準單晶-太陽電池技術(shù)概況

1.準單晶技術(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行引晶，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)提拉得到目標晶向的單晶硅棒，所得產(chǎn)品僅含一個晶粒，具有低缺陷、高轉(zhuǎn)換效率等特點。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，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準單晶技術(shù)

準單晶技術(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，準單晶硅片晶界少，位錯密度低；太陽能電池轉(zhuǎn)換效率高達17.5%以上。與單晶硅片相比，準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．準單晶鑄錠技術(shù)

2.1實現(xiàn)方法

實現(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。這種方式的要點是精密控制定向凝固時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。因為需要控制的參數(shù)太多，無籽晶鑄錠工藝顯得尤為困難。

（2）有籽晶鑄錠。當下量產(chǎn)的準單晶技術(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。為了滿足準單晶鑄錠的要求，鑄錠爐必須有嚴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。目前已有多個廠家可以提供準單晶鑄錠設備，如紹興精功JJL500/JJL660/JJL800(G6),美國GTDSS450HP/DSS650(G5)，北京京運通JZ460/JZ660(G6)，德國ALDSCU450/SCU800，法國Cyberstar650/800。另外，歐美日廠家如REC（ALD改進型），SchottSolar（VGF），京瓷（VGF類型）都有專門設計的爐子，效果不錯。

其中ALD早期為BPsolar產(chǎn)品研發(fā)過設備。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行長晶。后由于其總公司將重點放在了化石燃料方面，Bpsolar終止了鑄錠單晶的研究。

準單晶產(chǎn)品單個晶粒面積可達整張硅片的90%以上，位錯密度比較低，部分硅片約95%及以上區(qū)域幾乎無位錯，邊緣存在帶狀分布高位錯區(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)域為多晶，其他區(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

準單晶產(chǎn)品也引發(fā)了各個企業(yè)對電池工藝的改進。硅片的晶向控制、位錯密度、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)達到了18.2%。然而由于堿制絨的各項異性，準單晶中尤其邊緣，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昱輝和晶澳準單晶電池片

4.準單晶技術(shù)的決定性因素

4.1技術(shù)研發(fā)要點

（1）溫度梯度改進。針對熱場研發(fā)以改良溫度梯度，同時還要注意熱場保護；

（2）晶種制備。研究發(fā)現(xiàn)，準單晶晶種制備方向?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，它決定準單晶是否能夠穩(wěn)定生產(chǎn)，因此需要一個與之對應的精準熔化控制設備。據(jù)了解，為獲得穩(wěn)定的控制工藝，鳳凰光伏開發(fā)了一套針對準單晶專用的晶種融化控制設備，可以在0.5mm的時候進入長晶階段；

（4）位錯密度。在很多生產(chǎn)過程中，效率衰減總是不可避免，為此把位錯密度控制到最低，是此項工藝的關(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)出的準單晶沒有可行的工藝路線，準單晶產(chǎn)品將只能處于實驗室階段；

（2）是穩(wěn)定的控制方法；

（3）精準熔化控制設備；

（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，成功實現(xiàn)全球準單晶第一次量產(chǎn)，且成本低于晶硅電池。

5.準單晶技術(shù)的意義

準單晶不僅是高效硅片的一種可行性方式，同時也是鑄錠廠降低成本的一個途徑。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，整個生產(chǎn)鏈的成本可因準單晶硅鑄錠技術(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，熟練的實際操作也必不可少。最后一個因素即高可靠性，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。

雖然準單晶具有各項優(yōu)勢，但從上述技術(shù)難點來看，其發(fā)展還存在諸多制約，還需要更多的技術(shù)突破以實現(xiàn)長遠發(fā)展。

6.結(jié)語

光伏設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，用先進設備滿足光伏行業(yè)的發(fā)展需求，是光伏設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單晶生產(chǎn)工藝與技術(shù)有著不同程度的研究與實踐應用。受益于準單晶，起步較早的企業(yè)將進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備市場增添了籌碼。

從長遠發(fā)展來看，隨著準單晶產(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。