硅材料是重要且應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體材料，是微電子工業(yè)和光伏工業(yè)的基礎(chǔ)材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、無污染等優(yōu)點(diǎn)。硅材料有多種晶體形式，包括單晶硅、多晶硅和非晶硅等，應(yīng)用于光伏領(lǐng)域的主要包括直拉單晶硅、薄膜非晶硅/微晶硅、鑄造多晶硅、帶狀多晶硅等。其中，直拉單晶硅和鑄造多晶硅應(yīng)用更為廣泛，占太陽電池光伏材料 90% 以上的市場份額。

單晶硅和多晶硅的原料均來自高純度硅原料，初始原料為石英砂 (SiO2)，通過與焦炭在高溫電爐里發(fā)生炭熱還原反應(yīng)，形成99%左右純度的金屬硅（MG-Si），其中含有各種雜質(zhì)，如Al、Fe、C、B和P等，需經(jīng)進(jìn)一步的提純操作才能得到高純硅原料。石英砂純度的品味直接影響制備的冶金硅的純度品味，進(jìn)而影響提純制備高純硅原料的工藝和操作。

冶金硅中典型的雜質(zhì)濃度

單晶硅制備技術(shù)主要有區(qū)熔單晶硅和直拉單晶硅2種。區(qū)熔單晶硅是利用感應(yīng)線圈加熱硅料形成區(qū)域熔化，達(dá)到提純和生長單晶的目的。這種單晶硅純度很高、電學(xué)性能均勻，但工藝繁瑣、生產(chǎn)成本較高，一般不應(yīng)用于太陽電池的規(guī)模化生產(chǎn)。直拉單晶硅是太陽電池用單晶硅的主要形式，通過在單晶爐中加熱熔化高純多晶硅原料，同時添加一定量的高純摻雜劑 ( 如硼、磷等 )，再經(jīng)過引晶、縮頸、放肩、等徑和收尾等晶體生長階段生長成單晶硅。

目前直拉單晶生長技術(shù)目前主要有直拉 (CZ) 法、磁場直拉 (MCZ) 法、直拉區(qū)熔 (CFZ) 法 3 種。磁場直拉 (MCZ) 法和直拉區(qū)熔 (CFZ) 法兩種拉晶工藝的成本較高，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣。而 CZ 法由于成本優(yōu)勢得到了規(guī)模化應(yīng)用，目前占據(jù)著單晶產(chǎn)業(yè)化的主導(dǎo)地位。

直拉法生長單晶硅工藝流程圖

直拉法（CZ法）生產(chǎn)單晶硅的設(shè)備由 4 部分組成：

爐體：包括石英鉗鍋、石墨鉗鍋、加熱組件、爐壁等； 晶棒和上升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：包括晶種夾、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)； 氣體氛圍與壓力：包括真空設(shè)備系統(tǒng)、Ar氣流量及壓力控制系統(tǒng)； 控制系統(tǒng)：包括傳感器和電腦控制設(shè)備。

其中單晶爐是單晶生長的核心設(shè)備，直接決定了拉晶的產(chǎn)能及晶體品質(zhì)。

典型CZ生長爐示意圖

太陽電池用直拉硅單晶硅片的質(zhì)量，主要以提高少子壽命增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率為前提。而氧是直拉單晶硅中的主要雜質(zhì)，它來源于熔硅與石英坩堝的反應(yīng)，屬于直拉單晶硅中不可避免的雜質(zhì)。生產(chǎn)高品質(zhì)硅片，主要從以下方面進(jìn)行：降低單晶氧碳含量、降低單晶氧施主濃度、提高單晶少子壽命、降低單晶光致衰減。

因此光伏直拉單晶硅的制備對石英砂原料和石英坩堝都有著一定的要求和標(biāo)準(zhǔn)，隨著相關(guān)技術(shù)不斷成熟應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，未來光伏直拉單晶硅對石英砂和石英坩堝有著怎樣的需求呢？

2019年10月30日-31日，由中國粉體網(wǎng)主辦的“2019全國石英大會”將在江蘇徐州舉行，屆時來自隆基綠能科技股份有限公司的硅片研發(fā)高級經(jīng)理王向東將帶來《光伏直拉單晶對于石英坩堝及石英砂的產(chǎn)業(yè)化需求》的精彩報(bào)告。更多關(guān)于石英礦物關(guān)鍵技術(shù)的探討，敬請期待！

專家介紹

從事產(chǎn)品研發(fā)管理近30年，曾任職航天科技集團(tuán)、比雅全球集團(tuán)億維訊高級技術(shù)專家，現(xiàn)任職隆基股份硅片研發(fā)高級經(jīng)理，是陜西省創(chuàng)新方法研究會、陜西生產(chǎn)力促進(jìn)中心特約專家，國際發(fā)明與創(chuàng)新協(xié)會MTRIZ國際二級認(rèn)證。長期從事太陽單晶硅材料研發(fā)相關(guān)工作，在產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造及其技術(shù)創(chuàng)新體系、管理創(chuàng)體系建設(shè)方面經(jīng)驗(yàn)豐富。

王向東

參考資料：

李繼陽. 光伏用直拉硅中氧相關(guān)缺陷的研究

高超. 直拉單晶硅中雜質(zhì)和缺陷的行為：重?fù)诫s和共摻雜的影響

2017 年我國光伏技術(shù)發(fā)展報(bào)告

王金全. 單晶硅生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵技術(shù)

蔣娜. 單晶硅生長技術(shù)研究新進(jìn)展

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