| 硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任楊德仁：單晶與多晶產(chǎn)品將共存 |
| 來源：國際能源網(wǎng) 時(shí)間：2018-11-6 9:09:33 用手機(jī)瀏覽 |
2018年11月1日至3日，“第十屆中國(無錫)國際新能源大會(huì)暨展覽會(huì)(CREC2018)”在無錫召開。本次大會(huì)由國家能源局、中國能源研究會(huì)指導(dǎo)，中國貿(mào)促會(huì)、江蘇省人民政府主辦，無錫市人民政府等承辦。中國科學(xué)院院士、硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、半導(dǎo)體研究所所長楊德仁在同期舉行的2018年全球新能源產(chǎn)業(yè)峰會(huì)上作了“鑄造單晶的現(xiàn)狀和發(fā)展”的主題演講。
楊德仁在演講中指出，隨著今后的發(fā)展單晶硅的份額將會(huì)增加的更多，而多晶硅的份額會(huì)一定量的減少。但是在市場上兩個(gè)產(chǎn)品將會(huì)在一定程度里面共存，誰也不會(huì)簡單消滅誰。
以下為楊德仁演講文字實(shí)錄：
楊德仁：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家、各位同仁上午好。首先感謝組委會(huì)邀請我來跟大家分享一下，關(guān)于最近硅材料一個(gè)重要的進(jìn)展，鑄造多晶硅相關(guān)的研究進(jìn)展。
在剛才會(huì)議上面我們很多領(lǐng)導(dǎo)和專家對(duì)太陽能的發(fā)展做了一個(gè)比較好的介紹，從這張圖上面也可以看到，太陽能是新能源一個(gè)重要的發(fā)展趨勢，這張圖顯示了歐盟做的一個(gè)預(yù)計(jì)，大概在2050年我們的太陽能發(fā)電在歐盟希望達(dá)到30%，而到2100年希望達(dá)到70%，因此太陽能光伏發(fā)電是今后新能源里面最重要的一個(gè)能源形勢。而這個(gè)能源形勢在我們國家，以及在過去十年當(dāng)中也得到了充分的顯示，這是過去十年當(dāng)中我們可以看到的，太陽能光伏安裝量的一個(gè)增加。
十年的期間增長了幾乎是10倍，我們從2006年當(dāng)年1.5個(gè)GW到去年接近100個(gè)GW，大概增長了整個(gè)的65倍，而我們中國的發(fā)展也是非常迅速的。到了去年我們中國的硅晶體，太陽能電池組件的市場份額在國際上都達(dá)到了60%-80%。
在快速發(fā)展當(dāng)中太陽能電池作為一個(gè)基礎(chǔ)，組件的基礎(chǔ)，電站的基礎(chǔ)無疑是最吸引人和吸引目光的。在這些太陽能電池材料當(dāng)中你可以看到，我們大致可以為幾類，一種是晶體硅，一種是非晶硅，一種是化合物半導(dǎo)體包括砷化鎵，以及今后將要發(fā)展的新概念太陽能電池。
但在這當(dāng)中現(xiàn)在的發(fā)展你可以看到，最主流的最重要的是晶體硅，它在市場的份額超過了90%以上，而非晶硅當(dāng)年達(dá)到10%，而去年僅僅占了全球的0.2%。我們在看這硅晶體的產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)來說我們這很多的專家比較熟，它是從硅石到金屬硅，然后再到純多晶硅，我們通過多種的方法給提純。也就是達(dá)到7個(gè)9，到9個(gè)9。在這種情況下，我們把這樣一個(gè)材料制備成晶體硅再做成太陽能電池，再做成組件。
所以今天我們在展覽會(huì)上看到很多組件企業(yè)的展覽，這個(gè)我們應(yīng)用終端的產(chǎn)品之一。我們今天要給大家講的是中間重要的材料，就是晶體硅。這種晶體硅它主要有兩種形式，一種我們稱為單晶，我們利用籽晶的方法進(jìn)行生長的。在2017年也就去年，大概占了全球的30%，另外一種是鑄造晶體硅，這也是我們江蘇協(xié)鑫做的非常棒的一個(gè)技術(shù)。在去年大概占了市場整個(gè)67%，可以看到這兩個(gè)加起來大概占了整個(gè)市場的96.5%，這樣我們可以毫不猶豫的說，硅材料決定了太陽能光伏的發(fā)展前景，在過去十年當(dāng)中中國的硅材料也得到了快速的發(fā)展，這張圖給大家看的是在2017年，全世界硅材料，硅晶體材料的前十強(qiáng)，你可以看到全部是中國的，這個(gè)十強(qiáng)生產(chǎn)的太陽能總共達(dá)到了65.4個(gè)GW產(chǎn)量，占了全球產(chǎn)量的62%。所以大家可以看到中國的硅材料對(duì)于全世界的硅材料太陽能光伏產(chǎn)業(yè)起著決定性作用。在一些企業(yè)當(dāng)中，第二行可以看到我們包括了兩種，一種是鑄造多晶硅，一種是直拉硅晶體，而這兩種有什么區(qū)別呢？
左邊是直拉的硅晶體，右邊是鑄造的多晶體這兩種的生長方法不一樣，通常而言對(duì)于直拉這種技術(shù)而言質(zhì)量好，太陽能電池效率高。因此高效的太陽能電池基本上用這種技術(shù)制備的，但是它相對(duì)成本要高，能耗要高一些。另外一個(gè)方法是鑄造多晶硅，它的成本低，但是它的能耗也低，但是相對(duì)質(zhì)量比較差一點(diǎn)，它的效率也低一點(diǎn)，因此這兩種材料在過去的十年當(dāng)中既是我們太陽能的主體材料，同樣它也在市場上展開了一個(gè)激烈的競爭。
很多人在問，究竟是多晶好，還是單晶好？做單晶的時(shí)候單晶好，做多晶的說多晶好。所以在這兩年的市場上競爭非常激烈，我們給大家看一看它究竟哪個(gè)好。兩個(gè)各有優(yōu)點(diǎn)，從歷史上去看，這個(gè)是從2000年開始到2017年，這兩種材料在市場一個(gè)份額紅色是單晶的，藍(lán)色是鑄造多晶，你可以看到其實(shí)一開始做成太陽能電池的時(shí)候就是單晶的沒有多晶的。到了上世紀(jì)80年代，90年代的時(shí)候鑄造多晶技術(shù)開始出現(xiàn)，出現(xiàn)以后你看它的份額逐漸增加，一直到2004年的時(shí)候，2003年的時(shí)候達(dá)到了最高點(diǎn)。占了全球市場的55%，然后又逐漸下降，到了2007年的時(shí)候又下降了40%左右，那時(shí)候單晶硅又漲到40%左右了，那個(gè)主要原因是由于中國大力發(fā)展的單晶硅。
在隨后的幾年當(dāng)中你也可以看到，鑄造多晶硅的份額又繼續(xù)增加。市場份額在不斷的增加，而鑄造多晶硅的份額也在不斷增加，而這個(gè)增加也是由于中國的鑄造多晶硅企業(yè)開始投資了，開始快速增長了。到了2015年以后你可以看到單晶硅的份額又在增加，所以它是一個(gè)政策市場技術(shù)和經(jīng)濟(jì)共同作用的一個(gè)結(jié)果，從技術(shù)上看，這是今后的趨勢，因?yàn)楦咝柲茈姵卣嫉谋壤龑?huì)越來越多。而效率越高對(duì)硅材料質(zhì)量的要求將會(huì)越高。所以我們刊印看到，底下深藍(lán)色的和藍(lán)色的這個(gè)是多晶硅，那么黃色和淺藍(lán)色是單晶硅，你可以看到隨著今后的發(fā)展單晶硅的份額將會(huì)增加的更多，而多晶硅的份額會(huì)一定量的減少。但是在市場上兩個(gè)產(chǎn)品將會(huì)在一定程度里面共存，誰也不會(huì)簡單消滅誰。
所以這是我們目前一個(gè)狀況，對(duì)于太陽能電池來講大家都知道的，高效率低成本，是一個(gè)長期追求的一個(gè)目標(biāo)。所以對(duì)這兩種材料來講也是圍繞著這兩種目標(biāo)進(jìn)行的，相對(duì)來說多晶硅是低成本，因此它的技術(shù)研究上面希望是高效率，所以在控制津貼減少錯(cuò)等提高質(zhì)量上面現(xiàn)在是我們技術(shù)發(fā)展的路徑。
而對(duì)單晶硅而言它的質(zhì)量比較高，因此它關(guān)注的問題是怎么樣改善技術(shù)，降低成本。比如說金剛線切割，增加強(qiáng)度重復(fù)加料，連續(xù)加料等等，這些是它技術(shù)發(fā)展的方向。當(dāng)然今天我要給大家介紹是第三路，我們有沒有更好的路來做這個(gè)事情。這是我們最近正在努力工作一個(gè)我們稱為鑄造單晶，也稱為類單晶或者稱為準(zhǔn)單晶。它的方法是什么呢？它利用籽晶通過鑄造的方法生長出單晶硅，也就是說我們把直拉硅晶體和鑄造多晶硅兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)給結(jié)合起來這樣我們既有低成本，低能耗也有高質(zhì)量高效率的優(yōu)點(diǎn)。所以這樣一個(gè)技術(shù)在過去十年當(dāng)中以及最近得到了非常大的關(guān)注。
實(shí)際上這個(gè)技術(shù)最早是國外發(fā)表的，這是在1977年的時(shí)候，就在一個(gè)雜志上面發(fā)表了這樣一個(gè)技術(shù)。但是那個(gè)技術(shù)是是實(shí)驗(yàn)室的小直徑，大概是這么一點(diǎn)大的晶體。所以發(fā)表完了以后沒有人在意這樣一個(gè)技術(shù)，一直到2006年BPCO他們把它做成了M2，引起了大家的關(guān)注。他要把它的效率做到18%，到了2009年的時(shí)候我們實(shí)驗(yàn)室做了相當(dāng)多的一些工作，這樣做了以后引起我們國內(nèi)同行的關(guān)注。那么我們看看它究竟有什么好處，是不是真的能達(dá)到低成本，高效率。
我們來看這張圖，這個(gè)是來鑒定材料質(zhì)量好與壞的一個(gè)重要的指標(biāo)。藍(lán)色是表示好，紅色表示差，你可以看到普通鑄造多晶硅上面一個(gè)晶片156乘156，上面有相當(dāng)多紅色和綠色就代表它的性能比較差。而右邊這個(gè)鑄造的單晶，你有鑄造的方法做出來單晶，它平均是比較均衡的，而且色彩是偏藍(lán)的，效率是高，壽命是高的。
左邊這張圖可以看到，鑄造的多晶硅生命要比普通多晶硅要高，而且它的分布又比較窄，認(rèn)為它的性能是比較好的。我們把它做成太陽能電池你可以直接跟普通的，第一個(gè)是單晶，第二個(gè)紅色是鑄造多晶，最底下一個(gè)是普通的多晶。你可以看到在同樣的情況下它可以比普通的多晶增加一個(gè)百分點(diǎn)，而比鑄的單晶硅僅僅少0.5個(gè)百分點(diǎn)。因此它可以明顯的提高太陽能電池的效率，第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是光衰減比較小。大家都知道直拉硅晶體單晶硅它因?yàn)橛袕?fù)合體的存在，所以你一旦放在太陽底下去實(shí)際應(yīng)用光會(huì)產(chǎn)生衰減，大概3-5%，差可以到10%。
這張圖可以看到，最左邊是普通的單晶，它的效率降低可以降低3%左右，而利用鑄造多晶硅它由于氧含量，鑄單晶硅由于氧含量比較低，因此它的硼氧復(fù)合體的量是明顯的，你可以看到假如說用鑄造單晶我們稱為QSC這個(gè)材料，它的光衰減僅僅有單晶硅的20%-30%。也就是說大幅度的減小的單晶硅的光衰減，左邊可以看到，隨著光照時(shí)間的延長，對(duì)于普通單晶硅而言，它的缺陷力度硼氧復(fù)合體是成指數(shù)增加的，但是紅色那個(gè)是鑄造單晶幾乎是不增加的。因此由于硼氧復(fù)合體的降低，導(dǎo)致了光衰減的降低，這就是鑄造單晶三大優(yōu)勢。
正是由于這樣一個(gè)優(yōu)勢在2010年前后，鑄造單晶實(shí)際上已經(jīng)被企業(yè)所采用，也大量的生產(chǎn)了。那年大概市場的份額占到了15%-20%左右，但是到了2013年以后工藝界放棄了，工藝界放棄主要的原因是在于高效多晶硅的出現(xiàn)，同時(shí)由于類單晶或者說鑄造單晶存在著這樣一些問題，第一個(gè)籽晶成本。第二個(gè)單晶率，第三個(gè)高位錯(cuò)密度，第四個(gè)采用利用率。等下我會(huì)簡要介紹一下這些因素對(duì)目前我們依然存在，在2018年，2017年國內(nèi)主要的廠家都在開發(fā)這樣的技術(shù)，都在努力克服這四個(gè)主要的困難。第一個(gè)籽晶，左邊那張圖是一個(gè)示意圖，我們要鑄造的方法要單晶，在底部要鋪一層籽晶，這個(gè)籽晶是用但晶切割下來，切割下來切成156乘156，然后鋪在干鍋的底部，而這樣一個(gè)干鍋這樣一個(gè)晶體是需要成本的，它的厚度是在2個(gè)毫米左右，加工需要精養(yǎng)，控制比較復(fù)雜。這個(gè)增加了一個(gè)成本，所以目前現(xiàn)在大家正在研究的如何降低這個(gè)厚度，能不能籽晶厚度從兩個(gè)毫米降低到一個(gè)毫米，這個(gè)籽晶能不能重復(fù)應(yīng)用，這個(gè)硅單經(jīng)我們能不能用邊皮料，或者說我們希望用無籽晶的技術(shù)來成長類單晶。
這是目前國際上，國內(nèi)正在走的技術(shù)途徑。第二個(gè)問題是單晶率，右邊這張圖可以看到，晶體生長完以后這個(gè)單晶不是全部的單晶，在邊角上還有多晶的存在，中間這張圖是一個(gè)示意圖，一般我們稱為G5，是晶錠。就是說5乘5個(gè)晶釘所有藍(lán)色地方是指單晶，而在邊緣和邊角上依然有多晶的存在。我們給大家舉三個(gè)例子樣品，一個(gè)是最角上的A1，一個(gè)邊緣的C1，一個(gè)中間的C3，這張圖可以看到A1這個(gè)樣品兩邊角上有多晶，有花樣，C1只有一邊，中間C3已經(jīng)完全是單晶了。
盡管這樣邊緣的多晶會(huì)造成一定的問題，這個(gè)問題會(huì)造成什么呢？工藝的不一致，用單晶工藝好呢？還是多晶工藝好呢？又有單晶又有多晶，還造成劃片，這張圖是一個(gè)太陽能電池，你可以看到太陽能電池當(dāng)中邊角就是劃片，你把它放在屋頂上，它顏值不是那么好看，第二個(gè)相對(duì)效率會(huì)比較低。
今后大家正在努力的方向是什么呢？希望用這種方法能夠做出100%的單晶，哪怕做成90%也可以降低成本，目前研究已經(jīng)證明，我們在時(shí)間上大概可以做到90-95%。僅僅是四個(gè)角上有一點(diǎn)點(diǎn)，還有多晶存在，但是重復(fù)性控制還不是太好。因此，單晶硅的控制依然是我們一個(gè)挑戰(zhàn)。
國際上現(xiàn)在提出了兩種方法，一種方法是用一個(gè)籽晶，一個(gè)籽晶從中間開始，然后慢慢放大，這樣的一個(gè)籽晶造成了單晶能夠做到100%，這是理論發(fā)表的，但實(shí)際上沒有做成功。
第二種技術(shù)我們稱為功能精件的方法，左邊這個(gè)圖是用籽晶，籽晶長了一半的時(shí)候，從邊緣就有其他的多晶體進(jìn)來了。我們現(xiàn)在這個(gè)方法在邊緣放一個(gè)特殊的晶件，這個(gè)往上走了以后，會(huì)控制邊緣的晶體長進(jìn)來，從而使得里面成為單晶，外面一點(diǎn)點(diǎn)是多晶，這個(gè)多晶又可以切掉的。
這個(gè)技術(shù)最早是日本人提出來的，最近我們和企業(yè)進(jìn)行合作，已經(jīng)把它做到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用了，你可以看到這個(gè)是實(shí)際的籽晶，邊緣鋪了一層特殊的東西，左邊是單晶，右邊是多晶。通過這樣的技術(shù)以后，我們可以把多晶限制在邊緣，從而使得里面得到大面積的單晶的工作。
第三個(gè)現(xiàn)在存在的問題就是材料的利用率，剛才給大家講過，就是從縱向延開的照片，四周特別是上邊跟下邊有紅色的地方，紅色的地方就意味著材料質(zhì)量不好，在實(shí)際生長當(dāng)中這一塊要給切掉的。我們的多晶硅底部紅邊區(qū)可以達(dá)到5個(gè)厘米，這個(gè)切掉比較多，實(shí)際得到中間灰色的區(qū)域，我們就稱為有效的單晶率，只有60%不到一點(diǎn)點(diǎn)。
因此，如果提高這一部分的比例達(dá)到70%，也是我們現(xiàn)在材料研究的一個(gè)重點(diǎn)，關(guān)鍵的是底部紅色的那來的？我們做了一些研究，這個(gè)邊上是籽晶的，跟鐵扎制的含量是分布一致的。
左邊這張圖是模擬的結(jié)果，右邊這張圖是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，我們的工作跟實(shí)際對(duì)比，這部分主要是金屬扎制所造成的，因此控制金屬扎制鐵對(duì)減少紅邊區(qū)，提高材料的利用率是一個(gè)重要的發(fā)展方向。
最后一個(gè)很重要的問題，這個(gè)位錯(cuò)有兩種，一種是分散的位錯(cuò)，一種是位錯(cuò)團(tuán)，這樣的缺陷會(huì)造成少籽生命低，電磁的效率降低。我們首先看分散的位錯(cuò)，這個(gè)位錯(cuò)左邊是多晶，右邊只有位錯(cuò)，一個(gè)黑點(diǎn)，代表了一個(gè)位錯(cuò)，表示了晶體的缺陷。
這樣從底部到頭部密度是逐漸增加的，底部只有10的14次方，頭部達(dá)到了10的5次方，這樣會(huì)有什么樣結(jié)果呢？我們隨著位錯(cuò)密度的增加，少籽逐漸降低，同時(shí)所有的條件不變，做了太陽能電池效率就降低了0.5%，所以說單個(gè)位錯(cuò)對(duì)效率的影響非常明顯。
還有一個(gè)問題，從底部到頭部做了太陽能電池分散性比較差，這也是鑄造單晶，目前遇到的一個(gè)困難，這個(gè)是物理的原因，為什么產(chǎn)生這樣的位錯(cuò)，我就不給大家細(xì)講了。
第二個(gè)晶界，你可以看到從鑄造圖的時(shí)候，從籽晶出發(fā)朝上面跑的是三角形的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域會(huì)導(dǎo)致效率比較低，你可以看到是黃色的，這樣腐蝕以后，有大量的缺陷，我們稱為位錯(cuò)的出現(xiàn)，這是因?yàn)槭裁茨兀吭趦蓚�(gè)籽晶夾縫之間產(chǎn)生了位錯(cuò)，這個(gè)位錯(cuò)會(huì)沿著特定的面進(jìn)行生長，長成了三角形的區(qū)域。
這個(gè)是比較討厭的，一旦做到太陽能電池以后，整個(gè)硅片到后面全部變黑了，效率就非常低了，太陽能電池效率就比較差。這個(gè)是另外的圖，我們把它橫向了以后，在邊緣區(qū)里有大量的位錯(cuò)團(tuán)的出現(xiàn)，我就不給大家細(xì)講物理原理了。即使做了太陽能電池，邊緣的這些位錯(cuò)也不能消除，太陽能電池效率依然是比較低的。
你可以看作一個(gè)簡單的比較，第一個(gè)是鑄造單晶，是位錯(cuò)比較小的，他和最底下的單晶相比的話，可以增加1%的效率。但是如果位錯(cuò)團(tuán)比較多，中間那個(gè)，效率甚至比普通的鑄造多晶還要低。因此就說明什么了？如果不控制好位錯(cuò)質(zhì)量，質(zhì)量反而比普通的鑄造多晶低，所以位錯(cuò)的控制對(duì)他非常重要。
我們提出一個(gè)新的技術(shù)是什么控制的呢？這是一個(gè)界面圖鑄造單晶，什么都不做中間有一個(gè)三角形的缺陷，從底部到上面快速生長的過程，也是一個(gè)三角形的，從底到上面的增加。
我們提出一個(gè)方法，我們故意在中間增加了一個(gè)晶界，會(huì)把缺陷給吸收了，就是以毒攻毒，故意加了一個(gè)缺陷，吸收了缺陷。這是我們看的，你可以看到中間我們故意加了一個(gè)晶界，底下的你看到有一個(gè)晶界很直的，但是位錯(cuò)沒有了。
你再看最后的少籽生命圖，三角形的低少籽區(qū)已經(jīng)消除了，這個(gè)可以通過引入晶界控制這樣缺陷團(tuán)的產(chǎn)生，導(dǎo)致少壽命大幅度的提高。這是兩個(gè)對(duì)比情況，上面是普通的，底下是故意引入晶界的一種情況。
你可以看到晶界有整個(gè)性能得到了改善，我就不講了，這個(gè)是效率的情況。你可以看到這兩個(gè)比較沒有晶界，普通的只有16.5、17.5，加入引用晶界增加18.1，甚至東西都沒變，可以引入制造單晶效率0.6%。
最后給大家做一個(gè)簡要的總結(jié)，到目前鑄造單晶是太陽能硅材料發(fā)展重要方向，但是面臨位錯(cuò)密度、單晶率、材料利用率和籽晶成本的問題挑戰(zhàn)，其中位錯(cuò)是關(guān)鍵的因素，而我們提出的機(jī)械工程，可以有效的降低位錯(cuò)，能力晶界。我們希望這樣的技術(shù)在今后1-2年在工業(yè)界重新開始大規(guī)模的應(yīng)用。
在結(jié)束之前，我要謝謝博士生和合作者，他們給了很多的幫助，對(duì)上面的一些工作。也要謝謝國家自然科學(xué)基金委，他們給了很多錢，我們才能做研究。最后，謝謝各位的聆聽。
注：本文整理自中國科學(xué)院院士、硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、半導(dǎo)體研究所所長楊德仁在第十屆中國（無錫）國際新能源大會(huì)暨展覽會(huì)上所作主題演講，未經(jīng)其本人審閱。
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