硅材料标准助力光伏产业发展——光伏用硅材料标准现状研究

杨素心

（有色金属技术经济研究院，北京 100089）

经过十余年的发展，我国的光伏产业实现了从无到有、从弱到强的跨越，产业化技术处于全球先进水平，前沿技术也开始加速布局。2019年，全球光伏新增装机市场约120GW，创历史新高；2020年，在光伏发电成本下降和新兴市场拉动等有利因素的推动下，预计全球光伏市场仍将保持增长。硅材料是光伏产业的基石，其质量的提升直接影响着光伏发电的效率和成本。我国已成为全球最大的光伏用硅材料生产基地，2019年我国多晶硅产量达34.2万吨，同比增长32.0%，全国硅片产量约为134.6GW，同比增长25.7%。光伏产业的迅速发展和对高质量的要求，促使硅材料生产工艺不断改革与创新，光伏用硅材料标准也受到了更为密切的关注。

1 标准概况

标准作为产品组织生产、检验和用户验收的依据，在产品的生产和贸易中起着举足轻重的作用。全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分技术委员会（以下简称半材标委）经过20余年的运行，在半导体材料领域深耕细作，在标准体系建设、协调服务以及平台建设等方面积极开展工作，取得了丰硕的成果。在光伏领域，半材标委围绕典型的硅材料、原辅材料、副产品、测试方法以及安全生产、能耗限额、资源综合利用、绿色制造等开展标准研究，目前已发布的光伏用硅材料相关标准有79项，包括基础标准6项、产品标准（含原辅材料、副产品）18项、方法标准51项、管理标准4项，平均标龄5.3年。由于硅材料发展较早，光伏用硅材料标准中的基础标准和方法标准很多都是随着电子级硅材料的发展建立起来的，其中随着光伏产业发展建立的标准有54项，这些标准在行业发展初始，起到了规范产品质量、促进行业交流及技术进步的重要作用。

硅材料作为光伏行业的基础原材料，近年来技术进步显著，硅材料的标准从内容到水平也发生了重大改变。本文特对光伏用多晶硅、硅块、硅片标准的现状和发展动态进行介绍与分析。

2 太阳能级多晶硅

作为光伏行业最基础的原材料，目前我国多晶硅的生产方法主要有改良西门子法和流化床法，但以改良西门子法为主的格局在短时间内不会有大的变化。

GB/T 25074-2017《太阳能级多晶硅》主要针对改良西门子法多晶硅，适用于以氯硅烷、硅烷为原料生长的棒状多晶硅或经破碎形成的块状多晶硅。标准中将改良西门子法多晶硅按外形分为块状和棒状，按导电类型分为n型和p型，根据关键技术指标的区别分为四级，并首次提出了特级品。半材标委秘书处曾联合标准主要起草人对GB/T 25074《太阳能级多晶硅》的2017年版与2010年版进行对比解读[1]，可供读者参考。GB/T 25074-2017产品标准中规定了多晶硅的电学性能、杂质含量、尺寸、表面质量等技术要求，其中除尺寸、表面质量外的技术指标都有适用的测试方法，但是部分方法标准已申报修订，并有新的测试方法可用，具体情况见表1。为了避免在实验室审核时产生歧义，标准中还在“试验方法”章单独明确了对多晶硅进行施主杂质浓度、受主杂质浓度、氧含量、碳含量、少数载流子寿命、导电类型、电阻率检验前，需按照GB/T 4059-2018《硅多晶气氛区熔基磷检验方法》、GB/T 4060-2018《硅多晶真空区熔基硼检验方法》或GB/T 29057-2012《用区熔拉晶法和光谱分析法评价多晶硅棒的规程》规定的方法制成单晶试样。

随着光伏产业的变化，多晶硅片厂商使用硅料比例降低，单晶硅片厂商按照n型单晶和p型单晶用多晶硅进行订货，但究其区别，不同用途的多晶硅仍然是关键技术指标的不同。在深化标准化工作改革的大背景下，是否有必要另行细化制定太阳能级多晶硅的产品标准将在后续标准化工作中探讨。由于光伏产业竞争加剧、多晶硅生产技术不断进步，多晶硅和硅片产能进一步集中，多晶硅供需双方都在GB/T 25074-2017标准的基础上加严控制技术指标。目前供需双方逐渐对多晶硅尺寸要求达成了共识，后续可根据应用情况在标准中对多晶硅尺寸进一步规范，其中块状多晶硅尺寸多用筛分法进行测试，鉴于尺寸的测试过程可能带来沾污，可考虑制定专用的尺寸测试方法标准，明确测试环境、干扰因素等。另外，多晶硅表面的粉尘对下游的使用影响较大，表面质量中可增加粉尘要求，同时考虑制定表面质量的测试方法标准。

2 流化床法颗粒硅

流化床法生产的颗粒硅投资少、成本低，但是金属杂质含量较高，目前主要用于单晶硅连续拉晶加料、多晶硅铸锭时填隙以增加投料量。目前国内江苏中能、天宏瑞科已经实现了颗粒硅的小批量生产，2018年6月亚洲硅业也攻克了氯硅烷制备颗粒硅的难题，中试线采用二氯二氢硅直接分解制备颗粒硅，生产工艺简化。

GB/T 35307-2017《流化床法颗粒硅》适用于以硅烷气为原料、采用流化床法生产的颗粒状多晶硅，标准中也根据技术指标的区别将颗粒硅分为四个等级，其中施主杂质浓度、受主杂质浓度、碳含量检测前，需按照GB/T 35309-2017《用区熔法和光谱分析法评价颗粒状多晶硅的规程》规定的方法将颗粒硅样品制备成单晶试样。相较于GB/T 25074-2017《太阳能级多晶硅》，颗粒硅标准中增加了氢含量的要求，这是由于生产工艺的特殊性导致颗粒硅中氢含量较高，而高含量的氢会带来安全隐患、降低后续产品质量。GB/T 35307-2017标准中规定的检验项目、检验方法以及目前检验方法的最新进展见表2。

表2 GB/T 35307-2017《流化床法颗粒硅》

近几年国内颗粒硅生产技术及质量水平明显提升，GB/T 35307-2017《流化床法颗粒硅》标准已不能有效指导产品生产以及满足客户需求。目前标准编制单位已经提出修订申请，将提高施受主杂质浓度、碳含量以及总金属杂质含量的要求，同时更新测试方法。与棒状多晶硅相比，颗粒硅的生产工艺更为简单，现阶段的产量低，直接相关的标准较少。随着未来颗粒硅市场和技术的变化，相关的标准体系可以参照改良西门子法多晶硅的进行完善，如制定《流化床法颗粒硅用籽晶》。

3 单晶硅块、硅片

早期单晶硅片因长晶炉投料量、生长速率、拉棒速度等方面的技术不够成熟，生产成本居高不下，而多晶硅锭使用铸锭技术成本优势明显而占据主要市场份额。近年来，得益于连续直拉单晶、金刚线切割等技术的应用，单晶硅片成本明显降低，而且单晶硅片具有单一晶向、无晶界、位错密度低等优点，其光电转换效率较多晶硅片高。2019年单晶硅片市场占比约65%，而随着光伏市场的不断发展，高效电池将成为市场主导，单晶硅片市场份额有望继续扩大。

GB/T 25076-2018《太阳能电池用硅单晶》、GB/T 26071-2018《太阳能电池用硅单晶片》分别适用于直拉掺杂制备的圆形硅单晶经加工制成的准方形或方形硅单晶，以及由硅单晶加工成的准方形或方形硅片。标准中规定硅单晶、硅单晶片按导电类型分为n型、p型两种，按照外形尺寸分为准方形和方形两种。准方形按其边长分为100.75mm、125.75mm、156I、156Ⅱ、156Ⅲ、161.75mm、210.75mm；方形按其边长分为100.75mm、125.75mm、156.75mm、210.75mm；其他尺寸规格可由供需双方协商确定。按照直径或边长对硅单晶进行分类品种太多，在标准中不可能涵盖目前市场上的所有规格，因此标准编制时参照SEMI PV22-0817《太阳能电池用硅片规范》，纳入行业主流产品和最新的发展方向。半材标委秘书处也曾对GB/T 25076、GB/T 26071的主要修订内容以及编制原则进行了解读[2]，可供参考。GB/T 25076-2018中规定的硅单晶的检验项目、检验方法以及目前检验方法的最新进展见表3。

直拉法生长的硅单晶经加工获得与后续的硅单晶片一样的截面尺寸，再经金刚线切割后获得硅单晶片。从硅单晶到硅单晶片的机械加工过程中，材料的电学性能、氧含量、碳含量、晶体完整性都没有变化，而硅片的边长、对角线长度（直径）、倒角长度、垂直度、晶向及晶向偏离度的要求也与硅单晶一致。GB/T 26071-2018中规定的单晶硅片的检验项目、检验方法以及目前检验方法的最新进展见表4。

单晶硅块、硅片产品标准在修订时，结合行业实际生产水平和下游客户需求情况，既纳入了市场上现行的主流产品，又考虑了最新的发展方向，目前标准中规定的产品技术指标基本适用，但测试方法存在问题。单晶硅块标准方面，主要体现为硅块的尺寸测试有自动测试仪测量和手动测量两种，但标准中未引用GB/T 37213-2018《硅晶锭尺寸的测定 激光法》，载流子复合寿命的测试主要使用非接触涡流法，标准规定与现行实际不符，但是目前已申报制定相应标准，再者表面质量的测试还未制定标准，可研究制定硅块的红外透视检测方法标准。单晶硅片标准方面，由于目前硅片的生产速度非常快，传统的离线测试手段已经无法满足需求，非接触式在线测试方法成熟，在硅片企业广泛应用，大大提高了测试效率，降低了生产成本，对应的方法标准也很完整。但是GB/T 26071-2018起草时未注意对该系列标准的引用，需要及时进行更新，具体对应情况见表4。

表3 GB/T 25076-2018《太阳能电池用硅单晶》

表4 GB/T 26071-2018《太阳能电池用硅单晶片》

4 多晶硅块、硅片

随着多晶硅铸锭和切片技术的不断发展，市场上对多晶电池效率的不断要求和企业对成本的不断管控，现在的多晶硅片已变得更加多样化，其尺寸、外形、电学性能参数都有了提升，未来预计主要向黑硅多晶、类单晶路线发展。GB/T 29054-2019《太阳能电池用铸造多晶硅块》、GB/T 29055-2019《太阳能电池用多晶硅片》分别适用于从铸造技术制备的硅锭上切割得到的多晶硅块以及多晶硅片，包括类单晶硅块和硅片。类单晶是结合直拉单晶和铸造多晶两者的优点发展起来的，目前基本采用籽晶诱导生长技术，即采用单晶硅块作为籽晶，以定向凝固法生长形成铸造多晶，该晶体具有明显与籽晶同方向的大晶粒，转换效率高于多晶。但是类单晶的电学性能、尺寸、外观等要求与传统多晶硅块基本一致，因此暂未单独编写标准。

GB/T 29054-2019中规定的铸造多晶硅块的检验项目、检验方法以及目前检验方法的最新进展见表5。由于多晶硅块及Ⅱ类类单晶硅块表面存在晶界，电阻率、载流子寿命、氧含量、碳含量测试时应尽量避开晶界区域，在中心区域的大晶粒范围内测试，而且测试值仅供参考。

表5 GB/T 29054-2019《太阳能电池用铸造多晶硅块》

表6 GB/T 29055-2019《太阳能电池用多晶硅片》

与单晶硅片类似，多晶硅片是由多晶硅块经金刚线切割而成，因此硅片的边长、倒角尺寸、导电类型、电阻率、载流子寿命、氧含量、碳含量与多晶硅块的要求一致，其中载流子寿命、氧含量、碳含量不再进行批检，质量由供方保证。GB/T 29055-2019中规定的多晶硅片的检验项目、检验方法以及目前检验方法的最新进展见表6。

与单晶硅块、硅片的标准类似，多晶硅块、硅片产品标准中的技术要求满足行业需要。方法标准方面，单晶硅块的尺寸、表面质量的测试问题与多晶硅块一样，而类单晶硅块的晶粒面积比例目前是通过对比样块人工目测判定，未实现自动检测，暂时无制定方法标准的技术基础；多晶硅片多采用在线自动测试，对应的方法标准完整、适用性强，其中类单晶硅片的晶粒面积比例已采用仪器测试，正研究制定相应的方法标准。

5 结束语

2020年3 月，国家能源局发布《关于2020年风电、光伏发电项目建设有关事项的通知》，2020年度新建光伏发电项目补贴预算总额度为15亿元，相比2019年补贴金额缩减一半。光伏发电降补贴，由高速发展向高质量转变，推进平价上网已是大势所趋。光伏用硅材料产品标准和方法标准基本齐全，最新的多晶硅、硅块、硅片的产品标准发布于2017～2019年，2010年前发布的多项方法标准也已提出修订，激烈的市场竞争，促使产业技术不断进步，产品标准将紧跟行业发展进行更新，新的测试方法也逐步提出制定。半材标委一直致力于推进行业标准化，助力产业发展，后续将继续加强标准实施情况调研，紧跟产业变化，从测试方法、原辅材料以及工艺技术规范、工业节能等方面进一步完善标准体系。