準(zhǔn)單晶-太陽電池技術(shù)概況

1.準(zhǔn)單晶技術(shù)簡介

1.1傳統(tǒng)的單晶硅和多晶硅技術(shù)

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%，但是該方法對原料及操作要求高，且單次投料少，產(chǎn)品成本較高，太陽能電池衰減較大。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)勢相合。相較于多晶，準(zhǔn)單晶硅片晶界少，位錯(cuò)密度低；太陽能電池轉(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)鑄錠工藝對晶核初期成長控制過程要求很高。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。

2.2溫度控制和工藝控制

準(zhǔn)單晶鑄錠對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GTDSS450HP/DSS650(G5)，北京京運(yùn)通JZ460/JZ660(G6)，德國ALDSCU450/SCU800，法國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В渌麉^(qū)域根據(jù)長晶體情況，若長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。晶澳太陽能針對準(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)。針對熱場研發(fā)以改良溫度梯度，同時(shí)還要注意熱場保護(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，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，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)長遠(yuǎn)發(fā)展。

6.結(jié)語

光伏設(shè)備制造商們在未來將面臨巨大壓力。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，中國已經(jīng)超越了西方國家。國內(nèi)的幾家著名制造商均對準(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的地位，為競爭日益激烈的光伏設(shè)備市場增添了籌碼。

從長遠(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。