(SiN x )的熔融石英制成（见图，左图）。每次凝固都需要一个新的坩埚。坩埚底部含有晶种以影响晶体生长38 , 242 , 243.这种“孵化层”由小块硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅或其他高温材料制成，用作种子以获得通常为几毫米的相对较小的晶粒，这些晶粒比晶体位错更容易松弛。大颗粒。这种类型的硅被称为高性能多晶（"HP-multi"）材料。或者，使用单晶晶种导致大部分晶锭具有单晶结构（“准单晶”或“铸造单晶”材料）（见图，中间面板）244。坩埚的尺寸不断增加：可固化高达1,650 kg的铸锭。

受高效钝化发射极和背面电池太阳能电池的发展（需要更高质量的基板）的推动，以及能够实现多次充电和多次拉晶的Czochralski (Cz)工艺的最新改进，2018年出现了硅片市场发生重大变化。当前市场的主要份额现在基于通过Cz方法生长的单晶锭（见图，右图）。在这里，将晶种浸入包含在旋转石英坩埚中的熔融硅中，然后慢慢向上拉，产生约2米长的圆柱形单晶，直径通常为200-300毫米。坩埚可以在仍然热的时候再充电，并且可以拉出三到五个锭而不冷却和破坏受控气氛245，246、247。__最终，有害金属杂质由于其在液相中较高的溶解度而积聚在熔体中，因此必须更换带有残余熔体的坩埚。晶种的断裂强度（其典型直径为3毫米）限制了最大铸锭重量，因此也限制了其长度。

由于更高的吞吐量和更低的能耗，DS工艺以比Cz方法更低的成本生产硅锭。然而，到目前为止，由于杂质从坩埚扩散，DS硅比Cz硅有更多的缺陷，而且还有取决于铸锭中的位置和外部参数（例如冷却速度）的沉淀物、位错和晶界。然而，在电池制造过程中可以显着提高硅的质量。作为指示，DS晶锭的世界纪录太阳能电池效率为mc-Si的22.8%和准单晶硅的24.4%（参考文献74）。相反，Cz锭中的主要杂质是氧和碳，其浓度可达10 18  cm -3和5×10 16  cm-3，分别为248；通过拉拔器7的精心设计，可以降低浓度。由于成本考虑和Cz硅的材料质量改进，通常用于在实验室中达到高性能的浮区晶体生长技术目前未用于光伏行业。

几种避免晶锭锯切步骤的晶圆技术正在开发中。在直接外延249中，处理单晶硅衬底以形成多孔硅层。在热处理之后，使用硅烷或氯硅烷将外延硅沉积到所需的厚度。之后，生长层可以被剥离250。对于带状硅251，将mc-Si薄片从熔体中拉出并切割成晶片。Direct Wafer技术252通过选择性地冷却表面和剥离固化片材从熔体中生长多晶硅片。

硅中的载流子寿命

硅的间接带隙仅产生中等的吸收，因此需要100–200µm的晶圆厚度来吸收大部分能量高于带隙的光。为了使光生少数载流子以最小的复合损耗向选择性接触扩散，（有效）少数载流子扩散长度Leff应比晶圆厚度大几倍；Leff是根据少数载流子扩散率D和有效剩余载流子寿命τeff定义的⋅L Dτ=eff eff。

长寿命需要低水平的重组损失。复合损失不仅来自于块体性质（框3），还来自于表面的悬挂键。通过化学表面钝化，这些悬空键可以与其他原子结合，例如，当表面被二氧化硅钝化时，这些悬空键可以与氧结合。氢还可以非常有效地钝化悬空键。然而，氢钝化在高温或紫外线下可能不稳定。相比之下，场效应表面钝化依赖于具有合适极性的固定电荷（n型表面的正电荷，如SiNx，或p型表面的负电荷，如Al2O3）的层，这些层通过带弯曲累积多数载流子并耗尽少数载流子表面，因此，通过从表面移除一种载体12来减少复合。原则上，表面钝化也可以通过反转来实现，但这种钝化的效率低于积累，对电荷变化更敏感，并且当层因寄生分流而局部打开接触时，会被破坏13,14。

方框3硅太阳能电池的主要损耗

一个完美的太阳能电池除了物理或热力学规定的损失外不会有任何损失。在半导体中，能量低于带隙的光子不会被吸收。对于吸收的光子，超过带隙的部分能量在称为热化的过程中消散为热量。太阳能电池的理论效率极限然后由辐射复合控制，这是吸收的相互过程。对于带隙为1.1 eV的半导体，该工艺产生的极限效率为32% 253 , 254.对于晶体硅来说，限制复合过程不是辐射复合而是俄歇复合，这与衬底的纯度和完美程度无关。因此，为了评估最大理论效率，必须准确确定俄歇过程的参数。已经提出了几种模型255 , 256 , 257，将效率限制置于29.5% 256 , 257 , 258左右。除了这些基本损耗机制之外，其他实际损耗限制了实际太阳能电池的效率。这些包括缺陷处的复合、光损耗和电阻损耗。

通过测量过量电荷载流子的体寿命τ bulk来评估体中的复合损失。前部和后部的晶体表面会产生额外的复合损失，这些损失通常由表面复合速度S f和S r表示。表面的热氧化是减少界面处载流子复合的极好方法。多年来，该工艺步骤被认为过于昂贵，无法用于低成本太阳能电池的工业制造。然而，它最近在氮化硅（SiN x:H)沉积。传统上，减少界面处载流子复合的低成本方法是引入高-低掺杂分布，以降低界面处的少数载流子密度，例如，在背面场中。场致累积或反转层具有降低有效表面复合的相同效果。当前的高效硅太阳能电池将薄的氧化硅层与用于n型Si的SiN x :H层结合在一起，或者将带有负电荷的氧化硅层与用于p型Si的Al 2 O 3层结合在一起。

所有复合路径并行叠加，导致有效载流子寿命τ eff的定义，在具有相当良好表面钝化的器件上的均匀载流子浓度的情况下，可以写为：

其中τ bulk包含辐射复合、俄歇过程和陷阱相关载流子寿命的贡献，而τ表面根据S f和S r以及器件厚度W定义。τ eff的高值确保所产生的过量电荷载流子的低复合率，因此能够建立高内部电压。

金属触点的遮蔽(~3–4%)、表面反射(~3%)、介电层和触点中的寄生吸收(<1%)、自由载流子吸收(<1%)或不完美的光会导致光学损耗管理（<1%）。一个良好的光捕获方案，结合抗反射涂层、表面纹理、良好的内表面反射率、对红外波长的高反射金属和低掺杂以避免自由载流子吸收，应用于显着增加弱吸收的路径长度，长波长的光子，并保证它们可以被硅晶体吸收。此外，理想情况下，应反射波长大于1,200 nm的子带隙光子，以避免太阳能电池不必要的加热。

串联电阻可能是另一个重要的功率损耗来源，特别是在发射极、金属指和互连中。这些损耗通过不断的技术改进得到缓解，例如减小指间距（同时减小指宽度以保持低阴影）、多母线或导线互连（9到20）以及将电池切成两半甚至更小的子电池。

增加加工过程中的有效寿命

在太阳能电池加工过程中，晶圆块内的缺陷密度会发生显着变化。根据加工温度，沉淀物可以溶解或形成，具体取决于它们的溶解度和扩散性15，吸杂过程可以通过将过渡金属吸引和收集到溶解度更高的“水槽”中来去除过渡金属16。内部吸杂是指在扩展缺陷或高掺杂区域中的分离，而外部吸杂利用晶片表面处的层，例如掺杂玻璃17或SiN x :H层18。

除了在表面钝化中的作用外，氢对体重组也有积极影响。它可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积的富含H的SiN x :H层引入，然后进行短时间退火（烧制）以将氢释放到体硅中。氢化可有效改善缺陷密度较高的区域，方便地支持通过吸杂实现的改进，尽管局部缺陷结构非常重要19。还发现氢化在更清洁的样品中更有效地提高了τ eff，尤其是在降低晶界20、21、22的复合活性时。

整体寿命退化现象

在太阳能电池制造过程结束时达到高τ eff很重要，但这不足以确保长期有效的太阳能发电。例如，具有高氧浓度的硼掺杂p型c-Si，例如在Cz材料中，在光照下容易退化23。这种效应在载流子注入的几个小时内降低了τ eff ；它与硼浓度几乎呈线性关系，与间隙氧浓度大致呈二次方关系24 , 25.这个过程被称为硼氧（BO）相关的光致降解（LID），这是一种误导，因为它也发生在黑暗中的电池偏置下，因为只需要存在过量的电荷载流子，而不是光子本身. BO-LID施加的基本寿命限制是通过研究完全降解后的体积寿命26建立的。2006年，发现BO-LID后的寿命可以通过在150–300 °C下在样品中存在氢气的情况下涉及过量电荷载流子的过程来再生27、28。降解-再生循环的动力学可以通过三态模型（退火、降解和再生状态）29和更通用的模型30来描述.通过在200 °C以上的高光强度下暴露少于1分钟（参考文献31、32）或在黑暗中将电池偏置在200° C左右（例如，在堆叠配置中），可以使缺陷失活33、34。__失活是长期稳定的，因此，BO-LID不再是硼掺杂Cz硅太阳能电池的主要限制。此外，最近镓几乎完全取代了用于制造p型晶片的硼，从而避免了BO-LID问题，即使铸锭中的镓分布不如硼分布35均匀。

2012年发现的体硅中的另一种降解机制（参考文献36）仅在室温以上的可测量时间尺度上发生，主要发生在p型材料中。因此，它被称为LeTID（光和高温诱导的降解）。与BO-LID类似，它基于过量电荷载流子的存在，但对掺杂或氧含量没有明确的依赖性37，并且也可以观察到再生。这种效应在多晶材料36中更为明显（图2a），其中其强度会受到吸杂和局部缺陷结构38、39的影响，但在Cz（包括掺杂镓）甚至更高纯度的浮区（FZ）材料40、41（图2b）中也观察到。最近，LeTID也被报道用于基于n型晶片的样品结构，前提是它们包含高度掺杂的p型或n型层42，而具有中等n型掺杂的样品似乎不受影响41。硅块体中氢的存在被认为是缺陷形成43的先决条件，峰值烧制温度和升温速率对LeTID 39、44的强度有很大影响（图2b）。早期模型假设扩散物质参与过程44。最近的研究结果产生了一个四态模型，其中“水库”状态确定了用于退化的缺陷前体的可用性45。在p型太阳能电池中避免LeTID的可能措施是使用较低的烧制&