铸锭单晶为什么还没有规模化?（下）

2020-05-25 13:24阅读：

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五、铸锭单晶的问题如何解决？

所有铸锭单晶中的问题，除开硅料和坩埚材料的质量问题外，都是在上面的晶体生长过程中产生的，要解决自然也要在晶体生长过程中来解决。而解决的手段只有两个：第一个，通过设备改造使设备在整个过程中能够满足铸锭单晶生长所需的所有的工艺条件；第二个，就是设计最优化的工艺使得在整个铸锭单晶生长过程中，单晶能够按照最佳质量方式生长，而多晶则不能形核生长，或者即便形核也使之消亡。
多晶硅铸锭炉并不适合铸锭单晶的生长，在现有的铸锭炉型中，是无法通过工艺改变来满足理想的铸锭单晶生长条件的。但是，只要对热场进行更换和改造，是能够使多晶硅铸锭炉用来进行理想的铸锭单晶的，至于铸锭炉其它部分如炉体、电源、真空系统则不必改动。鉴于热场的更换本来也是定期要进行的，所以，这对于想进行铸锭单晶的厂家是个不错的消息，因为需要增加的额外设备投入并不算大。当然，改造并不是更换热场那么简单，需要进行重新设计，增加很多机构，打造适合铸锭单晶生长的完美热场，并制订最有力单晶生长的工艺和温度环境，才能保证适合铸锭单晶的工艺条件的满足。
目前很多铸锭厂家在G5、G6的炉型上进行铸锭单晶试验效果不理想，在G7、G8炉型上试验结果好些，就简单得出结论认为大炉型才适合搞铸锭单晶。这个说法有些道理，但不准确。他们之所以得出这个结论，是因为铸锭单晶目前的问题大多出在边缘，也就是AB区，而从G5到G8四种坩埚的ABC区占整个硅锭的比例见下表：

铸锭单晶为什么还没有规模化?（下）

由上表可见坩埚越大，C区的数量占硅锭的总数量的比重也越大，而在现在各铸锭厂家的试验结果中，C区的单晶率较高，因此，他们就得出了坩埚越大越有利于铸锭单晶的结论。但其实，AB区出问题的概率大并不是必然的，而是炉体热场结构不当和工艺不当造成的，因此，单纯想通过增大坩埚提高铸锭单晶的单晶率，是个头脑简单的想法，而且不能解决根本问题。比如，就算G8的坩埚C区的比例占到56%，如果AB区的单晶率无法提高，最多也只能达到56%的可切片率（这还是去掉顶皮和边皮后的数据），依然不足以与直拉单晶进行竞争。这说明，采用大坩埚一定对铸锭单晶的质量提高是有利的，但并不是解决问题的根本办法。
根本的办法，还是要从炉体热场结构和铸锭单晶工艺解决。无论从理论还是到目前的实践来看，铸锭单晶都不会比直拉单晶更困难，而且铸锭的方式对单晶生长来说，比直拉单晶更有利。要做到这一点，就要对铸锭单晶的晶体生长过程和原理认真分析，而且根据其生长机理创造出最合理的热场结构和温度场变化工艺，就完全可以用铸锭单晶的方式生长出完全符合光伏高效电池所需要的理想地单晶，而且单晶率接近100%，可切片率在67%以上，甚至更高。除了热场外，在坩埚、籽晶的尺寸形状等方面也要进行相应的改造工作。鉴于原多晶硅铸锭厂家，只需花少量改造费用，就能进行铸锭单晶的生产，这不仅对现有多晶硅铸锭厂家是一个福音，对于整个光伏行业进一步降低成本也是有利的。
具体事宜，篇幅所限，此处不多叙述了。

六、多晶能够迎来高效电池吗？

前面提到，很多多晶铸锭厂现在已经开始计划将直拉单晶来作为新的产能扩张手段，而更多的多晶硅铸锭厂则在观望。这些厂为什么观望？原因有二：第一，对于铸锭单晶的迟疑；铸锭单晶是他们很看好的方向，而且也适合多晶硅铸锭厂搞，但可切片率的问题不解决，他们也不敢投入。第二，想观望一下多晶硅片有没有可能也搞出高效电池来。
现在谈谈上面第二个观望的原因，高效多晶电池能否出现？
我们回观光伏电池的效率提升的历史，就会发现，所有的提升光伏电池效率的技术，都是先在单晶硅片上突破，然后再在多晶硅片上突破的。那么这次基于单晶硅片的转换效率提高，能否在稍后一段时间转移到多晶硅片上来呢？如果能的话，那不如再等等，或者在这方面作些努力，这样，多晶硅片可能又能够凭借低成本重振雄风了呢？
要回答这个问题，我们先看看这一波导致单晶硅片效率大大提高的电池工艺。这次导致电池工艺提高有如下几种：PERC，PERT，TOPCON， HJT，BSF，MBB等等；见表3。

铸锭单晶为什么还没有规模化?（下）

表3中，与衬底掺杂类型(P型或N型)有关的技术是排它性的,只能选一个，不能多选。但与衬底无关的技术是可以与上面的技术叠加使用的，也可以相互叠加。例如，PERC 技术与Laser-SE、双面结技术、MBB等技术就可以叠加使用。
从表3中可见，与衬底无关的技术如SE、MBB、黑硅、双面结以及背电极等技术，都是可以在多晶硅片用来制作高效电池的，而且这几年也已经在尝试，有些是适用的，也取得了不错的效果；有些成本太高，性能价格比不合适。
但问题是，真正大幅提高效率的技术，如PERC、HJT、PERT、TOPCON到目前为止，都是在单晶硅片上适用的，而且这些技术还可以与那些与衬底无关的技术叠加使用。那么这些技术是否能够在多晶硅片上应用的？笔者就此问题与相关领域的研究专家探讨过。从理论上来说，应该是能够应用的，因为，多晶硅和多晶硅的区别主要在于晶粒之间的晶界较多，而单纯晶界对于转换效率的影响是比较小的，毕竟晶界的宽度（包括晶格畸变的区域）是很小的。但实际上，多晶硅的情况要远远复杂得多。因为目前多晶硅的铸锭工艺缘故，晶界只是多晶硅片中众多缺陷中的一种，晶粒间杂质富集，位错、晶格畸变、硬质点等缺陷附近的复合中心很多，此外由于大家心目中铸锭多晶的硅料要求比单晶低，菜花料、边皮料、回收料用的很多，这些低等级的硅料中金属杂质尤其是过渡金属的含量较高，这些杂质对于本征层、钝化、选择性发射极等机制的影响非常大，对于少数载流子的复合作用也特别大，因此，PERC、PERT、HJT、TOPCON的工艺都无法达到理想效果。
在2017年之前，多晶电池之所以与单晶电池效率相差不大，其中一个重要原因就是单晶电池的效率远远未到极限，因此各种缺陷对效率的影响差不多，多晶硅的那些缺陷对效率的影响并不突出，因此，多晶电池与单晶电池的效率相差不大。而随着各种单晶高效电池技术的成功应用，高效电池工艺对硅晶体的质量要求越来越高，对晶体中各种缺陷的容忍度越来越低，这个时候，多晶硅的那些缺陷就从原来的次要因素上升到主要因素，导致多晶电池的效率很难达到单晶电池的效率。我们知道，晶体硅电池的理论最高转换效率为34%，而目前实验室达到的最高转换效率为26.7%，现在HJT的规模化生产的平均效率已经超过24%，距离理论极限和实验室最高转换效率越来越接近。而距离极限越近，微小缺陷的影响就越突出。与单晶硅相比，多晶硅的缺陷要多很多。从这方面看，多经电池的效率今后虽然还会有所提高，但想达到单晶电池的效率，已经不可能了，而且多晶电池与单晶电池的差距会越来越大。
对于多晶硅铸锭厂来说，与其指望下游的电池片生产环节开发出更高效率的电池片，不如努力用现有的设备生产出更高质量的单晶。自己动手，丰衣足食。毕竟，如果铸锭单晶成功了，还要什么铸锭多晶呢？
[全文完]

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