2017年我國(guó)光伏技術(shù)發(fā)展報(bào)告(1)

1 晶體硅材料研究進(jìn)展

1.1 晶體硅材料發(fā)展概況

硅材料是半導(dǎo)體工業(yè)中重要且應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體材料，是微電子工業(yè)和光伏工業(yè)的基礎(chǔ)材料，具有含量豐富、化學(xué)穩(wěn)定性好、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。

硅材料有多種晶體形式，包括單晶硅、多晶硅和非晶硅等，應(yīng)用于光伏領(lǐng)域的主要包括直拉單晶硅、薄膜非晶硅/微晶硅、鑄造多晶硅、帶狀多晶硅等[1]。其中，直拉單晶硅和鑄造多晶硅應(yīng)用更為廣泛，占太陽(yáng)電池光伏材料90%以上的市場(chǎng)份額；而鑄造多晶硅因其高產(chǎn)率和低成本的特點(diǎn)，使其市場(chǎng)份額又高于直拉單晶硅。

單晶硅和多晶硅的原料均來(lái)自高純硅原生料。初始原料為石英砂(SiO2)，通過(guò)與焦炭在高溫電爐里進(jìn)行炭熱還原反應(yīng)，形成純度在99%左右的金屬硅，然后再經(jīng)過(guò)三氯氫硅氫還原法(西門子法)、硅烷熱分解法或二氯二氫硅還原法等技術(shù)提純?yōu)楦呒兊亩嗑Ч柙稀?/p>

單晶硅制備技術(shù)主要有區(qū)熔單晶硅和直拉單晶硅2種。區(qū)熔單晶硅是利用感應(yīng)線圈加熱硅料形成區(qū)域熔化，達(dá)到提純和生長(zhǎng)單晶的目的。這種單晶硅純度很高、電學(xué)性能均勻，但工藝繁瑣、生產(chǎn)成本較高，一般不應(yīng)用于太陽(yáng)電池的規(guī)模化生產(chǎn)。直拉單晶硅是太陽(yáng)電池用單晶硅的主要形式，通過(guò)在單晶爐中加熱熔化高純多晶硅原料，同時(shí)添加一定量的高純摻雜劑(如硼、磷等)，再經(jīng)過(guò)引晶、縮頸、放肩、等徑和收尾等晶體生長(zhǎng)階段，生長(zhǎng)成直拉單晶硅。近年來(lái)，為了提高直拉單晶硅的質(zhì)量和產(chǎn)量，磁場(chǎng)輔助拉晶、連續(xù)加料、重加料和直拉三晶硅等技術(shù)被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。在單晶硅棒生長(zhǎng)完成后，需要進(jìn)行切斷、滾圓、切片和清洗等工藝，以制備成太陽(yáng)電池用單晶硅片。

鑄造多晶硅是主要的硅太陽(yáng)電池形式，它是利用澆鑄或定向凝固的鑄造技術(shù)，在方形石英坩堝內(nèi)制備晶體硅材料。其生長(zhǎng)簡(jiǎn)便，利于大尺寸、自動(dòng)化制備，并且很容易直接切成方形硅片，材料損耗小，單位硅片能耗也較單晶硅低。另外，鑄造多晶硅技術(shù)對(duì)硅原料的純度容忍度比直拉單晶硅高。但是，其缺點(diǎn)是具有晶界、高密度位錯(cuò)、微缺陷和相對(duì)較高的雜質(zhì)濃度，導(dǎo)致多晶硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率較單晶硅太陽(yáng)電池稍低。利用鑄造技術(shù)制備多晶硅錠有兩種工藝，一種是澆鑄法，即在一個(gè)坩堝內(nèi)熔化硅原料，然后澆鑄在另一個(gè)經(jīng)過(guò)預(yù)熱的坩堝內(nèi)冷卻，通過(guò)控制冷卻速率制備大晶粒的多晶硅錠；另一種是直接定向凝固法，即直接熔化硅料后通過(guò)定向凝固使溶體冷卻。后一種方法可以通過(guò)控制熱場(chǎng)生長(zhǎng)取向較好的柱狀多晶硅，生長(zhǎng)過(guò)程易于控制，生長(zhǎng)過(guò)程保持高溫，熱應(yīng)力小，位錯(cuò)密度低。近年來(lái)，人們?cè)诖思夹g(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展了底部誘導(dǎo)成核的高效多晶技術(shù)[2]和底部引晶的鑄造類單晶技術(shù)[3]，前者已成為目前主要的多晶硅制備技術(shù)。

單晶硅棒或多晶硅錠制備完成后，還需要通過(guò)多線切割技術(shù)切成合適厚度的硅片。傳統(tǒng)的多線切割技術(shù)主要通過(guò)合金鋼線帶動(dòng)碳化硅磨料來(lái)回切割硅塊體，通過(guò)控制鋼線之間的槽距來(lái)控制硅片厚度。整個(gè)線切割過(guò)程還需要聚乙二醇作為冷卻液。通過(guò)回收碳化硅粉和聚乙二醇溶液可以降低切割成本并降低廢液排放造成的環(huán)境污染。近年來(lái)，金剛線替代合金鋼線進(jìn)行多線切割的技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)，因金剛線機(jī)械強(qiáng)度高，不需要碳化硅粉作為切割輔料，也不需要聚乙二醇溶液，極大地降低了耗材成本，同時(shí)切割速度可提高一倍以上，切割硅料損耗也顯著降低。2016年，金剛線切割在單晶硅片切割環(huán)節(jié)已全面替代鋼線切割，但多晶硅片切割尚未大規(guī)模推廣，這主要是由于金剛線切割多晶硅片制絨技術(shù)不成熟造成的。

硅片的尺寸主要有 125 mm×125 mm、156 mm×156 mm兩種(方形或準(zhǔn)方形)。硅片制備完成后，通過(guò)清洗、絨面制備、摻雜劑擴(kuò)散工藝形成p-n結(jié)；再通過(guò)減反射層沉積、鋁背場(chǎng)制備、絲網(wǎng)印刷正面和背面金屬柵線、燒結(jié)等工藝制備成硅太陽(yáng)電池；最后，通過(guò)將硅太陽(yáng)電池串、并聯(lián)，正反面EVA薄膜及背板、玻璃鋪設(shè)，制備成硅光伏組件，從而形成晶體硅及太陽(yáng)電池的完整產(chǎn)業(yè)鏈。圖1是晶體硅太陽(yáng)電池全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)示意圖。我國(guó)是全球太陽(yáng)能晶體硅及電池的主要生產(chǎn)國(guó)家。從2008年開(kāi)始，晶體硅、硅太陽(yáng)電池及其組件的產(chǎn)量都穩(wěn)居全球第一。2016年，我國(guó)多晶硅產(chǎn)量占全球總量的約49%，太陽(yáng)電池和組件產(chǎn)量均占全球總量的70%以上，對(duì)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)具有舉足輕重的影響。

本章主要介紹了硅晶體和硅片的技術(shù)現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述了2016年前后期技術(shù)的進(jìn)展，并展望了今后技術(shù)的主要發(fā)展方向。

圖1 晶體硅太陽(yáng)電池全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)示意圖

1.2 晶體硅材料研究的國(guó)際進(jìn)展

近年來(lái)，改良西門子法在不斷改進(jìn)，冷氫化技術(shù)已基本普及，發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)更低的單位能耗和更高的產(chǎn)率。硅烷法流化床(FBR)技術(shù)具有綜合電耗低(為西門子技術(shù)的1/3)的優(yōu)勢(shì)，2016年仍處于實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)階段，未見(jiàn)大規(guī)模生產(chǎn)銷售報(bào)道。此外，國(guó)際上有一些新的晶體硅技術(shù)出現(xiàn)，下文進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

日本Kazuo Nakajima研究組提出了一種新穎的無(wú)接觸坩堝法生長(zhǎng)大尺寸單晶硅[4]。在傳統(tǒng)的多晶鑄造爐中運(yùn)用特殊的熱場(chǎng)和子晶，生長(zhǎng)超大尺寸的單晶硅錠，如圖2所示。在生長(zhǎng)過(guò)程中單晶棒不與坩堝壁接觸，因此不需要氮化硅涂層，目前其可以生長(zhǎng)45 cm直徑的硅棒。采用同樣的電池工藝，p型硅片可以獲得平均18.9%的轉(zhuǎn)換效率，而對(duì)比的普通的p型直拉硅片轉(zhuǎn)換效率為20%；若制備n型硅片，則平均轉(zhuǎn)換效率為19.3%，對(duì)比的n型直拉硅片的轉(zhuǎn)換效率為20%。這種方法產(chǎn)量高，轉(zhuǎn)換效率也高于普通的鑄造多晶硅片，具有一定的產(chǎn)業(yè)化前景。

圖2 無(wú)接觸多晶坩堝法制備的大尺寸單晶硅

1366科技提出的直接硅片技術(shù)(Direct Wafer?)是Kerfless硅片的一種，其過(guò)程無(wú)需鑄錠、無(wú)需切片，直接從硅的熔體中生長(zhǎng)硅片。該公司在美國(guó)波士頓的展示工廠擁有3臺(tái)全自動(dòng)的硅片生產(chǎn)設(shè)備，目前可實(shí)現(xiàn)20 s/片的出片速率。在2016年，1366科技完成了超過(guò)15萬(wàn)片硅片的制造，并將其制備成電池和組件，供應(yīng)日本的一個(gè)商業(yè)化電站項(xiàng)目。這一直接生長(zhǎng)工藝經(jīng)過(guò)7年開(kāi)發(fā)，研發(fā)投入超過(guò)1億美金，是Kerfless硅片眾多嘗試中唯一達(dá)到可量產(chǎn)階段的技術(shù)。直接硅片法目前生產(chǎn)的是標(biāo)準(zhǔn) 156 mm×156 mm、180～200 μm 厚度的硅片，其尺寸和厚度均可以容易地進(jìn)行調(diào)節(jié)。在薄片化方面，這一技術(shù)采用了“薄片加厚邊”的3D硅片解決方案(見(jiàn)圖3)，但該方案還有待下游組件客戶的進(jìn)一步評(píng)估或工藝匹配。該方案可使硅片厚度降至100 μm以下，使硅片硅耗降至1.5 g/Wp，硅片含稅價(jià)格有望低至1.5元/片(硅料以100元/kg計(jì))；同時(shí)，對(duì)多晶硅材料的節(jié)約極大地降低了光伏制造產(chǎn)業(yè)鏈中的能源消耗，縮短了能源回收期。光電轉(zhuǎn)換效率方面，1366科技于2016年底公布了19.6%的高效率，該電池是由其與韓華Q-cells采用PERC工藝制作，電池絕對(duì)效率較上一個(gè)紀(jì)錄提升了0.5%。直接硅片技術(shù)不僅可以很容易地改變摻雜體，且可實(shí)現(xiàn)摻雜體在硅片厚度方向上的濃度梯度，在硅片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)Drift Field，這一技術(shù)為直接硅片效率提升提供了很大的空間。1366科技公布的技術(shù)路線顯示，其效率可超越目前的高效多晶(HPM)。接下來(lái)，該技術(shù)的發(fā)展將圍繞量產(chǎn)、降低制造成本和提升產(chǎn)品效率3個(gè)方面展開(kāi)。1366科技計(jì)劃與中國(guó)的合作企業(yè)一起建立10 GW直接硅片廠，持續(xù)通過(guò)降低設(shè)備制造成本和提升生產(chǎn)速率降低硅片制造成本，并通過(guò)繼續(xù)研發(fā)提升產(chǎn)品效率。

圖3 1366科技的3D硅片示意圖

1.3 晶體硅材料研究的國(guó)內(nèi)進(jìn)展

1.3.1 多晶硅原料研究進(jìn)展

2016年國(guó)內(nèi)多晶硅原料技術(shù)進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1.3.1.1 改良西門子法制備多晶硅技術(shù)進(jìn)展

1)通過(guò)還原爐的大型化和沉積工藝的精細(xì)設(shè)計(jì)，提升了單爐產(chǎn)量，持續(xù)降低還原電耗和綜合電耗。

從國(guó)內(nèi)新建的多晶硅企業(yè)來(lái)看，目前主流的沉積設(shè)備——還原爐均已采用更大型的設(shè)備，棒對(duì)數(shù)達(dá)到36對(duì)棒、40對(duì)棒，甚至48對(duì)棒，相比于原有的12對(duì)棒和24對(duì)棒還原爐，極大提升了單爐產(chǎn)量；目前主流設(shè)備的單爐產(chǎn)量可達(dá)7～12 t；多晶硅還原電耗從2009年的120 kWh/kg-Si降低到目前的45 kWh/kg-Si以下，最低可達(dá)到40 kWh/kg-Si以下；綜合電耗從200 kWh/kg-Si降低到60 kWh/kg-Si以下，下降幅度達(dá)70%以上。隨著現(xiàn)有工藝的進(jìn)一步優(yōu)化和提升，改良西門子法全流程的綜合電耗有望降低到55 kWh/kg-Si以下，綜合電耗仍有下降空間。

2)冷氫化技術(shù)被普遍采用。冷氫化技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)多晶硅企業(yè)處理副產(chǎn)物四氯化硅的主流技術(shù)。經(jīng)過(guò)2011～2013年國(guó)際光伏危機(jī)的洗禮，目前國(guó)內(nèi)在運(yùn)行的多晶硅企業(yè)均已實(shí)施了冷氫化技術(shù)改進(jìn)。近兩年來(lái)，全國(guó)新增的采用冷氫化技術(shù)生產(chǎn)三氯氫硅的能力達(dá)到145萬(wàn)t/年，其中由江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的全球單套產(chǎn)能最大的冷氫化裝置，年產(chǎn)能達(dá)到15萬(wàn)t，并已穩(wěn)定生產(chǎn)，目前正在開(kāi)發(fā)單套年產(chǎn)能20萬(wàn)t的冷氫化裝置。采用冷氫化技術(shù)生產(chǎn)三氯氫硅電耗約 0.5 kWh/kg，與熱氫化電耗 2～3 kWh/kg-TCS比較，氫化環(huán)節(jié)可節(jié)約能耗70%以上。

3)副產(chǎn)物綜合利用。改良西門子法工藝中副產(chǎn)物包括四氯化硅和二氯二氫硅等。四氯化硅主要采用氫化技術(shù)將其變成三氯氫硅原料，經(jīng)提純后返回系統(tǒng)使用；副產(chǎn)物二氯二氫硅采用反歧化技術(shù)，與四氯化硅在催化劑作用下，反歧化生產(chǎn)三氯氫硅，經(jīng)提純后返回系統(tǒng)使用。通過(guò)兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，大幅降低多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中的原料消耗，按硅計(jì)算，硅耗已從1.35 kg/kg多晶硅降低到1.2 kg/kg以下，降低幅度達(dá)10%以上。

4)精餾系統(tǒng)優(yōu)化與綜合節(jié)能。采用高效篩板與填料組合的加壓精餾提純技術(shù)和熱偶合技術(shù)，將一個(gè)塔的高溫原料氣體用于加熱另一個(gè)塔的進(jìn)料，使塔底蒸汽消耗和塔頂循環(huán)水消耗大幅度降低，從而降低整體能耗45%～70%。據(jù)悉，江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司將在新建精餾提純系統(tǒng)中首次應(yīng)用隔板塔對(duì)物料進(jìn)行提純，該技術(shù)具有節(jié)能、分離效率高、產(chǎn)品純度高等優(yōu)點(diǎn)。

5)安全與環(huán)保。多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中，曾經(jīng)被認(rèn)為是一個(gè)“高污染”的行業(yè)，甚至將四氯化硅“妖魔化”，實(shí)際上四氯化硅是生產(chǎn)多晶硅的原料，經(jīng)過(guò)氫化系統(tǒng)后可以轉(zhuǎn)化為三氯氫硅返回系統(tǒng)循環(huán)使用，有利于降低成本。這些年，國(guó)內(nèi)企業(yè)提升技術(shù)、加強(qiáng)管理，環(huán)保部門常態(tài)化在線監(jiān)測(cè)，再加上民眾的環(huán)保意識(shí)加強(qiáng)，污染企業(yè)早無(wú)生存之地。現(xiàn)存多晶硅企業(yè)廠區(qū)潔凈，環(huán)境優(yōu)美，物料閉路循環(huán)，污染問(wèn)題已然杜絕。

1.3.1.2 硅烷流化床法制備多晶硅原料的技術(shù)進(jìn)展

1)硅烷制備技術(shù)。在建的硅烷生產(chǎn)工藝都以三氯氫硅為原料，采用兩步歧化法生產(chǎn)硅烷，副產(chǎn)四氯化硅通過(guò)冷氫化技術(shù)再轉(zhuǎn)化為三氯氫硅進(jìn)入反應(yīng)體系。2014年，江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司建成了國(guó)內(nèi)首條硅烷生產(chǎn)線，年產(chǎn)能達(dá)到1.2萬(wàn)t，生產(chǎn)工藝成熟、穩(wěn)定，以其為原料制備的顆粒硅產(chǎn)品純度均在9 N以上。

2)硅烷流化床法顆粒硅生產(chǎn)技術(shù)。與傳統(tǒng)改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝相比，硅烷流化床法顆粒硅生產(chǎn)技術(shù)具有能耗低、可連續(xù)化生產(chǎn)、無(wú)需破碎、裝填密度大等優(yōu)點(diǎn)，并且可以方便地用于鑄錠和拉晶的連續(xù)加料系統(tǒng)。江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司是目前國(guó)內(nèi)唯一擁有該技術(shù)的企業(yè)，該公司在中試裝置基礎(chǔ)上曾先后設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出年產(chǎn) 1000 t和3000 t的第2、3代流化床反應(yīng)器，并已完成第3代流化床反應(yīng)器的生產(chǎn)調(diào)試，所生產(chǎn)的顆粒硅產(chǎn)品粒度、純度、硅烷轉(zhuǎn)化率等指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該公司正在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)第4代流化床反應(yīng)器，裝置投用后，計(jì)劃2017年實(shí)現(xiàn)1萬(wàn)t的顆粒硅年產(chǎn)能。有報(bào)道稱，2014年陜西有色集團(tuán)與挪威REC旗下公司REC Silicon簽署戰(zhàn)略協(xié)議，合資建設(shè)年產(chǎn)1.8萬(wàn)t的顆粒硅生產(chǎn)線，然而到目前為止，該項(xiàng)目仍未見(jiàn)有投產(chǎn)的報(bào)道。

1.3.2 單晶提拉技術(shù)進(jìn)展

單晶生長(zhǎng)技術(shù)目前主要有直拉(CZ)法、磁場(chǎng)直拉(MCZ)法、直拉區(qū)熔(CFZ)法3種，各具優(yōu)劣。其中，由于MCZ法在CZ拉晶設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了磁場(chǎng)裝置，抑制了熔體對(duì)流，使單晶中氧含量明顯降低；但MCZ法運(yùn)行成本相對(duì)較高，磁場(chǎng)設(shè)備投資較大；CFZ法則是在生產(chǎn)成本遠(yuǎn)較CZ法昂貴的區(qū)熔(FZ)法制備單晶的基礎(chǔ)上，增加了直拉設(shè)備拉制多晶棒工藝環(huán)節(jié)，以便獲得低成本的原料棒，CFZ法可以獲得更低的氧含量，但總的設(shè)備投資較大，工藝更為復(fù)雜。因此，由于上述兩種拉晶工藝目前的成本較高，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣。而CZ法由于成本優(yōu)勢(shì)得到了規(guī)模化應(yīng)用，目前占據(jù)著單晶產(chǎn)業(yè)化的主導(dǎo)地位，技術(shù)在持續(xù)發(fā)展進(jìn)步當(dāng)中。

1.3.2.1 單晶設(shè)備的進(jìn)展

單晶爐作為單晶生長(zhǎng)的核心設(shè)備，直接決定了拉晶的產(chǎn)能及晶體品質(zhì)。2015年以來(lái)，先進(jìn)企業(yè)通過(guò)對(duì)單晶爐的優(yōu)化改造，國(guó)內(nèi)8英寸直拉單晶棒的長(zhǎng)度已經(jīng)突破4000 mm。國(guó)內(nèi)單晶企業(yè)通過(guò)對(duì)單晶爐設(shè)備的優(yōu)化開(kāi)發(fā)，不但在關(guān)鍵部件上實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)生產(chǎn)，而且還通過(guò)系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)工藝的完善和發(fā)展，拉晶成本持續(xù)降低。

1.3.2.2 熱場(chǎng)部件的優(yōu)化

在優(yōu)化設(shè)備的同時(shí)，熱場(chǎng)部件的優(yōu)化開(kāi)發(fā)一直在持續(xù)進(jìn)行中。主要方向包括：改進(jìn)早期熱場(chǎng)存在的不利于單晶生長(zhǎng)的問(wèn)題，使熱場(chǎng)設(shè)計(jì)更趨于合理；結(jié)合新出現(xiàn)的熱場(chǎng)材料，設(shè)計(jì)低功耗、長(zhǎng)壽命、高拉速的全新熱場(chǎng)。直拉單晶中，石英坩堝的一次性消耗和拆裝爐的耗時(shí)，在成本費(fèi)用中占很大比例。國(guó)內(nèi)企業(yè)開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)壽命石英坩堝，連續(xù)拉晶時(shí)間可以達(dá)到200 h以上。通過(guò)優(yōu)化多次加料的拉晶工藝，設(shè)計(jì)出新型加料器，配合長(zhǎng)壽命石英坩堝，可很大程度上實(shí)現(xiàn)石英坩堝利用率，大幅度提高生產(chǎn)效率。

1.3.2.3 拉晶工藝的改善

在優(yōu)化拉晶設(shè)備和熱場(chǎng)的基礎(chǔ)上，CZ法拉晶工藝技術(shù)得到快速提升發(fā)展。國(guó)內(nèi)先進(jìn)企業(yè)通過(guò)大裝料、高拉速、多次拉晶等工藝技術(shù)的快速突破與推廣應(yīng)用，大幅提高了投料量和單爐產(chǎn)量，顯著降低了拉晶成本。2016年，CZ法單晶生長(zhǎng)速度已經(jīng)達(dá)到1.4 mm/min，并且在多次加料條件下，直拉硅單晶的24英寸熱場(chǎng)大投料量可達(dá)到400 kg 以上，平均可達(dá)到 340～350 kg；26 英寸熱場(chǎng)單晶爐大投料量已能達(dá)到700 kg以上，每爐可拉3支晶棒，單位電耗可控制在36 kW/kg左右。

1.3.2.4 單晶品質(zhì)的提升

隨著光伏市場(chǎng)的日益發(fā)展，硅片作為光伏組件關(guān)鍵材料之一，對(duì)其品質(zhì)的要求越來(lái)越高。太陽(yáng)電池用直拉硅單晶硅片的質(zhì)量，主要以提高少子壽命增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率為前提。而氧是直拉單晶硅中的主要雜質(zhì)，它來(lái)源于熔硅與石英坩堝的反應(yīng)，屬于直拉單晶硅中不可避免的雜質(zhì)。生產(chǎn)高品質(zhì)硅片，主要從以下方面進(jìn)行：降低單晶氧碳含量、降低單晶氧施主濃度、提高單晶少子壽命、降低單晶光致衰減。

對(duì)于p型單晶的光致衰減問(wèn)題，目前普遍認(rèn)為主要是由于硼氧復(fù)合體引起的。國(guó)內(nèi)先進(jìn)單晶生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)對(duì)熱場(chǎng)及拉晶工藝的改進(jìn)，優(yōu)化單晶生長(zhǎng)環(huán)境，有效降低晶體的間隙氧含量，可有效地將p型普通電池的光致衰減控制在2%左右。

對(duì)于碳的控制，通過(guò)對(duì)爐內(nèi)氬氣及揮發(fā)性氣體定向流動(dòng)控制，減少CO、CO2等氣體進(jìn)入硅熔體；采用具有SiC涂層熱場(chǎng)部件，有效阻止坩堝、硅蒸汽等與石墨的反應(yīng)，進(jìn)而有效降低了單晶中碳的含量。

少子壽命是衡量太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵參數(shù)。提高硅單晶壽命主要是拉晶過(guò)程中防止深能級(jí)雜質(zhì)污染，避免銅、鐵等金屬和原料接觸。通過(guò)嚴(yán)格要求單晶爐的保溫筒、坩堝、加熱器等熱場(chǎng)部件的金屬雜質(zhì)含量，能夠有效減少晶體中的缺陷及雜質(zhì)，提高單晶少子壽命。

總體而言，在單晶效率提升、成本快速下降的雙重驅(qū)動(dòng)下，單晶技術(shù)還有很大的發(fā)展空間。未來(lái)隨著高效電池技術(shù)的不斷出現(xiàn)，如p型PERC電池技術(shù)，以及n型硅片的逐步產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計(jì)全球單晶產(chǎn)品需求將會(huì)從2015年的9 GW水平快速成長(zhǎng)至未來(lái)的30 GW以上。

1.3.3 多晶鑄造技術(shù)進(jìn)展

晶體生長(zhǎng)過(guò)程是從形核開(kāi)始的，即首先在母相中形成與擬生長(zhǎng)的晶體具有相同的結(jié)構(gòu)且在給定的晶體生長(zhǎng)條件下熱力學(xué)穩(wěn)定的晶核，隨后通過(guò)晶核的長(zhǎng)大實(shí)現(xiàn)晶體的生長(zhǎng)。盡管與后續(xù)的生長(zhǎng)過(guò)程相比，形核過(guò)程是短暫的，但是從原理上，形核是與生長(zhǎng)不同的過(guò)程。研究表明，多晶硅片中的位錯(cuò)主要來(lái)源于晶體初始形核時(shí)在某些特定晶向上產(chǎn)生的位錯(cuò)，并且在后續(xù)的晶體生產(chǎn)過(guò)程中，這些位錯(cuò)不斷的增殖放大。因此，控制晶體初始形核的大小和晶粒方向是實(shí)現(xiàn)提高硅錠質(zhì)量的前提和基礎(chǔ)。常規(guī)多晶鑄錠方法，初始的形核是隨機(jī)的、自由的，并不是優(yōu)化的晶粒和晶向，而且晶粒尺寸不一，局部缺陷密度高，“短板”效應(yīng)拉低了整個(gè)硅片的效率。針對(duì)此缺點(diǎn)，近年來(lái)行業(yè)里面普遍采用小晶粒高效多晶鑄錠技術(shù)進(jìn)行鑄錠生產(chǎn)，即通過(guò)一定方法實(shí)現(xiàn)初始形核時(shí)形成均勻的小晶粒，降低初始形核位錯(cuò)密度，增加特定晶界密度，抑制位錯(cuò)繁殖[5]。

目前實(shí)現(xiàn)小晶粒多晶硅片的技術(shù)主要可分為半融法和全融法兩種工藝。所謂半融法，即在坩堝底部鋪設(shè)籽晶，誘導(dǎo)形核，硅料融化后期，調(diào)整工藝保持籽晶部分融化，晶體從籽晶向上生長(zhǎng)，得到高質(zhì)量的硅錠。籽晶材料一般為碎硅片、硅烷法顆粒料、小尺寸的改良西門子原生多晶硅料等。

多晶鑄錠技術(shù)在2016年發(fā)展是漸變性的，無(wú)特別的顯著技術(shù)發(fā)展。行業(yè)在鑄錠爐的升級(jí)上主要是在已有爐體上升級(jí)更大的熱場(chǎng)，這主要體現(xiàn)在G5改G6、G6改G7上，行業(yè)有極少量的G8爐在使用。目前使用規(guī)模大的為G6爐，其裝料量在 850～900 kg，能耗約 7.5 kWh/kg；G7 爐裝料量在 1100～1200 kg，能耗約 7 kWh/kg；G8裝料量在 1500～1600 kg，能耗約 6.5 kWh/kg。每一代爐子的鑄錠成本下降率是遞減的，G8爐由于需要配套的坩堝、開(kāi)方機(jī)、上下料設(shè)備等，其推廣應(yīng)用速度相對(duì)較慢。

在鑄錠爐的設(shè)計(jì)上，多電源熱場(chǎng)開(kāi)始引入多晶爐，有側(cè)面，上部分開(kāi)的雙電源加熱熱場(chǎng)，也有加上底部加熱的三電源熱場(chǎng)。在冷卻方式上，氣冷(石墨塊)、水冷盤(pán)等冷卻方式也開(kāi)始引入到新的鑄錠爐中，其目的是更好地控制溫度場(chǎng)和冷卻速率。 (待續(xù))