太阳电池用晶体硅片及其技术标准发展现状

郑 璐，何凤琴，钱 俊，邓 薇

(黄河水电光伏产业技术有限公司，陕西西安710000)

太阳电池用晶体硅片及其技术标准发展现状

郑 璐，何凤琴，钱 俊，邓 薇

(黄河水电光伏产业技术有限公司，陕西西安710000)

介绍了目前太阳电池用晶体硅片及其技术标准的发展现状，分析了单多晶硅片的现状及发展趋势，分别介绍了单晶硅片向N型硅片、薄片化及大尺寸发展，以及多晶硅片向高效多晶方向迈进的趋势；梳理了单多晶硅片技术标准的现状与发展趋势，分析了单多晶硅片技术标准中存在的技术要求落后、参数设定包容性差，适用性偏低等诸多问题，对了解太阳能用单多晶硅片业内情况及单多晶硅片相应标准的制定都有重要的指导意义。

太阳电池；晶体硅片；技术标准

太阳电池是通过光电效应直接将太阳辐射能转换为电能的半导体器件，当今的太阳电池主要使用硅作为基体，根据硅基体的不同可分为晶体硅和非晶硅，晶体硅又分为单晶硅和多晶硅，硅基太阳电池占全球太阳电池总量的90%以上，单多晶硅电池占80%以上的太阳电池总量，为当前太阳能光伏生产应用的主流产品[1-2]。

晶体硅太阳电池的基底为单多晶硅片，作为太阳电池最重要的原材料，硅片的技术指标很大程度上决定了电池的质量。本文梳理了单多晶硅片技术标准的现状与发展趋势，分析了单多晶硅片技术标准中存在的技术要求落后、参数设定包容性差，适用性偏低等诸多问题。

1 单晶硅片现状及发展趋势

在光伏产业发展前期，单晶硅片凭借其高效率占据了太阳电池硅片市场的垄断地位。单晶硅片是使用高纯度的多晶硅材料拉制出单晶硅棒后切割而成，目前工业上使用的单晶硅棒生长方法有两种，分别是直拉法(Czochralski method，简称Cz)和区熔法(Float Zone method，简称Fz)，前者需要使用石英坩埚，后者不需要使用石英坩埚[3]，业界普遍使用直拉法制造单晶硅片。单晶硅片的特点是晶界、位错、缺陷和杂质浓度相对低，相应的单晶硅片的少子寿命高、产出电池转换效率高。与此同时，单晶硅片的生产能耗较大，工艺控制较困难，造成其成本较多晶硅片更高。根据掺杂剂的不同，单晶硅片又分为P型和N型，目前业内使用单晶硅片大都为P型硅片，主要使用的掺杂剂是三价硼元素；N型单晶硅片一般使用五价磷元素作为掺杂剂。

P型电池作为主流电池产品，其工艺技术发展较成熟，效率提升的空间已经十分有限，而随着N型电池的技术难题逐渐被克服，N型硅片越来越为业界所关注。N型硅片有许多优点，N型硅片的少子种类与P型不同，具有较长的少数载流子寿命，因此N型硅片的转换效率更高，且N型电池的稳定性更高，对金属污染的耐受力更强。此外，N型硅片不采用硼掺杂，没有硼氧对，电池功率的衰减也远低于常规P型电池。在价格方面，N型硅片凭借更高转换效率获得更多产品价格空间，售价一般高于P型硅片10%，而毛利率高出5%左右。当前的高效电池多采用N型硅片作为基体，并结合局部掺杂扩散、异质结、干法刻蚀、倒金字塔制绒、背面钝化点接触电极等技术来提升电池的转换效率。总体看来，成本是制约N型硅片市场占有率的最主要因素。国内量产N型单晶硅片的企业主要有中环股份、卡姆丹克、阳光能源、隆基股份等，据业内专家预测，N型单晶将取代P型单晶成为单晶硅片主流。

近年来，随着电池片生产技术的提升，硅片向着更薄的方向发展，采用更薄的硅片是减少损耗、降低成本的有效措施，是产业技术进步的表现，经过计算，60～100 μm厚度是太阳电池性能最佳厚度，在此厚度范围内，可以达到晶硅电池的最大理论效率[4]。20世纪70年代太阳电池硅片厚度为450～500 μm，而目前业界使用的硅片厚度为150～200 μm，很大程度上减少了硅原材料的使用，有效降低了成品电池的成本，是技术进步促进成本降低的重要范例。随着2011年以来光伏产品的大幅度下跌，单晶硅片价格的降低，性价比优势突出，根据SEMI(国际半导体设备材料产业协会)预测，2017年后，单晶硅片将成为晶硅的主流。

单晶硅片存在着规格不同、直径在200～210mm范围的产品，包括单晶硅片边长为156，156.75，160cm等多种规格。对于电池制造商来说，面对市场上多种规格的单晶硅片，虽然电池组件面积及功率输出有不同程度增加，但因标准不统一，设备改造成本及上下游沟通成本会增加，未必可以达到产线及供应链管理的最优情况；另外，因为规格种类不统一，量化生产的规模经济优势会削弱，成本达不到最佳水平。目前业界部分大型生产商针对该问题推出了统一的硅片尺寸规格，称为M1&M2硅片。统一了直径205、210mm单晶硅片产品的规格。单晶M1在156原片(面积23 895.03mm2)基础上增加了1.63%(面积达到24 284.35mm2)，相当于单片电池片面积、功率同比增加，假设电池片转换效率19.2%，单片功率电池片可达到4.66 W，比156原片增加0.07 W。单晶M2在156原片基础上增加了2.25%(面积达到24 431.55mm2)，相当于单片电池片面积、功率同比增加，假设电池片转换效率19.2%，单片功率电池片可达到4.69 W，比156原片增加0.1 W。单晶M1&M2有望使单晶组件的性价比得到提高。

2 单晶硅片技术标准现状

面对光伏行业发展的新形势，国内光伏标准存在的众多问题日益凸显，集中表现在标准技术水平落后于实际情况以及标准制订及修订滞后于技术现状。为了对单晶硅片技术标准进行深入分析，参考了包括单晶硅片的国家标准GB/T 26071-2010《太阳电池用单晶硅切割片》、GB/T 1553-2009《硅和锗体内少数载流子寿命测定光电导衰减法》、GB/T 1554-2009《硅晶体完整性化学择优腐蚀检验方法》、GB/T 1555-2009《半导体单晶晶向测定方法》等在内的一系列单晶硅片的国家标准以及《太阳电池用单晶硅片检验规则》地方标准、还有业内众多知名企业的单晶硅片产品技术标准。在此基础上，总结了现行标准存在的主要问题及评价了技术标准适用性。

目前单晶硅片产品国家标准、地方标准、知名企业标准在内容上大致均规定了太阳电池用单晶硅片的技术要求、试验方法和检验规则、标志、包装、运输、储存、质量说明书等内容，但其标准中存在着一些问题。

2.1 标准中技术要求总体落后

根据统计，对比单晶硅片国家标准、地方标准、知名企业标准中技术要求，可以发现当前技术指标处于滞后状态，与现实水平脱节，与市场发展不符，与业内目前的技术、生产及管理水平不相适应，制约了技术的发展与进步。在技术内容方面，各标准存在不同程度的问题。各标准中主要的技术指标存在的问题有：

(1)技术项目缺项，国家标准中碳、氧含量、裸片少子寿命、钝化少子寿命这些对硅片的质量有至关重要影响的技术指标，在技术要求中均未涉及，在地方标准和企业标准中同样存在少子寿命和钝化少子寿命缺项问题；

(2)技术参数滞后，例如国家标准中晶向技术要求<100>±2°，企业标准中偏离度要求各不相同，基本都处于±1°～±3°水平，各标准与目前的制造技术水平脱节，据调研数据晶向偏离度的控制水平已大约在±0.5°；地方标准、知名企业的标准中氧含量参数分布在 1.0×1018～1.3×1018atoms/cm3、碳含量处于5×1016～1.5×1017atoms/cm3，在现实生产中生产工艺的优化，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，地方标准、知名企业标准中，位错密度要求控制在2 000～3 000个/cm2以下水平，而当前的技术水平已可以控制在500～1 000个/cm2以下。

(3)质量技术参数差异大，例如硅片的机械性能，如厚度、弯曲度、翘曲度对电池产品的良品率有很大影响，是硅片及电池制造商都非常关注的技术指标，而各标准之间，该指标的参数差异非常大，如翘曲度存在50～100 μm的变化区间，无法切实有效地控制单晶硅片的质量。

2.2 标准中部分参数范围设定包容性差，适用度偏低

标准的包容性及适用度高低直接表现出该标准设立时的视野是否广阔并具有前瞻性。随着行业发展和技术进步，国家标准并没有被广泛使用，一些企业根据自己的生产实际情况对产品制定了企业标准以适应技术的快速发展，这些企业标准与国家标准或地方标准在技术参数方面差异性较大。

举例来说，电阻率是硅片一个重要的电性能参数，且该参数与电池生产工艺有一定匹配性，参数范围设定需要考虑到大部分企业的适用性。国家标准和企业标准中电阻率P型要求0.5～6 Ω·cm，部分企业P型要求0.7～4 Ω·cm和1～3 Ω·cm，部分地方标准P型要求0.5～3 Ω·cm。随着目前市场上大尺寸单晶硅片的引入，国家标准的适用范围已不适用，而在标准体系中均未涉及规范化的标准，从供应角度未必可以达到产线及供应链管理的最优点。

3 多晶硅片现状及发展趋势

多晶硅片是使用多晶硅料生成铸锭，再切片而来的。铸锭主要有三种工艺，分别是浇注法、定向凝固法和电磁铸造法，定向凝固法为当前主流铸锭方法。

多晶硅片虽然效率低于单晶硅片，但是在原材料质量及生产成本要求上都有很大的优势。多晶硅片生产对原料纯度要求较低，产出成品率高，相较于单晶硅片的工业化批量生产有很大的优势，并且由于硅方的形状导致多晶硅片原片的面积利用率更高，生产成本更低，以至于近年来多晶硅片产量迅速增长。多晶硅片在生产和成本上优势明显，但由于多晶硅锭生长过程中会产生很多晶界及内应力，使得多晶硅片内部存在较高的位错密度及杂质，造成多晶硅片均匀性较差，影响多晶电池片的电学性能，使得多晶硅片制得的电池效率较单晶硅片普遍低1%～4%。由此看来，多晶硅片的性能提升空间还很大，多晶硅材料中杂质和缺陷的研究受到重视，已经有很多相关的研究报道[5-8]。

目前广泛采用的定向凝固法铸造多晶硅通过控制垂直方向温度梯度得到生长取向性较好的柱状多晶铸锭[9]，降低了体内热应力，也降低了晶体内的位错密度。但是相比于单晶硅，其高密度位错、晶界、微缺陷及相对较高的杂质浓度大大降低了太阳电池的转换效率。为了规避多晶硅的高密度位错及缺陷带来的效率损失，铸造大晶粒的类单晶硅片和利用籽晶规律长晶的高效多晶硅片应运而生，不过类单晶的生产技术水平和生产成本还尚未得到市场认可，因此，生产具有低位错密度，高转换效率的高效多晶硅片将成为多晶硅的主要发展方向。与此同时，硅片生产设备的技术革新如金刚线切割等技术的普及也将推动晶体硅片的发展。

4 多晶硅片产品技术标准现状

多晶硅片的技术标准现状与单晶硅片类似，集中表现为标准技术水平的落后和标准修订的滞后。为了对多晶硅片产品标准进行深入分析，搜集并研究了关于多晶硅片产品的GB/T 29055-2012《太阳电池用多晶硅片》、GB/T 1558-2009《硅中代位碳原子含量红外吸收测量方法》、GB/T 6616-2009《半导体硅片电阻率及硅薄膜薄层电阻测定非接触涡流法》、GB/T 6618-2009《硅片厚度和总厚度变化测试方法》和GB/T 26068-2010《硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰减测试方法》在内的一系列单晶硅片的国家标准以及知名企业多晶硅片产品标准。在此基础上，总结了现行标准存在的主要问题，评价了技术标准适用性。

目前多晶硅片产品国家标准、知名企业标准在内容与结构上与单晶硅片标准类似，大致均规定了太阳电池用多晶硅片的技术要求、试验方法和检验规则等内容，也同样存在与单晶标准类似的技术标准落后于业内实际情况，标准中项目缺失，标准技术参数滞后、参数差异大的问题也明显存在。

5 结语

作为光伏产业最重要的原材料，太阳能用晶体硅片的质量至关重要，硅片的技术指标承担着控制硅片质量、提升行业技术水平的重要责任，随着太阳能光伏产品技术的进一步提升，硅片的技术指标应该适应于行业发展现状进行修订与调整，成为行业发展的航标与助力。

注：何凤琴与郑璐同为本文第一作者。

[1]章诗，王小平，王丽军.薄膜太阳能电池的研究进展[J].材料导报：综述篇，2010，24(5)：126-131.

[2]苏杰.晶体硅太阳能电池用硅片制备工艺及关键技术[J].云南冶金，2011，229(4)：53-56.

[3]田达晰.直拉单晶硅的晶体生长及缺陷研究[D].浙江：浙江大学，2009.

[4]杨德仁.太阳电池材料[M].北京：化学工业出版社，2006：156-191.

[5]SASAKIA A T，WAKABAYASHI F，TERADA Y，et al.Study on defects and impurities in cast-grown polycrystalline silicon substrates for solar cells[J].Physica B:Condensed Matter，2006，376: 236-239.

[6]BOUBAKER K.A new protocol for characterization of dislocations in photovoltaic polycrystalline silicon solar cells[J].Solar Energy Materials and Solar Cells，2007，91(14):1319-1325.

[7]钟根香，周浪，周潘兵，等.定向凝固多晶硅的结晶组织及晶体缺陷与杂质研究[J].材料导报，2008，22(12)：14-18.

[8]于丽君，段晋胜.多晶硅片少子寿命的影响因素研究与分析[J].材料制备工艺与设备，2012(7)：26-30.

[9]吴珊珊.太阳电池用铸造多晶硅结构缺陷和杂质的研究[D].浙江：浙江大学，2011.

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

郑璐(1985—)，女，陕西省人，工程师，主要研究方向为太阳电池技术。