准单晶硅太阳能电池技术

准单晶硅太阳能电池技术调研1 准单晶硅太阳能电池技术1 准单晶硅的意义光伏发电作为一种最具潜力的可再生能源利用方式， 成为取代传统的石化能源， 支持人类可持续发展的主要技术， 在最近几年来获得了飞速的发展。 目前晶体硅太阳能电池占据着光伏产业的主导地位， 多晶硅太阳能电池由于成本优势占据了晶体硅的大半市场。在晶体硅太阳能电池成本构成中硅片占到了一半以上，因此降低硅片的成本， 提高硅片的质量， 对于光伏行业的发展有着极其重要的意义。准单晶硅， 是通过铸锭的方式形成的晶硅材料， 在一定尺寸的硅片上表现为同一晶向的晶粒面积大于硅片总面积的 50%。 通过铸锭技术形成准单晶硅的功耗只比普通多晶硅多 5%，所生产的准单晶硅的质量接近直拉单晶硅。简单地说，这种技术就是 用多晶硅的成本，生产单晶硅的技术 。由于多晶硅电池存在较多的晶界复合， 以及所采用的酸制绒技术无法达到单晶硅碱制绒的完美制绒效果，一般的多晶硅电池光电转化效率要低于单晶硅1~2%。 通过铸锭单晶硅技术， 可以使多晶铸锭炉生产出接近直拉单晶硅的准单晶。在不明显增加硅片成本的前提下，使电池效率提高 1%以上。2 准单晶硅制造技术路线和技术难点准单晶硅的制造目前主要有两种方法。一种是有籽晶的铸锭，另一种是没有籽晶的铸锭。有籽晶的铸锭报道的比较多。从两篇国内的专利来看晶澳太阳能、精工科技和浙江大学都属于有籽晶的铸锭方式。 这种技术首先把籽晶、 硅料、 掺杂剂放置坩埚中（籽晶铺设在坩埚底部，在籽晶上面添加硅料和添加剂） ；其次加热熔化硅料（要控制好籽晶不被完全熔化） ，进入长晶阶段；在长晶阶段控制降温，调节固液相的温度梯度， 使硅晶体沿未熔化的籽晶方向生长， 待晶体长成后， 经退火冷却得到大晶粒硅锭。 这种技术的难点在于 确保在第二步熔化硅料阶段， 籽晶准单晶硅太阳能电池技术调研2 不被完全融化， 还有控制好温度梯度的分布， 这个是提高晶体生长速度和晶体质量的关键。无籽晶铸锭类单晶的方法（ BPsolar 采用）基本和铸锭多晶相同。其要点是精密控制定向凝固时的温度梯度和晶体生长速度来提高多晶晶粒的尺寸大小， 形成所谓的准单晶。 这种准单晶硅片的晶界数量远小于普通的多晶硅片。 无籽晶的单晶铸锭技术难点也在于控温。这两种铸锭类单晶技术都存在晶体生长速度与晶体质量相互矛盾的关系 。3 准单晶硅的发展准单晶技术因其对晶硅铸锭行业有着很大的商业意义， 国内外有很多机构都在进行这方面的研究， 而且每家都对自己的研究进展和技术路线非常保密。 这种保密研究和物理法提纯硅料一样。根据有限的公开资料，准单晶硅（ Mono2TM）最早在 2006 年由 BP Solar 研制成功， 2007 年生产出准单晶太阳能电池组件并进行了可靠性测试，相关资产在2010 年底被 ALD 收购后向市场推出基于 SCU400＋的单晶铸锭炉。以下是 BP solar 准单晶铸锭流程图和准单晶硅片少子寿命均匀性图示。准单晶硅太阳能电池技术调研3 2009 年 11 月，晶龙集团一次性投入 3000 万元作为专门的研发经费，以东海晶澳太阳能科技有限公司总经理黄新明博士为核心的研发团队， 成功研发出准单晶硅铸锭技术， 但门槛在于晶体生长速度与晶体质量的无法兼顾， 且大尺寸硅锭的量产难度高，几经锤炼，于 2011 年 3 月，晶澳集团针对这一高效率低成本的准单晶硅电池下线并向市场进行推广。2011 年 3 月 15 日月中国河南安阳凤凰 光伏 正式对准单晶技术的研究立项，研发命名为“阿波罗计划” ，经历了三个阶段的进展，最终在 2011 年 5 月 30 日前将试产的产品交至客户手中进行检测。 在准单晶正常投料的情况下， 平均衰减为 0.4%— 0.6%。在凤凰光伏将试产单晶硅片送至相关的电池生产商，在大生产线投放后得到的数据基本相同，光衰减为 0.5%。 2011 年 6 月 18 日，中国河南安阳凤凰 光伏 在上海宣布其准 单晶硅 材料开始量产， 其目标是将准单晶硅片的单片生产成本比传统的多晶硅片生产成本增加小于 0.3 人民币。 目前市场上已有近10 家企业正在试用凤凰光伏的准单晶硅片。4 准单晶硅铸锭实例（晶澳太阳能）以下为晶澳太阳能实验过程的准单晶铸锭实例， 分别以 CZ单晶硅、 准单晶铸锭剩余籽晶（重复利用） 、准单晶硅锭顶部大晶粒硅块为籽晶的铸锭结果进行准单晶硅太阳能电池技术调研4 对比。将直拉法得到的 (100) 晶向单晶棒进行开方， 得到断面尺寸为 156× 156mm的方柱，将其切成 40～ 50mm厚的块状籽晶 13 块； 另外， 将之前准单晶硅铸锭得到的硅锭进行开方、 检测、 带锯切断， 将切除的底部硅块 （主要为剩佘籽晶） 及顶部大晶粒硅块进行挑选及加工， 去除上下的杂质富集层后进行清洗，底部硅块和顶部大晶粒硅块各取 6 块， 厚度25～ 30mm将其作为另一部分籽晶。 将通过以上方法得到的 25 块籽晶按 5× 5 的方式紧密排列平铺在内部尺寸为 840× 840× 400mm的标准石英坩埚内，排列时按不同种类籽晶对称的方式排布以作效果对比。在坩埚底部， 放置时尽量使籽晶居中， 即周边籽晶的最边沿面距坩埚内壁尺寸相近。籽晶上面再放置原生多晶，包括籽晶在内共装料 430kg，籽晶的具体排列方式和籽晶、硅料及掺杂剂的填装方式如附图 2a、 2b 所示，掺杂剂为硼、稼或磷，掺杂后目标晶体的电阻率为 1.50 ～ 2.0 Ω .cm。装料后抽真空， 控制功率进行加热； 进入熔化阶段后， 采用温度控制分段加温，到熔化最后一步将加热器控制温度调节至 1540℃，保持至籽晶熔化阶段，待坩埚底部温度为 1350℃，且底部升温速率为 0. 07℃／ min 上下时，结束熔化步骤，跳转至长晶阶段。进入长晶阶段，快速将温度由 1540℃降至 1440℃，并关闭隔热板（笼）保持 1h，之后将隔热板（笼）快速打开 5cm，底部散热实现定向凝固，待界面生长平稳后，再分段将温度降 1415℃，隔热板（笼）打开速度先后按 0. 5cm ／ h、 0.7cm/h 的速度打开至 20cm，达到稳定长晶。将上述长成后的硅晶体，经退火、冷却得到硅锭，所得硅锭开方得 25 块小方锭，通过观察发现籽晶剩余约 15～ 20mm未熔化，晶体顺延籽晶方向上继续生长。硅锭中大晶粒由底部贯穿整个硅锭至顶部，上表面大晶粒 (> 50mm)面积大于50%， 单晶籽晶小方锭制备获得的准单晶硅片的形貌图如附图 4a、 4b 所示。 对比三种籽晶块对应的长晶效果 ：单晶籽晶处延续单晶生长，至 10cm以上出现少量准单晶硅太阳能电池技术调研5 分裂晶粒， 大晶粒延续至硅锭顶部， 小锭切片 380～ 470 片间， 95%为准单晶硅片，其中大晶粒硅片占 35～ 60%； 重复利用的底部剩余籽晶引晶及后续长晶效果与单晶籽晶没有太大差别； 回收利用的顶部大晶粒籽晶同样延续大晶粒生长， 小锭所得硅片 70～ 90%为准单晶片，其中 15～ 34%为大晶粒硅片。各小方锭的整体平均少子寿命均大于 4 u s ，按少子寿命 2 u s 进行检测划线，硅锭得率 62.7%。所得准单晶硅片制作的电池片转换效率最高达 17.9%， 与同样生产线的常规单晶硅片相当。准单晶硅太阳能电池技术调研6 5 准单晶硅片基本参数以凤凰光伏准单晶硅片为例，其基本参数是：1) 导电类型： P 型2) 尺寸为 156× 156mm 3) 电阻为 0.5 — 3Ω .cm，4) 少子寿命≥ 2μ s，5) 厚度为 200μ m± 20 和 180μ m± 20 两种，6) TTV≤ 30μ m, 7) 弯曲度≤ 15μ m，8) 大晶粒晶向 ± 5o质量好的单位准单晶硅锭按照切片后同一晶向晶粒所占硅片面积的比例大小可分为 A、 B、 C三个质量等级区域：A区：占硅锭比例为 16%，同一晶向晶粒面积占硅片面积 50%以上B区：占硅锭比例为 48%，同一晶向晶粒面积占硅片面积 70%以上C区：占硅锭比例为 36%，同一晶向晶粒面积占硅片面积 90%以上6 准单晶电池片效率准单晶硅锭中 A、 B、 C区制成的电池片获得了不同的技术参数，具体如下：准单晶硅太阳能电池技术调研7 A区：转换效率为 16.61%；比普通多晶高 0.1%— 0.2% B区：转换效率为 17.02%；比普通多晶高 0.4 — 0.6% C区：转换效率为 17.32%；比 CZ单晶低 0.2 — 0.4% 在准单晶正常投料的情况下，平均衰减为 0.4%— 0.6% 其中，多晶电池片效率基准为 16.5%，单晶电池片效率基准为 17.6%。在凤凰光伏将试产单晶硅片送至相关的电池生产商， 在大生产线投放后得到的数据基本相同，光衰减为 0.5%。7 准单晶电池片生产技术7.1 凤凰光伏凤凰光伏不仅在准单晶硅片制造方面已经实现量产， 而且在与其客户在利用准单晶硅片生产电池片技术上也进行了探讨。 凤凰光伏首席技术官石坚表示， 推荐电池生产商 A、 B 区进行酸制绒， C 区进行碱制绒 。未来，凤凰光伏将与其客户进一步探讨酸碱混合制绒的技术，这样每片的平均效率将超过 17%，这样就彻底超越了单晶硅片。7.2 一种准单晶硅片的制绒方法——发明专利（晶澳）2011 年 4 月晶澳太阳能针对准单晶硅片的制绒技术公布了一项发明专利。专利中提出： 对于准单晶硅片而言， 由于长晶控制和切割位置等的影响， 在硅片中除了（ 100）晶面，通常不可避免的出现部分其它晶向的晶粒，即为随机生长的多晶晶粒， 单一的碱制绒或者酸制绒都无法实现良好的织构化效果。 因此， 对于这类硅片的电池片制作， 制绒工艺需结合酸、 碱制绒的优势。 具体实施过程中需根据准单晶硅片中（ 100）晶向晶粒所占的比例，调节酸、碱制绒的程度，以达到最好的综合制绒效果。以下内容截自此发明专利，以供参考。准单晶硅太阳能电池技术调研8 8 结语通过查看相关技术资料和报道以及与行业内技术人员的沟通交流， 多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池相比，有一定的成本和低衰减优势。准单晶硅太阳能电池相对单晶硅太阳能电池而言， 有一定的低衰减和成本优势；相对多晶硅太阳能电池而言，有较高转换效率的优势，但由于原材料（准单晶硅片）质量梯度和市场行为等因素，未必会比传统多晶电池有综合成本优势。多晶电池制造工艺相对单晶来说较难控制， 尤其是 PECVD过程的成膜及优越的钝化效果，是 HIT 技术的核心工艺段。结合硅片的制造成本及市场供需、 电池效率差异、 组件衰减及利用率等多方面综合考虑， 近几年， 多晶太阳能电池由于明显的 综合成本优势 仍然会占据大部分市场。准单晶硅太阳能电池技术调研9 9 参考资料9.1 杨德仁、余学功，一种单晶向、柱状大晶粒的铸造 , ，浙江大学专利9.2 黄新明、钟根香等，一种准单晶硅的铸锭方法，晶澳太阳能专利9.3 新明、钟根香等，一种准单晶硅片的制绒方法，晶澳太阳能专利9.4 Victor Prajapati1,, Emanuele Cornagliotti1, High efficiency industrial silicon solar cells on silicon mono2 TM cast meterial using dielectric passivation and local bsf, 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 21-25 September 2009, Hamburg, Germany专利9.5 performance comparison betwen BP solar MONO2 TM and traditional muticrystalline modules 9.6 行业内其它相关资料