太陽能用硅片技術及其進展

王敬蕊，蔡曉晨，陳 銳，蔣碧蕾

（國電光伏（江蘇）有限公司，江蘇 宜興214213）

1 太陽能光伏產業鏈構成

太陽能光伏產業鏈由多晶硅材料制造—硅錠（棒）／多晶硅片（單晶硅片）生產—多晶（單晶）太陽能電池片制造—組件封裝以及光伏發電系統（組件加上逆變器、控制器、蓄電池等輔助設備）建設構成實用的戶用系統或聯網系統等多個產業環節組成，太陽能光伏產業鏈組成見圖1。多晶硅材料制造處于產業鏈的上游，是鑄造多晶硅錠或直拉單晶硅棒進行切割加工生產多晶硅片或單晶硅片的主要材料，制成的多晶硅片或單晶硅片提供給產業鏈中游的電池生產作基板材料，制造多晶硅電池片或單晶硅電池片進行組件封裝。

多晶硅片主要是通過多晶硅材料定向凝固（DSS）生長多晶硅錠后切割加工制成。單晶硅片則是通過多晶硅材料直拉（CZ）單晶硅棒后切割加工制成。盡管單晶硅相比多晶硅有更高的電導率，從而有更高的轉換效率，但是鑄造同等尺寸單晶硅的制造成本比多晶硅要高出不少，所以多晶硅片仍然是當今電池片的主流基底。除硅料成本外，能源、硅料損耗、輔材、人力等硅片制造過程中所消耗的非硅成本，占晶硅太陽能電站系統成本的8%以上，是硅片切割企業成本控制能力的重要指標。

圖1 硅片技術在晶硅電站系統的位置

2 硅片技術概述

多晶硅片主要是通過多晶硅材料定向凝固（DSS）生長多晶硅錠后切割加工制成，單晶硅片則是通過多晶硅材料直拉（CZ）單晶硅棒后切割加工制成。

多晶硅片制備的主要工藝包括：多晶硅材料準備－鑄錠多晶生長－破錠切方－平磨和倒角表面處理－多線切割－清洗－檢驗分選等環節。

單晶硅片制備的主要工藝包括：多晶硅材料準備－直拉單晶生長－晶棒截斷－切方－滾磨表面處理－多線切割－清洗－檢驗分選等環節。

多晶硅片和單晶硅片制備工藝的主要區別在于前端的晶體生長技術和裝備不同，后端的切割加工處理工藝基本相同，其關鍵技術主要包括鑄錠多晶硅生長技術、直拉單晶生長技術、多線切割技術等。

2．1 鑄錠多晶硅生長技術

直接熔融定向凝固法是目前產業界鑄錠多晶硅生長的主要技術。此方法是將多晶硅料裝于方形石英坩鍋，置于專用的多晶硅鑄錠爐內，多晶硅原料在坩堝中熔融，然后將坩堝從熱場逐漸下降或從坩堝底部通冷源，通過嚴格控制垂直方向上的溫度梯度，使同液界面從坩堝底部向上盡量平直移動生長，從而長出取向較好的柱狀結構晶粒和電學性能較為均勻的晶錠。

直熔定向凝固法制備多晶硅晶錠的工藝過程主要包括：硅料清洗—坩堝準備—裝料—加熱—化料—硅晶體生長—退火—冷卻等。

為了保證鑄錠多晶硅的質量，在鑄造多晶硅的生長過程中，關鍵應控制和解決使其保持有均勻的固液交界面溫度、使得鑄錠多晶硅存在盡量小的熱應力以及能生長出盡量大的晶粒和減少來自于坩堝的污染等技術［1～3］。

2．2 直拉單晶硅棒生長技術

單晶硅棒的生長是采用高純多晶硅為原料，在直拉單晶爐內將多晶硅熔化，熔融的單質硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，晶核長成晶面取向相同的晶粒，晶粒平行結合起來便結晶成單晶硅。單晶硅棒生長技術按晶體生長方法的不同分為直拉（CZ）和區熔（FZ）兩種，獲得的單晶硅分別稱為直拉單晶硅和區熔單晶硅。由于CZ法比FZ法更容易生產出大尺寸的單晶硅棒以及成本和性能的原因，目前直拉單晶硅材料的應用占85%以上，太陽能電池用單晶硅一般采用直拉法制備。

直拉法生長單晶硅棒的工藝過程主要包括：加料－熔化－縮頸生長－放肩生長－等徑生長－尾部生長－冷卻等。

2．3 硅磚（棒）多線切割技術

鑄錠多晶硅和直拉單晶棒經破錠開方與表面處理后對硅磚（棒）進行多線切割和后處理即產出硅片。多線切割是指通過切割鋼線的高速運動，將磨料（碳化硅微粉）和切割液（聚乙二醇）混合成的砂漿帶入切割區對硅磚（棒）進行研磨切割，可一次性將總計1 m長的硅磚（棒）切割為數千片薄片的新型切割加工技術。

近年來，隨著光伏產業在電池片生產方面的技術發展［4，5］，對硅片的切割加工質量也提出了更高要求：如硅片不能有表面損傷（細微裂紋、線鋸印記），對形貌缺陷（彎曲、凹凸、厚薄不均）也有嚴格的控制指標要求，具體如下：（1）硅片趨向大尺寸發展；（2）硅片必須有極高的平面精度和極小的表面粗糙度；（3）由于硅片的機械脆性，切割工藝如果不能實現對工藝線性、切割線速度和壓力、切割冷卻液的精密控制，所產生的細微裂紋和彎曲都會對產品優良率直接產生負面影響；（4）為了不斷降低硅料的切割損失以降低成本，要求切割鋼線的直徑要不斷減小。然而，為使生產效率達到最大化，更高的切割速度和更大的切割荷載將會加大切割鋼線的拉力，增加切割線的斷裂風險。由于同一硅塊上所有硅片是同時被切割的，一旦發生切割線斷裂事故，所有正在切割的硅片都將成為廢品。但使用更粗更牢固的切割鋼線也不可取，這會增加硅料的損失，減少每次切割所生產的硅片數量。

3 硅片技術進展

硅片作為電池生產的基板材料，硅片質量對電池效率有顯著的影響，硅片尺寸大小決定了電池片尺寸，每瓦硅片生產的硅料消耗等對電池生產成本的降低具有重要影響。隨著太陽能電池片制造技術逐步向大尺寸和減薄化方向發展，硅片尺寸也從最初的103 mm×103 mm、125 mm×125 mm發展到目前主流的156 mm×156 mm方形硅片，更大的210 mm×210 mm硅片已出現。而硅片厚度從最初的300μm以上降至目前主流的180～200μm，更薄的150μm已可生產，每瓦硅片的硅料消耗從最初的12 g以上降至目前的7 g左右。光伏產業鏈各個制造環節持續降低成本的需求和壓力極大推動了硅片制備工藝在多晶鑄錠、單晶硅拉制、多線切割等關鍵技術和設備的全面進步，并且大量的先進制造技術如N型硅片技術、準單晶技術正在積極研發，將對光伏產業制造技術的進一步發展不斷提供有力支撐，進而有力促進光伏應用市場的快速發展。

3．1 N型硅片技術

相比P型硅，N型硅具有少子壽命高、對金屬污染容忍度高、電池效率高等優點。但是由于N型硅片制備的太陽能電池開路電壓和填充因子較低，并且長期使用或存放時性能會有所退化，而常規的表面鈍化手段均無明顯效果，所以目前單、多晶太陽能硅片均以P型為主流產品。雖然就N型硅的鈍化層以及開發背接觸等新型電池結構已經開展了大量的研究開發工作，如日本三洋的HIT異質結技術和美國Sunpower的IBC技術，大規模量產的電池效率分別可達21．7%和22．7%，但是N型硅片的市場需求量大大低于P型硅片，而電池制造廠往往對于N型硅片少子壽命、碳氧含量等參數有較高的質量要求。目前硅片制造企業對于N型硅片的生產是根據訂單需求來進行小批量生產，所以其成本和售價要高于普通P型硅片。

3．2 準單晶技術

準單晶硅是通過鑄錠的方式形成的晶硅材料，在一定尺寸的硅片上表現為同一晶向的晶粒面積大于硅片總面積的50%。通過鑄錠技術形成準單晶硅的功耗只比普通多晶硅多5%，所生產的準單晶硅的質量接近直拉單晶硅。準單晶既具有轉換效率高于普通多晶，又可以克服單晶的光致衰減的問題，因而綜合了單晶和多晶的優點而成為近年來的一個研究熱點。

準單晶主要有兩種鑄錠技術：（1）無籽晶鑄錠。無籽晶引導鑄錠工藝對晶核初期成長控制過程要求很高。有一種方法是使用底部開槽的坩堝。這種方式的要點是精密控制定向凝固時的溫度梯度和晶體生長速度來提高多晶晶粒的尺寸大小，槽的尺寸以及冷卻速度決定了晶粒的尺寸，凹槽有助于增大晶粒。因為需要控制的參數太多，無籽晶鑄錠工藝顯得尤為困難。（2）有籽晶鑄錠。當下量產的準單晶技術大部分為有籽晶鑄錠。這種技術先把籽晶、硅料摻雜元素放置在坩堝中，籽晶一般位于坩堝底部，再加熱融化硅料，并保持籽晶不被完全融掉，最后控制降溫，調節固液相的溫度梯度，確保單晶從籽晶位置開始生。準單晶硅（Mono2TM）最早在2006年由BP Solar研制成功，2007年生產出準單晶太陽能電池組件并進行了可靠性測試，相關資產在2010年底被ALD收購后向市場推出基于SCU400＋的單晶鑄錠爐。國內的昱輝陽光、晶澳太陽能在2011年初相繼宣布研發準單晶鑄錠技術，并且開始進行市場推廣。

4 我國硅片技術的現狀

4．1 硅片制造技術

2009年以來，伴隨著中國多晶硅產能的釋放，中國硅片的產能及產量迅速增加（見表1）。中國已成為世界第一的太陽能硅片生產者。2011年，全球十大硅片生產商的前三名都是中國的企業。

表1 2009～2011年中國硅料、硅片產能與產量（產量單位：萬噸）

4．2 硅片制備設備技術

（1）鑄錠爐設備

當前，國際上先進成熟的專用鑄錠多晶硅生長設備主要由美國和德國的公司生產，鑄錠多晶硅單錠質量在400～450 kg之間，單錠生產周期50余小時。發展的趨勢是單錠質量和尺寸不斷增大，追求生產效率和成晶率的不斷提升和能耗與成本的降低，現單錠質量大于600 kg的鑄錠設備已投放市場，800 kg甚至1000 kg的鑄錠設備正在研發。我國近年來在鑄錠設備的研究和生產方面取得了長足發展，技術水平已逐步接近國際先進水平，市場占有率正快速提升。而配套的坩堝噴涂設備及燒結設備才剛開始被國產替代 。

（2）線切設備

由于多線切割機制造技術難度大，核心技術長期被瑞士、日本等國家的極少數公司所壟斷，目前國內使用的多線切割機幾乎全部依賴進口。隨著我國光伏產業的不斷發展，我國相關企業正在積極開發具有自主知識產權的多線切割技術及裝備。

（3）拉單晶設備

我國單晶硅生長爐設備在發展初期主要用于半導體領域。1961年，在中國科學院半導體研究所林蘭英院士的指導下，我國研制成功第一臺單晶硅生長爐，能手動拉制直徑為0．8英寸的單晶硅棒。1996年，我國研制出拉晶直徑達6英寸的半自動單晶硅生長爐；1998年，我國研制出拉晶直徑達8英寸的半自動單晶硅生長爐，拉制的單晶硅棒主要用于半導體分立元件（如二極管、三極管）。2000年以后，我國晶體硅太陽能光伏產業進入快速發展階段，應用于太陽能領域的單晶硅生長爐設備也隨之進入快速發展期，并逐漸實現產業化。目前單晶硅生長爐已基本實現國產化。

5 結束語

晶體硅太陽能電池用硅片的制備是光伏產業鏈中最重要的關鍵環節之一，硅片技術的發展方向是硅片的薄型化和大型化。理論上硅片可減至100μm，但較薄的硅片也將帶來良品率的問題。在切割方面，硅片薄型化將使切片時碎片率提高；在配套輔料方面，薄的硅片也意味著需要直徑更細的光伏切割線、粒度更小的切割刃料；在下游電池片制造過程中，較薄的硅片易導致破損率提高。因此硅片的薄型化應該有一個在用硅量和生產效率之間達到平衡的最優值。

相對于光伏產業鏈的其他生產環節，硅錠／硅片所需的技術含量并不高，來料加工的特點較為明顯。規模化發展有利于降低生產成本、增強產品競爭力以提高產品議價能力，因此規模化發展將是未來硅片行業發展的趨勢之一。目前我國主要的硅片生產商均大規模擴產，如保利協鑫公司的硅片產能已達到3．5 GW、賽維LDK硅片產能已達到3 GW，位列全球前兩位。此外我國在硅錠／硅片領域，設備和原輔料國產化水平不斷提高。在多晶硅鑄錠爐方面，浙江精工科技2008年研發出國內第一臺240 kg級多晶硅鑄錠爐，2011改造升級至500 kg級多晶硅鑄錠爐；在硅片切割方面，我國中電48所、中電45所等相繼推出了多線切割機；在切割輔料方面恒星科技和福星集團相繼投入研發切割線，并且開始產業化發展，使得國內擺脫該領域依賴進口的局面。

［1］ Song X．Reynaems D，Meeusen W，Brussel H V．A study on the elimination of micro－cracks in a sparked silicon surface［J］．Sans Actuators A2001；92：286－291．

［2］ Reynaerts D，Meeusen W，Brussel H V．Machining of three－di－mensional Microstructures in silicon by EDM［J］．Sans Actuators A1998；67：159－65．

［3］ 楊 森，黃衛東，林 鑫，等．定向凝固技術的研究進展［J］．兵器材料學與工程，2000，（02）：32－35．

［4］ 王浩偉．金屬的凝固原理［M］．上海：上海交通大學出版社，2005．

［5］ 朱錄濤．太陽能多晶硅鑄錠用熔融石英坩堝氮化硅涂層的制備［J］．襄樊學院學報，2010，（31）：79－81．