用于太阳能电池的低成本晶圆

硅晶片是太阳能电池的核心。然而，制造它们并不便宜。超过50%的纯硅加工成灰尘。弗劳恩霍夫研究人员开发的一种新制造技术结束了这些材料损失，原材料节省了50%，同时能源成本降低了80%。

它们在屋顶上闪烁着深蓝色。在我们的家中，他们为我们提供照明，同时为灯具，冰箱和其他家用电器提供电力。我们在谈论太阳能电池。其中一个关键组件是薄硅晶片。这些晶片的制造耗费时间和能量，并且相应地昂贵。更重要的是，大约一半的硅在晶圆生产过程中丢失了。目前多晶硅的价格约为每公斤15欧元，这意味着每使用一公斤多晶硅，大约8欧元的材料最终会被污染，因此不能使用硅。

减少材料损失，减少80%的能源消耗

弗赖堡弗劳恩霍夫太阳能系统研究所的研究人员开发的新工艺并非如此。“通过我们的方法，我们可以避免在传统生产过程中发生的几乎所有损失，”研究员Stefan Janz博士在ISE上说。“这意味着我们减少了50%的材料损失，同时减少了80%的能源消耗。”

为了理解研究人员如何实现这一目标，值得一看的是硅晶片的传统制造工艺。这个过程始于一块不纯的硅片。通过添加氯将不纯的硅液化并纯化。由此产生的材料称为氯硅烷。如果向所得气体中加入氢气，则将其再次转化为高纯度多晶硅。但这不是太阳能电池所需的晶体形式。因此，所得到的硅块再次破碎，在1450摄氏度下熔化，使用不同的方法生长并转移到重200至1000千克的硅锭中。由此，形成方形块并最终锯成小晶片。

同样，在新工艺中，研究人员首先制造氯硅烷，将其加热至1000摄氏度以上并与氢气混合。“我们不会让硅随机生长，而是立即将其哄骗成所需的晶体形式，”Janz解释道。这是通过化学气相沉积完成的。在这里，气态硅流过衬底 - 自身是硅晶片 - 并覆盖其表面。以这种方式，晶片通过原子层生长原子层。为了使新晶圆易于与基板分离，研究人员将事先以多孔硅的形式引入机械断点。这些基材可以重复使用数十次。不仅基材用作“背板”，它们还提供必要的晶体信息。这是因为太阳能电池，需要硅晶体，其中原子以规则的阵列排列，就像它们在钻石中一样。可以说，衬底通知原子它们应该如何从气态硅中排列。“通过这种方式，我们获得了非常好的单晶，这是最好的晶体类型，晶圆的质量与使用传统方法生产的晶圆相同，”Janz说。

低成本的太阳能电池

简而言之，晶圆的生长正是研究人员想要的，而不需要繁琐的锯切 - 这一工艺步骤几乎浪费了一半的高纯度输入材料。

新工艺的另一个优点是它允许晶片根据需要制成薄的。采用传统工艺，硅晶片的厚度必须至少为150至200微米，否则切割损耗会过高。但太阳能电池可以用更薄的晶圆做到。晶圆越薄，太阳能电池越便宜。因此，新工艺以两种方式节省材料：避免浪费的晶圆制造工艺，并允许减少晶圆厚度。这些增益确实增加了，因为将晶圆的成本降低一半会使整个太阳能模块的成本降低20%。

截至2015年6月，一家名为NexWafe的衍生公司承担了将这种新晶圆生产技术推向市场的责任。“在这项技术的试验阶段，我们正在与Fraunhofer ISE的同事密切合作，”NexWafe首席执行官Stefan Reber博士说。工厂的完工和低成本晶圆的批量生产将于2017年底开始。