多結晶シリコン
改良型冶金グレード(UMG : Upgraded metallurgical-grade)シリコン(UMG-Siとしても知られる)の太陽電池は、シーメンス法によって作られるポリシリコンに対する安価な代替品として製造されている。 UMG-Siは、シーメンス法よりも少ない装置と少ないエネルギーしか必要としない様々な方法で不純物を大幅に削減している。 UMG-Siの純度はソーラーグレードシリコンと同程度である。それはポリシリコンと比べて3桁以上少ない低い純度であり、ポリシリコンよりも10倍以上安い(2005年から2008年までUMG-Siは、1kg当たり$1.70から$3.20である。ポリシリコンは、1kg当たり$40から$400である)。 UMG-Siは、従来の太陽電池と同程度の性能のものを効率的に供給できる潜在力を持つ。ポリシリコンの太陽電池と比べて、UMG-Siのための設備投資は1/5、必要なエネルギーは半分、そして1kg当たり$15未満の価格で供給できる。
2008年において、いくつかの企業がUMG-Siの潜在力を喧伝していた。しかし、2010年に金融危機がポリシリコンの価格を大幅に下げたので、いくつかのUMG-Si製造者はその計画を保留した。 シーメンス法は、より効率的にシーメンス法を実現することによって来たるべき数年間の生産における支配的な手法であり続けるだろう。 GT Solar社は、新しいシーメンス法が1kg当たり$27で製造を可能にし、5年以内に1kg当たり$20に到達すると主張している。
部品レベルで考えると、ポリシリコンはMOSFETやCMOSの製造工程において伝導性のあるゲート物質として長らく使われてきた。 これらの技術のために低圧化学気相成長(LPCVD : low-pressure chemical-vapour deposition)反応器を使ってポリシリコンを成長させる。成長されるポリシリコンは、大抵高濃度にドープされたn型半導体やp型半導体である。
近年、そのままのポリシリコンとドープされたポリシリコンが薄膜におけるアクティブ層やドープされた層として大面積エレクトロニクスで使われている。 ポリシリコンは低圧化学気相成長(LPCVD)によって成長させることができるが、プラズマ化学気相成長法(PECVD : plasma-enhanced chemical vapour deposition)あるいは特定の処理方法においてアモルファスシリコンの固相結晶化を使うこともできる。これらの工程は少なくとも摂氏300度の高温を必要とする。 これらの温度においてガラス基板上でポリシリコンを堆積することが可能であるが、プラスチック基板上で成長させることはできない。
プラスチック基板上の多結晶シリコンの成長は、フレキシブルスクリーン(曲げられる画面)のデジタル表示装置を製造できるということで期待されている。
GCL-Poly社は、生産コストが2011年の終わりに1kg当たり$20になると予想している。 Elkem Solar社は、UMG-Siのコストが1kg当たり$25になり、2010年の終わりに6,000トンの製造能力を有すると見積もっている。 Calisolar社は、ホウ素が0.3 ppm、リンが0.6 ppm含まれているUMG-Siの製造技術が5年以内に1kg当たり$12になると予想している。 1kg当たり$50かつ出力1W当たり7.5 gの太陽電池モジュールの製造者は、ポリシリコンのために出力1W当たり$0.37を費やしている。 比較として、テルル化カドミウム(CdTe)製造者は、テルルのためにスポット価格(2010年4月に1kg当たり$420)で支払いを行なっており、厚さ3マイクロメートルのテルル化カドミウムはポリシリコンの10倍以上安い出力1W当たり$0.037に過ぎない。 銀を出力1W当たり0.1 g使用し、銀1オンス当たり$31の場合、ポリシリコン製造者は、銀のために出力1W当たり$0.10を費やしている。
Q-Cells社、Canadian SolarそしてCalisolar社は、Timminco社のUMG技術を使ってきた。 Timmincoは、0.5 ppmのホウ素を含んだUMG-Siを1kg当たり$21で製造することができる。しかし、株主は1kg当たり$10を期待していたので、株主はTimmincoを相手に訴訟を起こした。 RSI (Rainbow Solar Inc.)とDow Corningも、UMG-Si技術に関する件で訴訟中である。
太陽電池の製造に多結晶シリコンを使うと、必要な材料が少なくて済む。そのため、高い利益を得ることができ、製造スループットを向上できる。 太陽電池を形成するために多結晶シリコンをシリコンウェハーの上に堆積する必要はなく、むしろ他の安い物質に堆積させることもできるので、コストを削減できる。 シリコンウェハーを必要としないことでマイクロエレクトロニクス産業がたまに直面するシリコン不足を軽減できる。 シリコンウェハーを使わない例として、ガラス上の結晶化シリコン(CSG : crystalline silicon on glass)が挙げられる。
太陽電池産業における一番の関心事はセルの効率である。 しかしながら、セルの製造において十分なコスト削減をすることは、屋外での効率低下と相殺できる。より大きな太陽電池セルの配列を使うことはより小型で効率の良い設計と同等になる。 CSGのような設計は魅力的である。効率が落ちても低コストで生産できるからである。 より効率の良いデバイスは、占有する設置場所を減らし、より小型のモジュールを生み出す。しかしながら、一般的なCSGデバイスの5%から10%の効率は、発電所のような大規模な中央サービスステーションに設置する場合に未だに魅力的である。 効率とコストの対立の問題は、エネルギー密度の高い太陽電池セルを必要とするか、あるいはより安価な代替物の設置を可能とする十分な場所があるかの価値観の決断である。 例えば、遠隔地の発電に使われる太陽電池セルは、低電力用途で使われるもの(太陽電池アクセント照明、ポケット電卓、あるいは確立された送電網の近くで使う太陽電池)よりもさらに効率の高い太陽電池セルを必要とする。