準(zhǔn)單晶-太陽(yáng)電池技術(shù)概況
我們知道,單晶硅一般是采用直拉法(CZ法)制得,用特定晶向的單晶籽晶進(jìn)行引晶,經(jīng)過旋轉(zhuǎn)提拉得到目標(biāo)晶向的單晶硅棒,所得產(chǎn)品僅含一個(gè)晶粒,具有低缺陷、高轉(zhuǎn)換效率等特點(diǎn)。目前,單晶硅電池片大規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到18%,但是該方法對(duì)原料及操作要求高,且單次投料少,產(chǎn)品成本較高,太陽(yáng)能電池衰減較大。多晶硅主要是采用定向凝固方法制得,單次投料量大,具有易操作、低成本等特點(diǎn),電池片衰減比單晶硅片小很多,但在傳統(tǒng)鑄錠條件下,在鑄錠多晶中往往含有大量晶界及缺陷,使得多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率較單晶硅電池約低1.5%~2%。
1.2準(zhǔn)單晶技術(shù)
準(zhǔn)單晶技術(shù)的核心是單晶鑄錠技術(shù),采用鑄錠工藝生產(chǎn)出的類似單晶甚至全單晶的產(chǎn)品,將單晶硅及多晶硅的優(yōu)勢(shì)相合。相較于多晶,準(zhǔn)單晶硅片晶界少,位錯(cuò)密度低;太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率高達(dá)17.5%以上。與單晶硅片相比,準(zhǔn)單晶電池的光致衰減低約1/4~1/2;投爐料大,生產(chǎn)效率高,切片工藝簡(jiǎn)單,成本低。
2.準(zhǔn)單晶鑄錠技術(shù)
2.1實(shí)現(xiàn)方法
實(shí)現(xiàn)鑄錠單晶的方法有兩種,如下:
(1)無籽晶鑄錠。無籽晶引導(dǎo)鑄錠工藝對(duì)晶核初期成長(zhǎng)控制過程要求很高。一種方法是使用底部開槽的坩堝。這種方式的要點(diǎn)是精密控制定向凝固時(shí)的溫度梯度和晶體生長(zhǎng)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?yàn)樾枰刂频膮?shù)太多,無籽晶鑄錠工藝顯得尤為困難。
(2)有籽晶鑄錠。當(dāng)下量產(chǎn)的準(zhǔn)單晶技術(shù)大部分為有籽晶鑄錠。這種技術(shù)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(diào)節(jié)固液相的溫度梯度,確保單晶從籽晶位置開始生長(zhǎng)。
2.2溫度控制和工藝控制
準(zhǔn)單晶鑄錠對(duì)溫度控制和工藝控制提出了很高的要求。為了滿足準(zhǔn)單晶鑄錠的要求,鑄錠爐必須有嚴(yán)格的溫度梯度及凝固速度控制,適合的界面形狀,成核或單晶控制,流動(dòng)控制。目前已有多個(gè)廠家可以提供準(zhǔn)單晶鑄錠設(shè)備,如紹興精功JJL500/JJL660/JJL800(G6),美國(guó)GTDSS450HP/DSS650(G5),北京京運(yùn)通JZ460/JZ660(G6),德國(guó)ALDSCU450/SCU800,法國(guó)Cyberstar650/800。另外,歐美日廠家如REC(ALD改進(jìn)型),SchottSolar(VGF),京瓷(VGF類型)都有專門設(shè)計(jì)的爐子,效果不錯(cuò)。
其中ALD早期為BPsolar產(chǎn)品研發(fā)過設(shè)備。早在2006年,Bpsolar已圍繞鑄錠單晶這一主題做了較多工作,并開發(fā)了MONO2產(chǎn)品,其專利US2007/0169684A1報(bào)道了多種方法。其中有一種方法是將籽晶與硅料分開放置,將熔融硅液倒入鋪有籽晶的容器中進(jìn)行長(zhǎng)晶。后由于其總公司將重點(diǎn)放在了化石燃料方面,Bpsolar終止了鑄錠單晶的研究。
準(zhǔn)單晶產(chǎn)品單個(gè)晶粒面積可達(dá)整張硅片的90%以上,位錯(cuò)密度比較低,部分硅片約95%及以上區(qū)域幾乎無位錯(cuò),邊緣存在帶狀分布高位錯(cuò)區(qū)域,部分硅片中含亞晶現(xiàn)象。以昱輝virtuswafer產(chǎn)品為例:靠近坩堝面的區(qū)域?yàn)槎嗑?,其他區(qū)域根據(jù)長(zhǎng)晶體情況,若長(zhǎng)晶體情況較好的話基本為單晶,如圖1C所示。
圖1晶體大小在硅錠中的橫向分布
3.電池工藝的改進(jìn)
準(zhǔn)單晶產(chǎn)品也引發(fā)了各個(gè)企業(yè)對(duì)電池工藝的改進(jìn)。硅片的晶向控制、位錯(cuò)密度、碳氧濃度和雜質(zhì)分布,以及側(cè)邊問題會(huì)直接影響電池片效率。不同于普通多晶,準(zhǔn)單晶產(chǎn)品更適合堿制絨工藝,形成倒金字塔型織構(gòu)化表面,可顯著提高成品電池片效率。晶澳太陽(yáng)能針對(duì)準(zhǔn)單晶電池片發(fā)明了先酸制絨后堿制絨的特殊工藝,目前maple系列電池片效率已經(jīng)達(dá)到了18.2%。然而由于堿制絨的各項(xiàng)異性,準(zhǔn)單晶中尤其邊緣,非指定晶向處無法腐蝕,會(huì)在電池表面形成高亮區(qū)域,影響組件成品的外觀。
圖2昱輝和晶澳準(zhǔn)單晶電池片
4.準(zhǔn)單晶技術(shù)的決定性因素
4.1技術(shù)研發(fā)要點(diǎn)
(1)溫度梯度改進(jìn)。針對(duì)熱場(chǎng)研發(fā)以改良溫度梯度,同時(shí)還要注意熱場(chǎng)保護(hù);
(2)晶種制備。研究發(fā)現(xiàn),準(zhǔn)單晶晶種制備方向?qū)⒊蟪〉姆较虬l(fā)展;
(3)精確熔化控制。這一環(huán)節(jié)非常難以控制,它決定準(zhǔn)單晶是否能夠穩(wěn)定生產(chǎn),因此需要一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的精準(zhǔn)熔化控制設(shè)備。據(jù)了解,為獲得穩(wěn)定的控制工藝,鳳凰光伏開發(fā)了一套針對(duì)準(zhǔn)單晶專用的晶種融化控制設(shè)備,可以在0.5mm的時(shí)候進(jìn)入長(zhǎng)晶階段;
(4)位錯(cuò)密度。在很多生產(chǎn)過程中,效率衰減總是不可避免,為此把位錯(cuò)密度控制到最低,是此項(xiàng)工藝的關(guān)鍵;
(5)邊角多晶控制,即合理有效控制邊角多晶的比例;
(6)鑄錠良率提升。目前良率大約在40%~60%之間,還有待提高。
4.2量產(chǎn)決定性因素
(1)可行的工藝路線。如果開發(fā)出的準(zhǔn)單晶沒有可行的工藝路線,準(zhǔn)單晶產(chǎn)品將只能處于實(shí)驗(yàn)室階段;
(2)是穩(wěn)定的控制方法;
(3)精準(zhǔn)熔化控制設(shè)備;
(4)低廉的改造成本及生產(chǎn)成本,即在原有鑄錠爐的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型,從而降低成本。鳳凰光伏日前宣布,該公司通過改造GTSolarDDS450型號(hào)爐,成功實(shí)現(xiàn)全球準(zhǔn)單晶第一次量產(chǎn),且成本低于晶硅電池。
5.準(zhǔn)單晶技術(shù)的意義
準(zhǔn)單晶不僅是高效硅片的一種可行性方式,同時(shí)也是鑄錠廠降低成本的一個(gè)途徑。關(guān)于成本控制問題,眾所周知,在電池組件的利用率上,直拉單晶硅的硅棒呈圓柱狀,制作的光伏電池片需將四周切掉,組成的電池組件成品率為50%左右。相比較而言,準(zhǔn)單晶硅鑄錠為方形鑄錠,制作電池片的切片也是直角方形,組成的電池組件成品率約為65%。在工藝成本上,直拉單晶硅為160元/公斤,而準(zhǔn)單晶硅為60元/公斤。從光伏電池總成本上考慮,在硅原料、切片、組件等其他成本一定的前提下,整個(gè)生產(chǎn)鏈的成本可因準(zhǔn)單晶硅鑄錠技術(shù)降低10%。但要做到該技術(shù)的低成本,不僅需要掌握相關(guān)工藝及理論知識(shí),熟練的實(shí)際操作也必不可少。最后一個(gè)因素即高可靠性,核心表現(xiàn)為生產(chǎn)出來的產(chǎn)品能不能承受那么大的溫度差。
雖然準(zhǔn)單晶具有各項(xiàng)優(yōu)勢(shì),但從上述技術(shù)難點(diǎn)來看,其發(fā)展還存在諸多制約,還需要更多的技術(shù)突破以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。
6.結(jié)語(yǔ)
光伏設(shè)備制造商們?cè)谖磥韺⒚媾R巨大壓力。多方面研究生產(chǎn)工藝,用先進(jìn)設(shè)備滿足光伏行業(yè)的發(fā)展需求,是光伏設(shè)備制造商們的重要出路。目前,在單晶提拉、多晶鑄錠,尤其是準(zhǔn)單晶鑄錠技術(shù)上,中國(guó)已經(jīng)超越了西方國(guó)家。國(guó)內(nèi)的幾家著名制造商均對(duì)準(zhǔn)單晶生產(chǎn)工藝與技術(shù)有著不同程度的研究與實(shí)踐應(yīng)用。受益于準(zhǔn)單晶,起步較早的企業(yè)將進(jìn)一步鞏固其在鑄錠爐市場(chǎng)的地位,為競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的光伏設(shè)備市場(chǎng)增添了籌碼。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來看,隨著準(zhǔn)單晶產(chǎn)品的持續(xù)、規(guī)?;纳a(chǎn),必將有越來越多的新技術(shù)陸續(xù)投入量產(chǎn),如金剛線切割、全單晶鑄錠、直接薄硅片等等。
評(píng)論