2017年我国光伏技术发展报告(1)

1 晶体硅材料研究进展

1.1 晶体硅材料发展概况

硅材料是半导体工业中重要且应用广泛的半导体材料，是微电子工业和光伏工业的基础材料，具有含量丰富、化学稳定性好、无污染等优点。

硅材料有多种晶体形式，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅等，应用于光伏领域的主要包括直拉单晶硅、薄膜非晶硅/微晶硅、铸造多晶硅、带状多晶硅等[1]。其中，直拉单晶硅和铸造多晶硅应用更为广泛，占太阳电池光伏材料90%以上的市场份额；而铸造多晶硅因其高产率和低成本的特点，使其市场份额又高于直拉单晶硅。

单晶硅和多晶硅的原料均来自高纯硅原生料。初始原料为石英砂(SiO2)，通过与焦炭在高温电炉里进行炭热还原反应，形成纯度在99%左右的金属硅，然后再经过三氯氢硅氢还原法(西门子法)、硅烷热分解法或二氯二氢硅还原法等技术提纯为高纯的多晶硅原料。

单晶硅制备技术主要有区熔单晶硅和直拉单晶硅2种。区熔单晶硅是利用感应线圈加热硅料形成区域熔化，达到提纯和生长单晶的目的。这种单晶硅纯度很高、电学性能均匀，但工艺繁琐、生产成本较高，一般不应用于太阳电池的规模化生产。直拉单晶硅是太阳电池用单晶硅的主要形式，通过在单晶炉中加热熔化高纯多晶硅原料，同时添加一定量的高纯掺杂剂(如硼、磷等)，再经过引晶、缩颈、放肩、等径和收尾等晶体生长阶段，生长成直拉单晶硅。近年来，为了提高直拉单晶硅的质量和产量，磁场辅助拉晶、连续加料、重加料和直拉三晶硅等技术被开发和应用。在单晶硅棒生长完成后，需要进行切断、滚圆、切片和清洗等工艺，以制备成太阳电池用单晶硅片。

铸造多晶硅是主要的硅太阳电池形式，它是利用浇铸或定向凝固的铸造技术，在方形石英坩埚内制备晶体硅材料。其生长简便，利于大尺寸、自动化制备，并且很容易直接切成方形硅片，材料损耗小，单位硅片能耗也较单晶硅低。另外，铸造多晶硅技术对硅原料的纯度容忍度比直拉单晶硅高。但是，其缺点是具有晶界、高密度位错、微缺陷和相对较高的杂质浓度，导致多晶硅太阳电池的转换效率较单晶硅太阳电池稍低。利用铸造技术制备多晶硅锭有两种工艺，一种是浇铸法，即在一个坩埚内熔化硅原料，然后浇铸在另一个经过预热的坩埚内冷却，通过控制冷却速率制备大晶粒的多晶硅锭；另一种是直接定向凝固法，即直接熔化硅料后通过定向凝固使溶体冷却。后一种方法可以通过控制热场生长取向较好的柱状多晶硅，生长过程易于控制，生长过程保持高温，热应力小，位错密度低。近年来，人们在此技术基础上发展了底部诱导成核的高效多晶技术[2]和底部引晶的铸造类单晶技术[3]，前者已成为目前主要的多晶硅制备技术。

单晶硅棒或多晶硅锭制备完成后，还需要通过多线切割技术切成合适厚度的硅片。传统的多线切割技术主要通过合金钢线带动碳化硅磨料来回切割硅块体，通过控制钢线之间的槽距来控制硅片厚度。整个线切割过程还需要聚乙二醇作为冷却液。通过回收碳化硅粉和聚乙二醇溶液可以降低切割成本并降低废液排放造成的环境污染。近年来，金刚线替代合金钢线进行多线切割的技术迅速发展起来，因金刚线机械强度高，不需要碳化硅粉作为切割辅料，也不需要聚乙二醇溶液，极大地降低了耗材成本，同时切割速度可提高一倍以上，切割硅料损耗也显著降低。2016年，金刚线切割在单晶硅片切割环节已全面替代钢线切割，但多晶硅片切割尚未大规模推广，这主要是由于金刚线切割多晶硅片制绒技术不成熟造成的。

硅片的尺寸主要有 125 mm×125 mm、156 mm×156 mm两种(方形或准方形)。硅片制备完成后，通过清洗、绒面制备、掺杂剂扩散工艺形成p-n结；再通过减反射层沉积、铝背场制备、丝网印刷正面和背面金属栅线、烧结等工艺制备成硅太阳电池；最后，通过将硅太阳电池串、并联，正反面EVA薄膜及背板、玻璃铺设，制备成硅光伏组件，从而形成晶体硅及太阳电池的完整产业链。图1是晶体硅太阳电池全产业链环节示意图。我国是全球太阳能晶体硅及电池的主要生产国家。从2008年开始，晶体硅、硅太阳电池及其组件的产量都稳居全球第一。2016年，我国多晶硅产量占全球总量的约49%，太阳电池和组件产量均占全球总量的70%以上，对太阳能光伏产业具有举足轻重的影响。

本章主要介绍了硅晶体和硅片的技术现状，重点阐述了2016年前后期技术的进展，并展望了今后技术的主要发展方向。

图1 晶体硅太阳电池全产业链环节示意图

1.2 晶体硅材料研究的国际进展

近年来，改良西门子法在不断改进，冷氢化技术已基本普及，发展趋势是实现更低的单位能耗和更高的产率。硅烷法流化床(FBR)技术具有综合电耗低(为西门子技术的1/3)的优势，2016年仍处于实验生产阶段，未见大规模生产销售报道。此外，国际上有一些新的晶体硅技术出现，下文进行简要介绍。

日本Kazuo Nakajima研究组提出了一种新颖的无接触坩埚法生长大尺寸单晶硅[4]。在传统的多晶铸造炉中运用特殊的热场和子晶，生长超大尺寸的单晶硅锭，如图2所示。在生长过程中单晶棒不与坩埚壁接触，因此不需要氮化硅涂层，目前其可以生长45 cm直径的硅棒。采用同样的电池工艺，p型硅片可以获得平均18.9%的转换效率，而对比的普通的p型直拉硅片转换效率为20%；若制备n型硅片，则平均转换效率为19.3%，对比的n型直拉硅片的转换效率为20%。这种方法产量高，转换效率也高于普通的铸造多晶硅片，具有一定的产业化前景。

图2 无接触多晶坩埚法制备的大尺寸单晶硅

1366科技提出的直接硅片技术(Direct Wafer®)是Kerfless硅片的一种，其过程无需铸锭、无需切片，直接从硅的熔体中生长硅片。该公司在美国波士顿的展示工厂拥有3台全自动的硅片生产设备，目前可实现20 s/片的出片速率。在2016年，1366科技完成了超过15万片硅片的制造，并将其制备成电池和组件，供应日本的一个商业化电站项目。这一直接生长工艺经过7年开发，研发投入超过1亿美金，是Kerfless硅片众多尝试中唯一达到可量产阶段的技术。直接硅片法目前生产的是标准 156 mm×156 mm、180～200 µm 厚度的硅片，其尺寸和厚度均可以容易地进行调节。在薄片化方面，这一技术采用了“薄片加厚边”的3D硅片解决方案(见图3)，但该方案还有待下游组件客户的进一步评估或工艺匹配。该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，硅片含税价格有望低至1.5元/片(硅料以100元/kg计)；同时，对多晶硅材料的节约极大地降低了光伏制造产业链中的能源消耗，缩短了能源回收期。光电转换效率方面，1366科技于2016年底公布了19.6%的高效率，该电池是由其与韩华Q-cells采用PERC工艺制作，电池绝对效率较上一个纪录提升了0.5%。直接硅片技术不仅可以很容易地改变掺杂体，且可实现掺杂体在硅片厚度方向上的浓度梯度，在硅片内部实现Drift Field，这一技术为直接硅片效率提升提供了很大的空间。1366科技公布的技术路线显示，其效率可超越目前的高效多晶(HPM)。接下来，该技术的发展将围绕量产、降低制造成本和提升产品效率3个方面展开。1366科技计划与中国的合作企业一起建立10 GW直接硅片厂，持续通过降低设备制造成本和提升生产速率降低硅片制造成本，并通过继续研发提升产品效率。

图3 1366科技的3D硅片示意图

1.3 晶体硅材料研究的国内进展

1.3.1 多晶硅原料研究进展

2016年国内多晶硅原料技术进展主要体现在以下几方面。

1.3.1.1 改良西门子法制备多晶硅技术进展

1)通过还原炉的大型化和沉积工艺的精细设计，提升了单炉产量，持续降低还原电耗和综合电耗。

从国内新建的多晶硅企业来看，目前主流的沉积设备——还原炉均已采用更大型的设备，棒对数达到36对棒、40对棒，甚至48对棒，相比于原有的12对棒和24对棒还原炉，极大提升了单炉产量；目前主流设备的单炉产量可达7～12 t；多晶硅还原电耗从2009年的120 kWh/kg-Si降低到目前的45 kWh/kg-Si以下，最低可达到40 kWh/kg-Si以下；综合电耗从200 kWh/kg-Si降低到60 kWh/kg-Si以下，下降幅度达70%以上。随着现有工艺的进一步优化和提升，改良西门子法全流程的综合电耗有望降低到55 kWh/kg-Si以下，综合电耗仍有下降空间。

2)冷氢化技术被普遍采用。冷氢化技术已成为国内多晶硅企业处理副产物四氯化硅的主流技术。经过2011～2013年国际光伏危机的洗礼，目前国内在运行的多晶硅企业均已实施了冷氢化技术改进。近两年来，全国新增的采用冷氢化技术生产三氯氢硅的能力达到145万t/年，其中由江苏中能硅业科技发展有限公司设计开发的全球单套产能最大的冷氢化装置，年产能达到15万t，并已稳定生产，目前正在开发单套年产能20万t的冷氢化装置。采用冷氢化技术生产三氯氢硅电耗约 0.5 kWh/kg，与热氢化电耗 2～3 kWh/kg-TCS比较，氢化环节可节约能耗70%以上。

3)副产物综合利用。改良西门子法工艺中副产物包括四氯化硅和二氯二氢硅等。四氯化硅主要采用氢化技术将其变成三氯氢硅原料，经提纯后返回系统使用；副产物二氯二氢硅采用反歧化技术，与四氯化硅在催化剂作用下，反歧化生产三氯氢硅，经提纯后返回系统使用。通过两项技术的应用，大幅降低多晶硅生产过程中的原料消耗，按硅计算，硅耗已从1.35 kg/kg多晶硅降低到1.2 kg/kg以下，降低幅度达10%以上。

4)精馏系统优化与综合节能。采用高效筛板与填料组合的加压精馏提纯技术和热偶合技术，将一个塔的高温原料气体用于加热另一个塔的进料，使塔底蒸汽消耗和塔顶循环水消耗大幅度降低，从而降低整体能耗45%～70%。据悉，江苏中能硅业科技发展有限公司将在新建精馏提纯系统中首次应用隔板塔对物料进行提纯，该技术具有节能、分离效率高、产品纯度高等优点。

5)安全与环保。多晶硅生产过程中，曾经被认为是一个“高污染”的行业，甚至将四氯化硅“妖魔化”，实际上四氯化硅是生产多晶硅的原料，经过氢化系统后可以转化为三氯氢硅返回系统循环使用，有利于降低成本。这些年，国内企业提升技术、加强管理，环保部门常态化在线监测，再加上民众的环保意识加强，污染企业早无生存之地。现存多晶硅企业厂区洁净，环境优美，物料闭路循环，污染问题已然杜绝。

1.3.1.2 硅烷流化床法制备多晶硅原料的技术进展

1)硅烷制备技术。在建的硅烷生产工艺都以三氯氢硅为原料，采用两步歧化法生产硅烷，副产四氯化硅通过冷氢化技术再转化为三氯氢硅进入反应体系。2014年，江苏中能硅业科技发展有限公司建成了国内首条硅烷生产线，年产能达到1.2万t，生产工艺成熟、稳定，以其为原料制备的颗粒硅产品纯度均在9 N以上。

2)硅烷流化床法颗粒硅生产技术。与传统改良西门子法多晶硅生产工艺相比，硅烷流化床法颗粒硅生产技术具有能耗低、可连续化生产、无需破碎、装填密度大等优点，并且可以方便地用于铸锭和拉晶的连续加料系统。江苏中能硅业科技发展有限公司是目前国内唯一拥有该技术的企业，该公司在中试装置基础上曾先后设计开发出年产 1000 t和3000 t的第2、3代流化床反应器，并已完成第3代流化床反应器的生产调试，所生产的颗粒硅产品粒度、纯度、硅烷转化率等指标均达到设计要求。该公司正在设计开发第4代流化床反应器，装置投用后，计划2017年实现1万t的颗粒硅年产能。有报道称，2014年陕西有色集团与挪威REC旗下公司REC Silicon签署战略协议，合资建设年产1.8万t的颗粒硅生产线，然而到目前为止，该项目仍未见有投产的报道。

1.3.2 单晶提拉技术进展

单晶生长技术目前主要有直拉(CZ)法、磁场直拉(MCZ)法、直拉区熔(CFZ)法3种，各具优劣。其中，由于MCZ法在CZ拉晶设备的基础上增加了磁场装置，抑制了熔体对流，使单晶中氧含量明显降低；但MCZ法运行成本相对较高，磁场设备投资较大；CFZ法则是在生产成本远较CZ法昂贵的区熔(FZ)法制备单晶的基础上，增加了直拉设备拉制多晶棒工艺环节，以便获得低成本的原料棒，CFZ法可以获得更低的氧含量，但总的设备投资较大，工艺更为复杂。因此，由于上述两种拉晶工艺目前的成本较高，尚未实现大规模产业化推广。而CZ法由于成本优势得到了规模化应用，目前占据着单晶产业化的主导地位，技术在持续发展进步当中。

1.3.2.1 单晶设备的进展

单晶炉作为单晶生长的核心设备，直接决定了拉晶的产能及晶体品质。2015年以来，先进企业通过对单晶炉的优化改造，国内8英寸直拉单晶棒的长度已经突破4000 mm。国内单晶企业通过对单晶炉设备的优化开发，不但在关键部件上实现了自主研发生产，而且还通过系统的优化实现工艺的完善和发展，拉晶成本持续降低。

1.3.2.2 热场部件的优化

在优化设备的同时，热场部件的优化开发一直在持续进行中。主要方向包括：改进早期热场存在的不利于单晶生长的问题，使热场设计更趋于合理；结合新出现的热场材料，设计低功耗、长寿命、高拉速的全新热场。直拉单晶中，石英坩埚的一次性消耗和拆装炉的耗时，在成本费用中占很大比例。国内企业开发的长寿命石英坩埚，连续拉晶时间可以达到200 h以上。通过优化多次加料的拉晶工艺，设计出新型加料器，配合长寿命石英坩埚，可很大程度上实现石英坩埚利用率，大幅度提高生产效率。

1.3.2.3 拉晶工艺的改善

在优化拉晶设备和热场的基础上，CZ法拉晶工艺技术得到快速提升发展。国内先进企业通过大装料、高拉速、多次拉晶等工艺技术的快速突破与推广应用，大幅提高了投料量和单炉产量，显著降低了拉晶成本。2016年，CZ法单晶生长速度已经达到1.4 mm/min，并且在多次加料条件下，直拉硅单晶的24英寸热场大投料量可达到400 kg 以上，平均可达到 340～350 kg；26 英寸热场单晶炉大投料量已能达到700 kg以上，每炉可拉3支晶棒，单位电耗可控制在36 kW/kg左右。

1.3.2.4 单晶品质的提升

随着光伏市场的日益发展，硅片作为光伏组件关键材料之一，对其品质的要求越来越高。太阳电池用直拉硅单晶硅片的质量，主要以提高少子寿命增强光电转换效率为前提。而氧是直拉单晶硅中的主要杂质，它来源于熔硅与石英坩埚的反应，属于直拉单晶硅中不可避免的杂质。生产高品质硅片，主要从以下方面进行：降低单晶氧碳含量、降低单晶氧施主浓度、提高单晶少子寿命、降低单晶光致衰减。

对于p型单晶的光致衰减问题，目前普遍认为主要是由于硼氧复合体引起的。国内先进单晶生产企业通过对热场及拉晶工艺的改进，优化单晶生长环境，有效降低晶体的间隙氧含量，可有效地将p型普通电池的光致衰减控制在2%左右。

对于碳的控制，通过对炉内氩气及挥发性气体定向流动控制，减少CO、CO2等气体进入硅熔体；采用具有SiC涂层热场部件，有效阻止坩埚、硅蒸汽等与石墨的反应，进而有效降低了单晶中碳的含量。

少子寿命是衡量太阳电池转换效率的关键参数。提高硅单晶寿命主要是拉晶过程中防止深能级杂质污染，避免铜、铁等金属和原料接触。通过严格要求单晶炉的保温筒、坩埚、加热器等热场部件的金属杂质含量，能够有效减少晶体中的缺陷及杂质，提高单晶少子寿命。

总体而言，在单晶效率提升、成本快速下降的双重驱动下，单晶技术还有很大的发展空间。未来随着高效电池技术的不断出现，如p型PERC电池技术，以及n型硅片的逐步产业化，预计全球单晶产品需求将会从2015年的9 GW水平快速成长至未来的30 GW以上。

1.3.3 多晶铸造技术进展

晶体生长过程是从形核开始的，即首先在母相中形成与拟生长的晶体具有相同的结构且在给定的晶体生长条件下热力学稳定的晶核，随后通过晶核的长大实现晶体的生长。尽管与后续的生长过程相比，形核过程是短暂的，但是从原理上，形核是与生长不同的过程。研究表明，多晶硅片中的位错主要来源于晶体初始形核时在某些特定晶向上产生的位错，并且在后续的晶体生产过程中，这些位错不断的增殖放大。因此，控制晶体初始形核的大小和晶粒方向是实现提高硅锭质量的前提和基础。常规多晶铸锭方法，初始的形核是随机的、自由的，并不是优化的晶粒和晶向，而且晶粒尺寸不一，局部缺陷密度高，“短板”效应拉低了整个硅片的效率。针对此缺点，近年来行业里面普遍采用小晶粒高效多晶铸锭技术进行铸锭生产，即通过一定方法实现初始形核时形成均匀的小晶粒，降低初始形核位错密度，增加特定晶界密度，抑制位错繁殖[5]。

目前实现小晶粒多晶硅片的技术主要可分为半融法和全融法两种工艺。所谓半融法，即在坩埚底部铺设籽晶，诱导形核，硅料融化后期，调整工艺保持籽晶部分融化，晶体从籽晶向上生长，得到高质量的硅锭。籽晶材料一般为碎硅片、硅烷法颗粒料、小尺寸的改良西门子原生多晶硅料等。

多晶铸锭技术在2016年发展是渐变性的，无特别的显著技术发展。行业在铸锭炉的升级上主要是在已有炉体上升级更大的热场，这主要体现在G5改G6、G6改G7上，行业有极少量的G8炉在使用。目前使用规模大的为G6炉，其装料量在 850～900 kg，能耗约 7.5 kWh/kg；G7 炉装料量在 1100～1200 kg，能耗约 7 kWh/kg；G8装料量在 1500～1600 kg，能耗约 6.5 kWh/kg。每一代炉子的铸锭成本下降率是递减的，G8炉由于需要配套的坩埚、开方机、上下料设备等，其推广应用速度相对较慢。

在铸锭炉的设计上，多电源热场开始引入多晶炉，有侧面，上部分开的双电源加热热场，也有加上底部加热的三电源热场。在冷却方式上，气冷(石墨块)、水冷盘等冷却方式也开始引入到新的铸锭炉中，其目的是更好地控制温度场和冷却速率。 (待续)