一、大硅片所向披靡

为了降低光伏电站度电成本，光伏企业一直在致力于降低硅料、硅片、电池、组件生产成本，提高电池效率与组件功率。在提高组件功率这一环节，除了提高电池效率、组件技术外，还有一个简单粗暴的方法，就是提高硅片面积，因此这一两年来，硅片尺寸越做越大，从之前的156到现在的166、18X、210。

究其原因，即是硅片尺寸的不断变大可为下游各环节带来诸多方面的降本增效，大硅片降本主要来源于“通量”及“面积周长增幅不一致”带来的降本效应。大硅片还可带来组件端的效率增加。由于采用更大的硅片及电池，使得电池占组件面积增加，进而在电池片效率相同的情况下，提高组件功率。根据测算，在电池效率相同的情况下，M12硅片相比M2硅片在组件效率上可提升0.7%。

二、掺镓、N型单晶大势所趋

一直以来，光伏行业的硅片都是掺硼的P型硅片，这是因为硼在硅中的分凝系数接近1，容易获得电阻率一直的P型硅片，但是这也带来一系列的问题，如硅中的硼氧复合体导致太阳能电池效率衰减很大。2017年，隆基推出电注入技术，并可以免费提供给下游电池客户使用，而所谓的电注入技术，不仅不能解决单晶的衰减问题，还需要在电池线上加一道电注入工艺，其实质是将在光伏电站运营过程中的效率降低，通过电注入这道工艺，一次性降低到位，从而在将来的光伏电站运营过程中将不再有效率降低的问题。因此，电注入这道工艺，并没有解决衰减问题。

但是，掺镓单晶和N型单晶，由于单晶体内没有掺硼，没有了BO复合体，从本质上解决了单晶衰减问题。之前，受限于设备、技术、专利，掺镓、N型单晶都没有大量推广，如今设备、技术越来越成熟，专利壁垒也将失效，掺镓、N型单晶呈星火燎原之势。

三、大硅片、掺镓、N型单晶量产难点

1、大硅片的难点

大硅片在设备、技术上没有难点，但是老产能生产大硅片会有一定的难度。如单晶炉副室如果尺寸不够大，装不了大直径的单晶硅棒，很多切片机也切不了180、210的硅片。而且热场直径太小，拉大尺寸单晶硅棒成本也将更高。

2、掺镓单晶的难点

采用大热场如32寸热场拉掺镓单晶硅棒，其拉晶成本与拉P型掺硼单晶硅棒成本差不多。由于镓在硅中的分凝系数低，为了保证掺镓单晶硅片的电阻率符合客户要求，拉掺镓单晶硅棒时，每炉需要拉7根单晶硅棒，因此大尺寸热场拉掺镓单晶成本与拉P型掺硼单晶成本差不多，但是小尺寸热场拉掺镓单晶时，掺镓单晶硅棒长度将特别短，导致成本则大大高于拉P型掺硼单晶硅棒的成本。因此，拉掺镓单晶需要大尺寸单晶炉、大尺寸热场。

单晶硅作为信息时代的基石，被广泛应用于芯片制造和微电子器件当中。但是这种脆性材料，容易引发组件断裂失效，而使器件丧失功能性。本文报道了一种新的加工流程，通过光刻蚀和表面处理以去除残留在表面的加工损伤。这种方法加工的单晶硅强度（CRSS~4 GPa）接近理论值，弹性极限明显升高，更为重要的是单晶硅塑性显著提升，为加工具有高稳定性和高质量的硅结构提供了重要启示。
单晶硅独特的电学性质和能带结构，使得它作为功能部件被广泛应用于半导体行业。同时其强度较高，也是微电子机械系统（MEMS）里重要的结构材料。但是单晶硅属于脆性材料，这严重影响了其稳定性。冲击实验表明，移动电子设备中的硅基罗盘容易发生断裂失效。此外，单晶硅作为功能部件，通过应变工程（strain engineering）可以有效提高硅中载流子的迁移率，提高电子器件的功效，但是单晶硅在低应变下的脆性失效成为这一应用的掣肘。因此，如何消除加工损伤，进一步提高单晶硅的性能成为急需解决的问题。同时加工过程对半导体材料在微纳尺度性能的影响，也亟待解答。

一、单晶硅精加工

聚焦离子束切割（FIB）和光刻蚀工艺广泛应用于半导体行业和微纳加工，但是聚焦离子束切割会在晶体材料表面引入几十纳米厚的非晶层，同时在非晶层与晶体的界面之间植入大量晶格缺陷，在应力应变作用下成为裂纹增长的源头，显著弱化材料强度。普通光刻蚀中的干法刻蚀也会在硅的表面残留氟硅酸盐层、离子损伤和氧化层，这都将显著影响外力作用下的缺陷行为，因为单晶硅表面是微纳尺度下缺陷形核的重要场所。该团队在光刻蚀之后，对单晶硅表面进行额外处理，先将被损伤的表面氧化，再侵蚀掉氧化层，以去除刻蚀导致的表面损伤（图1）。这种流程加工的单晶硅结构，表面既没有离子切割引入的缺陷，也没有刻蚀导致的损伤，只有1-2纳米的自然氧化层，表面质量好。

二、优越的机械性能

经过表面处理过的单晶硅微柱，在接下来的微观压缩（micro-compression）测试中表现出比其它方法制备的样品更高的强度，其临界剪切强度（CRSS~4 GPa）更加接近材料的理论值（图2）。同时，弹性极限也显著提升了67.5%，比聚焦离子束加工的单晶硅样品提高了2040%。更为惊喜的发现是单晶硅在室温条件下，在微米尺度展现出了塑性。之前的研究认为,只有将尺寸缩小到200-300纳米才能观察到单晶硅的室温塑性，但是表面处理过的微柱在微米尺度依然达到了3%的塑性应变（图2）。对比实验发现，不同样品中的缺陷的形核模式完全不同，裂纹更容易在聚离子束切割的样品顶端形成，因为这里有缺陷聚集。而表面处理过的光刻硅当中位错分布非常均匀（图3），展现出表面随机形核的特点，这样避免了应力应变集中，同时高强度进一步提升了位错形核率，这些因素都显著提升了塑性。

三、尺寸调控的形变机理

单晶硅在微米尺度的塑性，揭露了金刚石结构半导体中由尺寸调控的形变机理和位错行为，纳米尺寸微柱的塑性变形以全位错为主，而当微柱的尺寸增加到微米级，由半位错引入的纳米孪晶和层错则变得越来越多（图4）。过去五十年当中，半导体位错一直是研究的热点，因为这种缺陷严重影响了单晶硅的电学特性和机械性能，不同种类缺陷所带来的影响区别很大。传统观念认为，单晶硅当中全位错到半位错的转变是温度调控的机制，而本文观察到了由尺寸调控的新机制，这使得研究人员对单晶硅的形变机理和缺陷行为又有了新的认识。

四、半导体材料加工启示

作为信息时代的主要材料，单晶硅是制造微电子机械系统、光电设备、能源转换器件和生物传感器的重要部件。本文报道的单晶硅，通过表面处理工艺进一步提升机械性能，为生产更加强健和稳定的硅基器件提供了参考和思路。此外，这种新的加工流程对其它半导体材料加工也提供了重要参考，应用前景广泛。

太阳能电池板的发展经历了三个阶段。一阶段是以硅片为基础;第二阶段是基于薄膜材料的太阳能电池;第三阶段目前还在处于概念和简单的研究实验中。在一阶段中，至今太阳能硅体电池板其技术和发展已经成熟，但是单晶硅要求纯度太高，以至于生产成本太高是的人们不惜牺牲电池转换率为代价开发第二阶段薄膜太阳能电池。在基于薄膜材料的太阳能电池板中。薄膜技术所需材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大面积电池的生产，可有效降低成本。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池，其中以多晶硅为材料的太阳能电池优。

太阳能光电转换率的卡诺上限是95%，远高于标准太阳能电池的理论上限33%，表明太阳能电池的性能还有很大发展空间。第三代太阳电池具有如下条件:薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒。目前第三代太阳电池还处在概念和简单的试验研究。已经提出的主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。其中，叠层太阳能电池是太阳能电池发展的一个重要方向。

德国弗朗霍夫太阳能系统研究所、法国聚光光伏制造商Soitec公司、德国柏林亥姆霍兹研究中心携手宣布，他们制造出一款在太阳光浓度为297下光电转化效率高达44.7%的四结光伏电池，创造了新的世界纪录。他们表示，新研究有望大幅降低太阳能发电的成本并为获得转化效率高达50%的太阳能电池铺平了道路。新研制出的四结太阳能电池中的单个电池由不同的III-V族(元素周期表中III族的B，Al，Ga，In和V族的N，P，As，Sb等)半导体材料制成，这些结点逐层堆积，单个子电池能吸收太阳光光谱中不同波长的光。