GB/T 25076《太陽能電池用硅單晶》及GB/T 26071《太陽能電池用硅單晶片》標(biāo)準(zhǔn)解讀

李素青

（有色金屬技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京海淀100080）

1 背景

太陽能光伏發(fā)電是一種將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的綠色能源。近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，對(duì)能源的需求也在急劇的增大，而常規(guī)能源的短缺以及帶來的環(huán)境污染問題，使得太陽能光伏發(fā)電得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。太陽能級(jí)硅材料和硅片是制備太陽能電池的原材料，是全球光伏產(chǎn)業(yè)的基石。硅是地球上儲(chǔ)藏最豐富的材料之一，在地殼中含量達(dá)25.8%，用硅來制造太陽能電池，原料可謂不缺。近幾年，硅單晶產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)工藝及技術(shù)都取得了重大的突破，憑借更高的效率、更優(yōu)的性價(jià)比、更低的成本，單晶的市場(chǎng)份額一直在穩(wěn)步提升，太陽能電池用硅單晶產(chǎn)品也因此受世人矚目。

2 行業(yè)現(xiàn)狀

截至2017年底，我國光伏發(fā)電總裝機(jī)量達(dá)130GW，連續(xù)3年位居全球首位；新增光伏發(fā)電裝機(jī)53GW，連續(xù)5年位居世界第一。光伏產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)生產(chǎn)規(guī)模全球占比均超過50%，繼續(xù)保持全球首位。

單晶硅與多晶硅是太陽能光伏晶硅組件的兩條技術(shù)路線，因晶格排列不同而區(qū)分為單晶、多晶。近些年來，單晶技術(shù)由于具備突出的轉(zhuǎn)化效率和成本不斷下降的趨勢(shì)而備受業(yè)界青睞。單晶的客戶價(jià)值已逐步被行業(yè)認(rèn)可，各大單晶產(chǎn)品供應(yīng)商紛紛滿產(chǎn)、擴(kuò)產(chǎn)，產(chǎn)能的增加使得單晶產(chǎn)品價(jià)格持續(xù)下降，這讓單晶產(chǎn)品漸漸有了與多晶產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力，包括多晶企業(yè)在內(nèi)的越來越多的企業(yè)正在切入單晶領(lǐng)域，保利協(xié)鑫能源便是典型的例子。可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，隨著成本的迫近甚至達(dá)到持平，單晶有望進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)份額。

我國在全球單晶硅供應(yīng)和需求方面都是主要參與者。已于2012年成功上市的隆基股份是全球最大的單晶硅產(chǎn)品制造商，占全球市場(chǎng)份額的48%。該公司憑借多年來在半導(dǎo)體單晶硅領(lǐng)域的技術(shù)研究和應(yīng)用積累，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，目前在全球光伏產(chǎn)業(yè)鏈中擁有重要地位。中環(huán)股份是集科研、生產(chǎn)、經(jīng)營、創(chuàng)投于一體的國有控股高新技術(shù)企業(yè)，硅單晶及晶片的綜合實(shí)力、整體產(chǎn)銷規(guī)模位列全球前列，高效 N 型硅片市場(chǎng)占有率全球第一。本次標(biāo)準(zhǔn)修訂正是基于硅單晶及硅片產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)的變化，依托國內(nèi)的主要生產(chǎn)和使用單位對(duì)原標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的修訂。

3 標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

近年來隨著光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，太陽能電池市場(chǎng)需求的提高和技術(shù)的進(jìn)步，太陽能電池用硅單晶、硅單晶片的技術(shù)指標(biāo)發(fā)生了很大的變化，為了規(guī)范相關(guān)的產(chǎn)品，更好地為光伏硅材料生產(chǎn)企業(yè)服務(wù)，有必要對(duì)國家標(biāo)準(zhǔn)《太陽能電池用硅單晶》和《太陽能電池用硅單晶片》進(jìn)行修訂。

圖1 準(zhǔn)方形硅單晶的端面示意圖

表1 準(zhǔn)方形硅單晶的端面尺寸 單位為毫米

圖2 方形硅單晶的端面示意圖

表2 方形硅單晶的端面尺寸 單位為毫米

3.1 GB/T 25076《太陽能電池用硅單晶》主要內(nèi)容

國家標(biāo)準(zhǔn)《太陽能電池用硅單晶》是對(duì)GB/T 25076-2010《太陽電池用硅單晶》的修訂，由有研半導(dǎo)體材料有限公司牽頭起草。為統(tǒng)一太陽能電池相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)的名稱，在征求各相關(guān)單位的同意后，此次修訂將標(biāo)準(zhǔn)名稱由《太陽電池用硅單晶》修改為《太陽能電池用硅單晶》。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了太陽能電池用硅單晶的牌號(hào)、分類、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則以及標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、貯存、質(zhì)量證明書和訂貨單（或合同）內(nèi)容。本標(biāo)準(zhǔn)適用于直拉摻雜制備的圓形硅單晶經(jīng)加工制成的準(zhǔn)方形或方形硅單晶。產(chǎn)品經(jīng)切割成硅片后進(jìn)一步制作太陽能電池。

（1）外形尺寸

太陽能電池片分為單晶片和鑄錠多晶片兩大類。太陽能電池采用的硅單晶大都采用直拉法生長，該生產(chǎn)工藝決定了目前硅單晶錠只能做成圓的。隨著技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展，出現(xiàn)了方形硅單晶片，由于不同的下游用戶要求的具體端面尺寸指標(biāo)也多有不同，標(biāo)準(zhǔn)修訂中參照SEMI PV22-0817《太陽能電池用硅片規(guī)范》，將目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品（如156I、156Ⅱ、156Ⅲ）和未來最新的發(fā)展方向（如161.75、210.75）列入標(biāo)準(zhǔn)。修訂后的準(zhǔn)方形硅單晶的端面尺寸具體見圖1、表1，增加的方形硅單晶的端面尺寸具體見圖2、表2。

（2）電學(xué)性能

硅單晶電學(xué)性能的具體指標(biāo)見表3。

表3 電學(xué)性能

使用直拉法制造硅單晶的過程中需要加入摻雜劑，由于摻雜的濃度不同，硅單晶的電阻率也會(huì)不同。同時(shí)，因?yàn)楹罄m(xù)用戶采用不同的工藝、生產(chǎn)的電池結(jié)構(gòu)不同而對(duì)電阻率的要求區(qū)別較大。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)編制過程中各相關(guān)單位的意見和現(xiàn)行產(chǎn)品的實(shí)際要求，將電阻率下限由0.5Ω·cm改為P型0.2Ω·cm，N型0.1Ω·cm。此次修訂未對(duì)徑向電阻率變化進(jìn)行修改。

少數(shù)載流子壽命和太陽能電池轉(zhuǎn)換效率直接相關(guān)。影響硅單晶少子壽命的主要因素有硅單晶內(nèi)的雜質(zhì)和缺陷，而多晶硅原料的純度、熱屏和加料器材質(zhì)等都會(huì)影響硅單晶內(nèi)的雜質(zhì)和缺陷。近年來太陽能電池廠家使用的微波光電導(dǎo)測(cè)試設(shè)備，測(cè)得的壽命值不僅僅包含非平衡少數(shù)載流子，也含有多子的貢獻(xiàn)，因此該方法測(cè)得的壽命嚴(yán)格的說應(yīng)被稱為“載流子復(fù)合壽命”。在不強(qiáng)調(diào)壽命測(cè)試方法的前提下設(shè)置壽命指標(biāo)是沒有意義的，所以本標(biāo)準(zhǔn)中注明了性能參數(shù)要求指標(biāo)中的壽命是采用微波光電導(dǎo)方法測(cè)試得到的載流子復(fù)合壽命。同時(shí)，在本標(biāo)準(zhǔn)中注明“對(duì)電阻率、徑向電阻率變化以及載流子復(fù)合壽命有其他要求時(shí)，由供需雙方協(xié)商解決”。這樣無論在指標(biāo)上還是測(cè)試方法上都解決了不同測(cè)試方法測(cè)量壽命存在差異的問題，至于針對(duì)不同的測(cè)試方法獲得的壽命指標(biāo)應(yīng)該如何要求，還是由供需雙方協(xié)商確定。

（3）晶向及晶向偏離度

太陽能電池用硅單晶最常用的晶向?yàn)椋?00＞，這是由于沿＜100＞晶向拉制易于獲得長尺寸、低缺陷的硅單晶，而且容易在后續(xù)通過堿溶液腐蝕獲得不同的絨面結(jié)構(gòu)。此次修訂未對(duì)硅單晶的晶向及晶向偏離度進(jìn)行修改。

（4）氧含量及碳含量

氧是直拉硅單晶中以間隙態(tài)存在的主要雜質(zhì)，過高的氧容易在硅中形成氧施主和氧沉淀，導(dǎo)致電阻虛高，影響電學(xué)性能，并產(chǎn)生黑心低效和光衰減現(xiàn)象。因此，對(duì)于高效太陽能電池來講，降低氧含量是提高硅單晶內(nèi)在品質(zhì)的主要改善指標(biāo)之一。本次標(biāo)準(zhǔn)修訂中提高了氧含量要求，并對(duì)不同導(dǎo)電類型的硅單晶間隙氧含量賦予不同的指標(biāo)，另外，在標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中，明確了氧含量的定義，為避免與硅中的全部狀態(tài)下的氧含量混淆，將原標(biāo)準(zhǔn)中的氧含量改為間隙氧含量。

碳也會(huì)影響后續(xù)產(chǎn)品的電學(xué)性能，與氧含量類似，碳含量也存在代位碳之外的形態(tài)，因此將原標(biāo)準(zhǔn)中碳含量改為代位碳含量，并在碳含量的指標(biāo)上有了提高，將不同導(dǎo)電類型的代位碳含量賦予不同的指標(biāo)。

（5）晶體完整性

硅單晶內(nèi)部的晶體缺陷會(huì)影響載流子壽命，進(jìn)而影響太陽能電池轉(zhuǎn)化效率。綜合考慮目前大部分廠家的生產(chǎn)水平，本次修訂未對(duì)位錯(cuò)密度進(jìn)行修改，僅增加了“無滑移位錯(cuò)”的要求。

（6）體金屬含量

硅單晶中的金屬含量可能來源于多晶、拉晶的原輔材料以及拉晶過程中的沾污，而金屬含量高不僅影響太陽能電池的性能，也會(huì)帶來缺陷的問題。在本次修訂時(shí)增加了硅單晶的體金屬含量項(xiàng)目。

（7）表面質(zhì)量

由于硅單晶經(jīng)切割后直接獲得硅單晶片，硅單晶的表面質(zhì)量會(huì)直接影響后續(xù)硅單晶片的質(zhì)量和成品率，所以在本次修訂中增加了表面質(zhì)量的要求。

3.2 GB/T26071《太陽能電池用硅單晶片》主要內(nèi)容

國家標(biāo)準(zhǔn)《太陽能電池用硅單晶片》是對(duì)GB/T 26071—2010《太陽能電池用硅單晶切割片》的修訂，是與標(biāo)準(zhǔn)《太陽能電池用硅單晶》配套使用的，由浙江省硅材料質(zhì)量檢驗(yàn)中心牽頭起草。由于太陽能電池用硅單晶片加工過程只有切割片一種，且目前行業(yè)中的習(xí)慣叫法都是太陽能電池用硅單晶片，所以在標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中各相關(guān)單位一致同意將標(biāo)準(zhǔn)名稱由《太陽能電池用硅單晶切割片》改為《太陽能電池用硅單晶片》。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了太陽能電池用硅單晶片（簡稱硅片）的牌號(hào)及分類、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、貯存、質(zhì)量證明書和訂貨單（或合同）內(nèi)容等。與《太陽能電池用硅單晶》相對(duì)應(yīng)，本標(biāo)準(zhǔn)適用于由直拉法制備的硅單晶加工成的準(zhǔn)方形或方形硅片，產(chǎn)品用于制作太陽能電池的襯底片。

（1）總則

直拉法生長的太陽能電池用硅單晶經(jīng)破方后獲得與后續(xù)的硅單晶片一樣的截面尺寸，再經(jīng)鋼線或金剛線切割后獲得硅單晶片，清洗后得到最終的成品。從硅單晶到硅單晶片的過程中，材料的電學(xué)性能、氧含量、碳含量、晶體完整性都沒有變化，而硅片的邊長、倒角、對(duì)角線長度（直徑）、垂直度、晶向及晶向偏離度的要求也與硅單晶一致，因此上述項(xiàng)目的具體要求與修訂后的《太陽能電池用硅單晶》保持一致。

（2）幾何參數(shù)

幾何參數(shù)是硅片的重要技術(shù)指標(biāo)之一。目前，太陽能硅片均采用多線切割，單位長度硅棒能夠產(chǎn)出硅片的數(shù)量為硅棒長度與槽距的比值。為了多產(chǎn)出硅片，需要盡可能的縮小槽距。由于金剛線切割較砂漿切割的效率高，單晶硅材料正率先快速轉(zhuǎn)向金剛線切割。根據(jù)行業(yè)市場(chǎng)需求，本次標(biāo)準(zhǔn)修訂中增加了硅片厚度“130±15、140±15、150±15、170±20”相對(duì)應(yīng)的要求，刪除了硅片厚度“220±20、240±20”相對(duì)應(yīng)的要求，具體見表4。

表4 幾何參數(shù) 單位為微米

翹曲度是硅片中位面上各點(diǎn)在軸向偏離參考平面的最大值與最小值之差。本標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合各企業(yè)的實(shí)際情況，對(duì)翹曲度指標(biāo)分級(jí)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募訃?yán)，由原來的翹曲度為≤75微米，修改為翹曲度為≤40或50微米。

（3）表面質(zhì)量

隨著光伏行業(yè)硅單晶切割使用的金剛線直徑減小，加工技術(shù)水平不斷提高，加工后太陽能電池用硅單晶片的表面質(zhì)量提到了很大的改善，為此，標(biāo)準(zhǔn)在修訂過程中對(duì)線痕深度的要求從“≤20μm”修改為“≤15μm”，缺口的要求改為“無”。

4 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的重要意義

《太陽能電池用硅單晶》和《太陽能電池用硅單晶片》作為太陽能電池原材料的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，是聯(lián)系光伏行業(yè)上下游的技術(shù)紐帶，在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中既考慮了客戶需求又保證了生產(chǎn)工藝的可控制性，是生產(chǎn)、科研中應(yīng)用廣泛和非常實(shí)用的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)在修訂過程中均參考了國際先進(jìn)企業(yè)的產(chǎn)品指標(biāo)和國內(nèi)外用戶的要求，技術(shù)指標(biāo)上綜合考慮了目前國內(nèi)外的技術(shù)水平，也與國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)接軌。《太陽能電池用硅單晶》還前瞻性的提出了對(duì)太陽能電池用硅單晶體內(nèi)金屬的測(cè)試。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合我國的實(shí)際生產(chǎn)和發(fā)展，給出了最新的指標(biāo)以及相應(yīng)的測(cè)試依據(jù)，均達(dá)到國際先進(jìn)水平，通過標(biāo)準(zhǔn)的建立，能夠進(jìn)一步規(guī)范市場(chǎng)，促進(jìn)光伏行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。