太陽電池用晶體硅片及其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀

鄭 璐，何鳳琴，錢 俊，鄧 薇

(黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)有限公司，陜西西安710000)

太陽電池用晶體硅片及其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀

鄭 璐，何鳳琴，錢 俊，鄧 薇

(黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)有限公司，陜西西安710000)

介紹了目前太陽電池用晶體硅片及其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了單多晶硅片的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，分別介紹了單晶硅片向N型硅片、薄片化及大尺寸發(fā)展，以及多晶硅片向高效多晶方向邁進(jìn)的趨勢(shì)；梳理了單多晶硅片技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，分析了單多晶硅片技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中存在的技術(shù)要求落后、參數(shù)設(shè)定包容性差，適用性偏低等諸多問題，對(duì)了解太陽能用單多晶硅片業(yè)內(nèi)情況及單多晶硅片相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的制定都有重要的指導(dǎo)意義。

太陽電池；晶體硅片；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

太陽電池是通過光電效應(yīng)直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，當(dāng)今的太陽電池主要使用硅作為基體，根據(jù)硅基體的不同可分為晶體硅和非晶硅，晶體硅又分為單晶硅和多晶硅，硅基太陽電池占全球太陽電池總量的90%以上，單多晶硅電池占80%以上的太陽電池總量，為當(dāng)前太陽能光伏生產(chǎn)應(yīng)用的主流產(chǎn)品[1-2]。

晶體硅太陽電池的基底為單多晶硅片，作為太陽電池最重要的原材料，硅片的技術(shù)指標(biāo)很大程度上決定了電池的質(zhì)量。本文梳理了單多晶硅片技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，分析了單多晶硅片技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中存在的技術(shù)要求落后、參數(shù)設(shè)定包容性差，適用性偏低等諸多問題。

1 單晶硅片現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

在光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展前期，單晶硅片憑借其高效率占據(jù)了太陽電池硅片市場(chǎng)的壟斷地位。單晶硅片是使用高純度的多晶硅材料拉制出單晶硅棒后切割而成，目前工業(yè)上使用的單晶硅棒生長方法有兩種，分別是直拉法(Czochralski method，簡(jiǎn)稱Cz)和區(qū)熔法(Float Zone method，簡(jiǎn)稱Fz)，前者需要使用石英坩堝，后者不需要使用石英坩堝[3]，業(yè)界普遍使用直拉法制造單晶硅片。單晶硅片的特點(diǎn)是晶界、位錯(cuò)、缺陷和雜質(zhì)濃度相對(duì)低，相應(yīng)的單晶硅片的少子壽命高、產(chǎn)出電池轉(zhuǎn)換效率高。與此同時(shí)，單晶硅片的生產(chǎn)能耗較大，工藝控制較困難，造成其成本較多晶硅片更高。根據(jù)摻雜劑的不同，單晶硅片又分為P型和N型，目前業(yè)內(nèi)使用單晶硅片大都為P型硅片，主要使用的摻雜劑是三價(jià)硼元素；N型單晶硅片一般使用五價(jià)磷元素作為摻雜劑。

P型電池作為主流電池產(chǎn)品，其工藝技術(shù)發(fā)展較成熟，效率提升的空間已經(jīng)十分有限，而隨著N型電池的技術(shù)難題逐漸被克服，N型硅片越來越為業(yè)界所關(guān)注。N型硅片有許多優(yōu)點(diǎn)，N型硅片的少子種類與P型不同，具有較長的少數(shù)載流子壽命，因此N型硅片的轉(zhuǎn)換效率更高，且N型電池的穩(wěn)定性更高，對(duì)金屬污染的耐受力更強(qiáng)。此外，N型硅片不采用硼摻雜，沒有硼氧對(duì)，電池功率的衰減也遠(yuǎn)低于常規(guī)P型電池。在價(jià)格方面，N型硅片憑借更高轉(zhuǎn)換效率獲得更多產(chǎn)品價(jià)格空間，售價(jià)一般高于P型硅片10%，而毛利率高出5%左右。當(dāng)前的高效電池多采用N型硅片作為基體，并結(jié)合局部摻雜擴(kuò)散、異質(zhì)結(jié)、干法刻蝕、倒金字塔制絨、背面鈍化點(diǎn)接觸電極等技術(shù)來提升電池的轉(zhuǎn)換效率。總體看來，成本是制約N型硅片市場(chǎng)占有率的最主要因素。國內(nèi)量產(chǎn)N型單晶硅片的企業(yè)主要有中環(huán)股份、卡姆丹克、陽光能源、隆基股份等，據(jù)業(yè)內(nèi)專家預(yù)測(cè)，N型單晶將取代P型單晶成為單晶硅片主流。

近年來，隨著電池片生產(chǎn)技術(shù)的提升，硅片向著更薄的方向發(fā)展，采用更薄的硅片是減少損耗、降低成本的有效措施，是產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的表現(xiàn)，經(jīng)過計(jì)算，60～100 μm厚度是太陽電池性能最佳厚度，在此厚度范圍內(nèi)，可以達(dá)到晶硅電池的最大理論效率[4]。20世紀(jì)70年代太陽電池硅片厚度為450～500 μm，而目前業(yè)界使用的硅片厚度為150～200 μm，很大程度上減少了硅原材料的使用，有效降低了成品電池的成本，是技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)成本降低的重要范例。隨著2011年以來光伏產(chǎn)品的大幅度下跌，單晶硅片價(jià)格的降低，性價(jià)比優(yōu)勢(shì)突出，根據(jù)SEMI(國際半導(dǎo)體設(shè)備材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì))預(yù)測(cè)，2017年后，單晶硅片將成為晶硅的主流。

單晶硅片存在著規(guī)格不同、直徑在200～210mm范圍的產(chǎn)品，包括單晶硅片邊長為156，156.75，160cm等多種規(guī)格。對(duì)于電池制造商來說，面對(duì)市場(chǎng)上多種規(guī)格的單晶硅片，雖然電池組件面積及功率輸出有不同程度增加，但因標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，設(shè)備改造成本及上下游溝通成本會(huì)增加，未必可以達(dá)到產(chǎn)線及供應(yīng)鏈管理的最優(yōu)情況；另外，因?yàn)橐?guī)格種類不統(tǒng)一，量化生產(chǎn)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)會(huì)削弱，成本達(dá)不到最佳水平。目前業(yè)界部分大型生產(chǎn)商針對(duì)該問題推出了統(tǒng)一的硅片尺寸規(guī)格，稱為M1&M2硅片。統(tǒng)一了直徑205、210mm單晶硅片產(chǎn)品的規(guī)格。單晶M1在156原片(面積23 895.03mm2)基礎(chǔ)上增加了1.63%(面積達(dá)到24 284.35mm2)，相當(dāng)于單片電池片面積、功率同比增加，假設(shè)電池片轉(zhuǎn)換效率19.2%，單片功率電池片可達(dá)到4.66 W，比156原片增加0.07 W。單晶M2在156原片基礎(chǔ)上增加了2.25%(面積達(dá)到24 431.55mm2)，相當(dāng)于單片電池片面積、功率同比增加，假設(shè)電池片轉(zhuǎn)換效率19.2%，單片功率電池片可達(dá)到4.69 W，比156原片增加0.1 W。單晶M1&M2有望使單晶組件的性價(jià)比得到提高。

2 單晶硅片技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

面對(duì)光伏行業(yè)發(fā)展的新形勢(shì)，國內(nèi)光伏標(biāo)準(zhǔn)存在的眾多問題日益凸顯，集中表現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)水平落后于實(shí)際情況以及標(biāo)準(zhǔn)制訂及修訂滯后于技術(shù)現(xiàn)狀。為了對(duì)單晶硅片技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入分析，參考了包括單晶硅片的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26071-2010《太陽電池用單晶硅切割片》、GB/T 1553-2009《硅和鍺體內(nèi)少數(shù)載流子壽命測(cè)定光電導(dǎo)衰減法》、GB/T 1554-2009《硅晶體完整性化學(xué)擇優(yōu)腐蝕檢驗(yàn)方法》、GB/T 1555-2009《半導(dǎo)體單晶晶向測(cè)定方法》等在內(nèi)的一系列單晶硅片的國家標(biāo)準(zhǔn)以及《太陽電池用單晶硅片檢驗(yàn)規(guī)則》地方標(biāo)準(zhǔn)、還有業(yè)內(nèi)眾多知名企業(yè)的單晶硅片產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)存在的主要問題及評(píng)價(jià)了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)適用性。

目前單晶硅片產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、知名企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)容上大致均規(guī)定了太陽電池用單晶硅片的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、質(zhì)量說明書等內(nèi)容，但其標(biāo)準(zhǔn)中存在著一些問題。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)中技術(shù)要求總體落后

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)比單晶硅片國家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、知名企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中技術(shù)要求，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前技術(shù)指標(biāo)處于滯后狀態(tài)，與現(xiàn)實(shí)水平脫節(jié)，與市場(chǎng)發(fā)展不符，與業(yè)內(nèi)目前的技術(shù)、生產(chǎn)及管理水平不相適應(yīng)，制約了技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。在技術(shù)內(nèi)容方面，各標(biāo)準(zhǔn)存在不同程度的問題。各標(biāo)準(zhǔn)中主要的技術(shù)指標(biāo)存在的問題有：

(1)技術(shù)項(xiàng)目缺項(xiàng)，國家標(biāo)準(zhǔn)中碳、氧含量、裸片少子壽命、鈍化少子壽命這些對(duì)硅片的質(zhì)量有至關(guān)重要影響的技術(shù)指標(biāo)，在技術(shù)要求中均未涉及，在地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中同樣存在少子壽命和鈍化少子壽命缺項(xiàng)問題；

(2)技術(shù)參數(shù)滯后，例如國家標(biāo)準(zhǔn)中晶向技術(shù)要求<100>±2°，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中偏離度要求各不相同，基本都處于±1°～±3°水平，各標(biāo)準(zhǔn)與目前的制造技術(shù)水平脫節(jié)，據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)晶向偏離度的控制水平已大約在±0.5°；地方標(biāo)準(zhǔn)、知名企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)中氧含量參數(shù)分布在 1.0×1018～1.3×1018atoms/cm3、碳含量處于5×1016～1.5×1017atoms/cm3，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，目前氧含量可控制在1.0×1018atoms/cm3以下，碳含量可控制在5×1016atoms/cm3以下；另外，地方標(biāo)準(zhǔn)、知名企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，位錯(cuò)密度要求控制在2 000～3 000個(gè)/cm2以下水平，而當(dāng)前的技術(shù)水平已可以控制在500～1 000個(gè)/cm2以下。

(3)質(zhì)量技術(shù)參數(shù)差異大，例如硅片的機(jī)械性能，如厚度、彎曲度、翹曲度對(duì)電池產(chǎn)品的良品率有很大影響，是硅片及電池制造商都非常關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)，而各標(biāo)準(zhǔn)之間，該指標(biāo)的參數(shù)差異非常大，如翹曲度存在50～100 μm的變化區(qū)間，無法切實(shí)有效地控制單晶硅片的質(zhì)量。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)中部分參數(shù)范圍設(shè)定包容性差，適用度偏低

標(biāo)準(zhǔn)的包容性及適用度高低直接表現(xiàn)出該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立時(shí)的視野是否廣闊并具有前瞻性。隨著行業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，國家標(biāo)準(zhǔn)并沒有被廣泛使用，一些企業(yè)根據(jù)自己的生產(chǎn)實(shí)際情況對(duì)產(chǎn)品制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以適應(yīng)技術(shù)的快速發(fā)展，這些企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國家標(biāo)準(zhǔn)或地方標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)參數(shù)方面差異性較大。

舉例來說，電阻率是硅片一個(gè)重要的電性能參數(shù)，且該參數(shù)與電池生產(chǎn)工藝有一定匹配性，參數(shù)范圍設(shè)定需要考慮到大部分企業(yè)的適用性。國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中電阻率P型要求0.5～6 Ω·cm，部分企業(yè)P型要求0.7～4 Ω·cm和1～3 Ω·cm，部分地方標(biāo)準(zhǔn)P型要求0.5～3 Ω·cm。隨著目前市場(chǎng)上大尺寸單晶硅片的引入，國家標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍已不適用，而在標(biāo)準(zhǔn)體系中均未涉及規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)，從供應(yīng)角度未必可以達(dá)到產(chǎn)線及供應(yīng)鏈管理的最優(yōu)點(diǎn)。

3 多晶硅片現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

多晶硅片是使用多晶硅料生成鑄錠，再切片而來的。鑄錠主要有三種工藝，分別是澆注法、定向凝固法和電磁鑄造法，定向凝固法為當(dāng)前主流鑄錠方法。

多晶硅片雖然效率低于單晶硅片，但是在原材料質(zhì)量及生產(chǎn)成本要求上都有很大的優(yōu)勢(shì)。多晶硅片生產(chǎn)對(duì)原料純度要求較低，產(chǎn)出成品率高，相較于單晶硅片的工業(yè)化批量生產(chǎn)有很大的優(yōu)勢(shì)，并且由于硅方的形狀導(dǎo)致多晶硅片原片的面積利用率更高，生產(chǎn)成本更低，以至于近年來多晶硅片產(chǎn)量迅速增長。多晶硅片在生產(chǎn)和成本上優(yōu)勢(shì)明顯，但由于多晶硅錠生長過程中會(huì)產(chǎn)生很多晶界及內(nèi)應(yīng)力，使得多晶硅片內(nèi)部存在較高的位錯(cuò)密度及雜質(zhì)，造成多晶硅片均勻性較差，影響多晶電池片的電學(xué)性能，使得多晶硅片制得的電池效率較單晶硅片普遍低1%～4%。由此看來，多晶硅片的性能提升空間還很大，多晶硅材料中雜質(zhì)和缺陷的研究受到重視，已經(jīng)有很多相關(guān)的研究報(bào)道[5-8]。

目前廣泛采用的定向凝固法鑄造多晶硅通過控制垂直方向溫度梯度得到生長取向性較好的柱狀多晶鑄錠[9]，降低了體內(nèi)熱應(yīng)力，也降低了晶體內(nèi)的位錯(cuò)密度。但是相比于單晶硅，其高密度位錯(cuò)、晶界、微缺陷及相對(duì)較高的雜質(zhì)濃度大大降低了太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。為了規(guī)避多晶硅的高密度位錯(cuò)及缺陷帶來的效率損失，鑄造大晶粒的類單晶硅片和利用籽晶規(guī)律長晶的高效多晶硅片應(yīng)運(yùn)而生，不過類單晶的生產(chǎn)技術(shù)水平和生產(chǎn)成本還尚未得到市場(chǎng)認(rèn)可，因此，生產(chǎn)具有低位錯(cuò)密度，高轉(zhuǎn)換效率的高效多晶硅片將成為多晶硅的主要發(fā)展方向。與此同時(shí)，硅片生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)革新如金剛線切割等技術(shù)的普及也將推動(dòng)晶體硅片的發(fā)展。

4 多晶硅片產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

多晶硅片的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與單晶硅片類似，集中表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)水平的落后和標(biāo)準(zhǔn)修訂的滯后。為了對(duì)多晶硅片產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入分析，搜集并研究了關(guān)于多晶硅片產(chǎn)品的GB/T 29055-2012《太陽電池用多晶硅片》、GB/T 1558-2009《硅中代位碳原子含量紅外吸收測(cè)量方法》、GB/T 6616-2009《半導(dǎo)體硅片電阻率及硅薄膜薄層電阻測(cè)定非接觸渦流法》、GB/T 6618-2009《硅片厚度和總厚度變化測(cè)試方法》和GB/T 26068-2010《硅片載流子復(fù)合壽命的無接觸微波反射光電導(dǎo)衰減測(cè)試方法》在內(nèi)的一系列單晶硅片的國家標(biāo)準(zhǔn)以及知名企業(yè)多晶硅片產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)存在的主要問題，評(píng)價(jià)了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)適用性。

目前多晶硅片產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)、知名企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)容與結(jié)構(gòu)上與單晶硅片標(biāo)準(zhǔn)類似，大致均規(guī)定了太陽電池用多晶硅片的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則等內(nèi)容，也同樣存在與單晶標(biāo)準(zhǔn)類似的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)落后于業(yè)內(nèi)實(shí)際情況，標(biāo)準(zhǔn)中項(xiàng)目缺失，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)滯后、參數(shù)差異大的問題也明顯存在。

5 結(jié)語

作為光伏產(chǎn)業(yè)最重要的原材料，太陽能用晶體硅片的質(zhì)量至關(guān)重要，硅片的技術(shù)指標(biāo)承擔(dān)著控制硅片質(zhì)量、提升行業(yè)技術(shù)水平的重要責(zé)任，隨著太陽能光伏產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)一步提升，硅片的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該適應(yīng)于行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行修訂與調(diào)整，成為行業(yè)發(fā)展的航標(biāo)與助力。

注：何鳳琴與鄭璐同為本文第一作者。

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Development status of solar crystalline silicon wafer and its technical standards

The development status of solar crystalline silicon wafer and its technical standards was introduced.The status and development trend of solar silicon wafer were analyzed.The direction of N type wafer，thinner wafer and bigger wafer for mono silicon wafer and direction of high efficiency multi crystalline wafer for multi silicon wafer were introduced.The status and develop trend of silicon wafer technical standards were reviewed.The disadvantages of those technical standards were analyzed，having important guiding for learning the status of solar silicon wafer and corresponding standards.

solar cells;crystalline silicon wafer;technical standard

TM 914.4

A

1002-087 X(2016)04-0924-03

2015-09-12

鄭璐(1985—)，女，陜西省人，工程師，主要研究方向?yàn)樘栯姵丶夹g(shù)。