实验室简介

河南省光伏材料重点实验室依托河南师范大学、河南大学联合组建而成，中试基地设在“河南新乡华丹硅材料有限责任公司”。经过几年的发展，实验室拥有科研配套用房面积2500平方米，价值为2000多万元的实验设备。形成了多晶硅提纯技术研究、硅薄膜太阳能电池材料的研究、非硅基太阳能光伏材料与技术研究三个稳定的研究方向。 实验室实行主任负责制，实验室实行主任由教育部材料物理与化学教学指导委员会委员、科技部国际合作项目评审专家、河南师范大学特聘教授常方高博士担任。实验室成立学术委员会，由河南大学双聘院士王占国院士担任学术委员会主任。

实验室现有科研人员21名（由河南师范大学、河南大学人员组成），教授12人，具有博士学位20人，享受国务院政府特殊津贴专家1人、河南优秀专家3人，省、校特聘教授4人、博士生导师10人。已经拥有一支以特聘教授领军，以具有博士学位和高级职称人员，工程化实践经验丰富的科研技术人员为主体，学科交叉的科研团队，为实验室的快速发展奠定了良好的人才基础。

近三年来，河南师范大学加大对实验室的投资力度，先后投资760万元购置实验仪器，并对实验室进行改造。实验室部分大型仪器有：温度可达3500℃的超高真空电弧炉、磁控溅射薄膜生长、高温烧结炉、X-射线衍射仪、扫描电镜、傅立叶红外光谱仪、四探针电阻率测试仪；中试基地有丹麦FZ-14-1型区熔单晶炉、国产TDL-F235型区熔单晶炉。目前，这些仪器设备运行良好，为光伏技术研究工作的深入开展提供了很好的科研条件。

三年来，实验室共承担了国家、省部级科研项目30余项，发表了200多篇高水平的专业论文，获得省部级以上科研奖励10项。在光伏、压敏等功能材料开展了大量的研究工作，掌握了核心技术，申请了2项国家专利。

实验室十分重视学术交流与合作。目前已与美国加州大学，加拿大大略大学-半导体物理实验室、中国科学院物理研究所、清华大学、北京大学等国内外多家科研院所建立了很好的学术交流与合作关系。实验室已成为对外交流合作的窗口。

研究方向

一：多晶硅提纯技术的研究

物理法提纯多晶硅技术的研究包含2个课题：（1）电子束熔融法多晶硅提纯技术研究；（2）区域熔化多晶硅提纯技术研究。

电弧炉电子束熔融法实施方案是：先利用高真空电弧炉反复烧结使得多晶硅的纯度达到5N以上，在电子束熔融的最后阶段，在保护气体中加入含氧、含氢和含氯气体，它们和B杂质发生反应，形成可挥发物质，达到去除杂质的目的；将初步提纯的材料在区熔单晶炉中进一步提纯到太阳能级以上。

电弧炉电子束熔融法的技术关键在于熔融多晶硅在真空中定向凝固，使得杂质在表面挥发，其主要的问题是如何将熔体内的杂质传输到熔体表面，以致它们能从表面挥发。当熔体体积较大时，内部的杂质往往不能及时传输到表面。为了解决这个问题，可以利用快速抽出保护气，使得气相中的杂质浓度始终很低，促使熔体中的杂质尽快挥发；另一个问题是与坩埚直接接触的多晶硅熔化不充分，也不利于杂质向液相、汽相的转移。这个问题可以利用电磁等离子法，使得熔体和坩锅壁四周不直接接触，从而增加熔体的表面积，导致熔体中杂质的尽快挥发。由于B元素的饱和蒸汽压（10-4Pa）远小于Si的饱和蒸汽压（10-1Pa）,所以不能用这种方法去除B杂质，这需要在提纯的最后阶段对熔体吹气来增加B的饱和蒸汽压。

区熔法显著的特点是不用坩埚盛装熔融硅，而是在高频电磁场作用下依靠硅的表面张力和电磁力支撑局部熔化的硅液。因此，区熔法又称为悬浮区熔法。区熔提纯的原理是：根据熔化的晶体在再结晶过程中因杂质在固相和液相中的浓度不同而达到去除多晶硅中含有的碳、磷等杂质。区域熔化提纯法的最大优点是其能源消耗比传统方法减少60%以上。目前，区域熔化提纯法是最有可能取代传统工艺的太阳能级多晶硅材料的生产方法。REC公司已在2006年新工厂中开始使用了区域熔化提纯法。

本研究方向的目标：是开发出有自主知识产权的物理法太阳能级多晶硅提纯技术并使之产业化，减少多晶硅提纯过程中的环境污染与能耗，降低光伏发电的成本。

三年内获得科研项目3-5项，申请国家专利2-3项，发表国家核心期刊以上研究论文3-5篇，培养博士和硕士研究生6人。

二：硅薄膜太阳能电池材料的研究

硅薄膜太阳能电池材料的研究内容包括：1、非晶硅薄膜的研究；2、多晶硅薄膜材料的研究。

目前，在太阳能电池材料中应用最多的是单晶硅和多晶硅，但由于晶体硅的生长工艺的复杂性和对硅材料的浪费使其成本居高不下。因此，薄膜硅太阳能电池被认为是大幅度降低成本的根本出路，是今后硅太阳能电池研究的热点和主流方向，将在太阳能电池市场上占据主导地位，硅基薄膜太阳能电池的材料主要有非晶硅薄膜和微晶硅薄膜。

1、非晶硅薄膜的研究

非晶硅薄膜太阳能电池具有光吸收系数大，薄膜所需厚度相对其他材料要小得多；制作工艺简单，能耗少，可实现大面积连续化生产；可用玻璃或不锈钢等材料作衬底，容易降低成本；可做成叠层结构，提高效率等优点。但是，非晶硅薄膜太阳能电池也存在Staebler－Wronsk效应、沉积速率低、在薄膜沉积过程中存在大量的杂质，影响薄膜的质量和电池的稳定性等主要问题。针对上述问题，实验室计划深入探索玻璃基上ZnO薄膜的溅射或PECVD生长工艺，以期获得晶粒尺寸可控、光电性能优越的高质量ZnO多晶薄膜，研究元素掺杂对ZnO薄膜折射系数的改变以及对导电性、透光性和减反射性的影响；进一步完善硅薄膜的PECVD生产工艺，对温度(T)、压力(P)、频率(f)、电压(V)、化学源(S)等参数进行优化，减少电子或空穴陷阱浓度，减少电子-空穴复合中心和复合几率，进一步提高电池转换效率；研究ZnO薄膜表面的处理工艺和缓冲层设计，降低电池光致衰减效应；改善制备工艺，提高大面积非晶硅薄膜的稳定性。