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硅材料国家重点实验室主任杨德仁:单晶与多晶产品将共存
钱柜777娱乐官网:国际能源网 时间:2018-11-6 9:09:33 用手机浏览

2018年11月1日至3日,“第十届中国(无锡)国际新能源大会暨展览会(CREC2018)”在无锡召开。本次大会由国家能源局、中国能源研究会指导,中国贸促会、江苏省人民政府主办,无锡市人民政府等承办。中国科学院院士、硅材料国家重点实验室主任、半导体研究所所长杨德仁在同期举行的2018年全球新能源产业峰会上作了“铸造单晶的现状和发展”的主题演讲。

杨德仁在演讲中指出,随着今后的发展单晶硅的份额将会增加的更多,而多晶硅的份额会一定量的减少。但是在市场上两个产品将会在一定程度里面共存,谁也不会简单消灭谁。

以下为杨德仁演讲文字实录:

杨德仁:各位领导、各位专家、各位同仁上午好。首先感谢组委会邀请我来跟大家分享一下,关于最近硅材料一个重要的进展,铸造多晶硅相关的研究进展。

在刚才会议上面我们很多领导和专家对太阳能的发展做了一个比较好的介绍,从这张图上面也可以看到,太阳能是新能源一个重要的发展趋势,这张图显示了欧盟做的一个预计,大概在2050年我们的太阳能发电在欧盟希望达到30%,而到2100年希望达到70%,因此太阳能光伏发电是今后新能源里面最重要的一个能源形势。而这个能源形势在我们国家,以及在过去十年当中也得到了充分的显示,这是过去十年当中我们可以看到的,太阳能光伏安装量的一个增加。

十年的期间增长了几乎是10倍,我们从2006年当年1.5个GW到去年接近100个GW,大概增长了整个的65倍,而我们中国的发展也是非常迅速的。到了去年我们中国的硅晶体,太阳能电池组件的市场份额在国际上都达到了60%-80%。

在快速发展当中太阳能电池作为一个基础,组件的基础,电站的基础无疑是最吸引人和吸引目光的。在这些太阳能电池材料当中你可以看到,我们大致可以为几类,一种是晶体硅,一种是非晶硅,一种是化合物半导体包括砷化镓,以及今后将要发展的新概念太阳能电池。

但在这当中现在的发展你可以看到,最主流的最重要的是晶体硅,它在市场的份额超过了90%以上,而非晶硅当年达到10%,而去年仅仅占了全球的0.2%。我们在看这硅晶体的产业链相对来说我们这很多的专家比较熟,它是从硅石到金属硅,然后再到纯多晶硅,我们通过多种的方法给提纯。也就是达到7个9,到9个9。在这种情况下,我们把这样一个材料制备成晶体硅再做成太阳能电池,再做成组件。

所以今天我们在展览会上看到很多组件企业的展览,这个我们应用终端的产品之一。我们今天要给大家讲的是中间重要的材料,就是晶体硅。这种晶体硅它主要有两种形式,一种我们称为单晶,我们利用籽晶的方法进行生长的。在2017年也就去年,大概占了全球的30%,另外一种是铸造晶体硅,这也是我们江苏协鑫做的非常棒的一个技术。在去年大概占了市场整个67%,可以看到这两个加起来大概占了整个市场的96.5%,这样我们可以毫不犹豫的说,硅材料决定了太阳能光伏的发展前景,在过去十年当中中国的硅材料也得到了快速的发展,这张图给大家看的是在2017年,全世界硅材料,硅晶体材料的前十强,你可以看到全部是中国的,这个十强生产的太阳能总共达到了65.4个GW产量,占了全球产量的62%。所以大家可以看到中国的硅材料对于全世界的硅材料太阳能光伏产业起着决定性作用。在一些企业当中,第二行可以看到我们包括了两种,一种是铸造多晶硅,一种是直拉硅晶体,而这两种有什么区别呢?

左边是直拉的硅晶体,右边是铸造的多晶体这两种的生长方法不一样,通常而言对于直拉这种技术而言质量好,太阳能电池效率高。因此高效的太阳能电池基本上用这种技术制备的,但是它相对成本要高,能耗要高一些。另外一个方法是铸造多晶硅,它的成本低,但是它的能耗也低,但是相对质量比较差一点,它的效率也低一点,因此这两种材料在过去的十年当中既是我们太阳能的主体材料,同样它也在市场上展开了一个激烈的竞争。

很多人在问,究竟是多晶好,还是单晶好?做单晶的时候单晶好,做多晶的说多晶好。所以在这两年的市场上竞争非常激烈,我们给大家看一看它究竟哪个好。两个各有优点,从历史上去看,这个是从2000年开始到2017年,这两种材料在市场一个份额红色是单晶的,蓝色是铸造多晶,你可以看到其实一开始做成太阳能电池的时候就是单晶的没有多晶的。到了上世纪80年代,90年代的时候铸造多晶技术开始出现,出现以后你看它的份额逐渐增加,一直到2004年的时候,2003年的时候达到了最高点。占了全球市场的55%,然后又逐渐下降,到了2007年的时候又下降了40%左右,那时候单晶硅又涨到40%左右了,那个主要原因是由于中国大力发展的单晶硅。

在随后的几年当中你也可以看到,铸造多晶硅的份额又继续增加。市场份额在不断的增加,而铸造多晶硅的份额也在不断增加,而这个增加也是由于中国的铸造多晶硅企业开始投资了,开始快速增长了。到了2015年以后你可以看到单晶硅的份额又在增加,所以它是一个政策市场技术和经济共同作用的一个结果,从技术上看,这是今后的趋势,因为高效太阳能电池占的比例将会越来越多。而效率越高对硅材料质量的要求将会越高。所以我们刊印看到,底下深蓝色的和蓝色的这个是多晶硅,那么黄色和浅蓝色是单晶硅,你可以看到随着今后的发展单晶硅的份额将会增加的更多,而多晶硅的份额会一定量的减少。但是在市场上两个产品将会在一定程度里面共存,谁也不会简单消灭谁。

所以这是我们目前一个状况,对于太阳能电池来讲大家都知道的,高效率低成本,是一个长期追求的一个目标。所以对这两种材料来讲也是围绕着这两种目标进行的,相对来说多晶硅是低成本,因此它的技术研究上面希望是高效率,所以在控制津贴减少错等提高质量上面现在是我们技术发展的路径。

而对单晶硅而言它的质量比较高,因此它关注的问题是怎么样改善技术,降低成本。比如说金刚线切割,增加强度重复加料,连续加料等等,这些是它技术发展的方向。当然今天我要给大家介绍是第三路,我们有没有更好的路来做这个事情。这是我们最近正在努力工作一个我们称为铸造单晶,也称为类单晶或者称为准单晶。它的方法是什么呢?它利用籽晶通过铸造的方法生长出单晶硅,也就是说我们把直拉硅晶体和铸造多晶硅两种技术的优点给结合起来这样我们既有低成本,低能耗也有高质量高效率的优点。所以这样一个技术在过去十年当中以及最近得到了非常大的关注。

实际上这个技术最早是国外发表的,这是在1977年的时候,就在一个杂志上面发表了这样一个技术。但是那个技术是是实验室的小直径,大概是这么一点大的晶体。所以发表完了以后没有人在意这样一个技术,一直到2006年BPCO他们把它做成了M2,引起了大家的关注。他要把它的效率做到18%,到了2009年的时候我们实验室做了相当多的一些工作,这样做了以后引起我们国内同行的关注。那么我们看看它究竟有什么好处,是不是真的能达到低成本,高效率。

我们来看这张图,这个是来鉴定材料质量好与坏的一个重要的指标。蓝色是表示好,红色表示差,你可以看到普通铸造多晶硅上面一个晶片156乘156,上面有相当多红色和绿色就代表它的性能比较差。而右边这个铸造的单晶,你有铸造的方法做出来单晶,它平均是比较均衡的,而且色彩是偏蓝的,效率是高,寿命是高的。

左边这张图可以看到,铸造的多晶硅生命要比普通多晶硅要高,而且它的分布又比较窄,认为它的性能是比较好的。我们把它做成太阳能电池你可以直接跟普通的,第一个是单晶,第二个红色是铸造多晶,最底下一个是普通的多晶。你可以看到在同样的情况下它可以比普通的多晶增加一个百分点,而比铸的单晶硅仅仅少0.5个百分点。因此它可以明显的提高太阳能电池的效率,第三个优点是光衰减比较小。大家都知道直拉硅晶体单晶硅它因为有复合体的存在,所以你一旦放在太阳底下去实际应用光会产生衰减,大概3-5%,差可以到10%。

这张图可以看到,最左边是普通的单晶,它的效率降低可以降低3%左右,而利用铸造多晶硅它由于氧含量,铸单晶硅由于氧含量比较低,因此它的硼氧复合体的量是明显的,你可以看到假如说用铸造单晶我们称为QSC这个材料,它的光衰减仅仅有单晶硅的20%-30%。也就是说大幅度的减小的单晶硅的光衰减,左边可以看到,随着光照时间的延长,对于普通单晶硅而言,它的缺陷力度硼氧复合体是成指数增加的,但是红色那个是铸造单晶几乎是不增加的。因此由于硼氧复合体的降低,导致了光衰减的降低,这就是铸造单晶三大优势。

正是由于这样一个优势在2010年前后,铸造单晶实际上已经被企业所采用,也大量的生产了。那年大概市场的份额占到了15%-20%左右,但是到了2013年以后工艺界放弃了,工艺界放弃主要的原因是在于高效多晶硅的出现,同时由于类单晶或者说铸造单晶存在着这样一些问题,第一个籽晶成本。第二个单晶率,第三个高位错密度,第四个采用利用率。等下我会简要介绍一下这些因素对目前我们依然存在,在2018年,2017年国内主要的厂家都在开发这样的技术,都在努力克服这四个主要的困难。第一个籽晶,左边那张图是一个示意图,我们要铸造的方法要单晶,在底部要铺一层籽晶,这个籽晶是用但晶切割下来,切割下来切成156乘156,然后铺在干锅的底部,而这样一个干锅这样一个晶体是需要成本的,它的厚度是在2个毫米左右,加工需要精养,控制比较复杂。这个增加了一个成本,所以目前现在大家正在研究的如何降低这个厚度,能不能籽晶厚度从两个毫米降低到一个毫米,这个籽晶能不能重复应用,这个硅单经我们能不能用边皮料,或者说我们希望用无籽晶的技术来成长类单晶。

这是目前国际上,国内正在走的技术途径。第二个问题是单晶率,右边这张图可以看到,晶体生长完以后这个单晶不是全部的单晶,在边角上还有多晶的存在,中间这张图是一个示意图,一般我们称为G5,是晶锭。就是说5乘5个晶钉所有蓝色地方是指单晶,而在边缘和边角上依然有多晶的存在。我们给大家举三个例子样品,一个是最角上的A1,一个边缘的C1,一个中间的C3,这张图可以看到A1这个样品两边角上有多晶,有花样,C1只有一边,中间C3已经完全是单晶了。

尽管这样边缘的多晶会造成一定的问题,这个问题会造成什么呢?工艺的不一致,用单晶工艺好呢?还是多晶工艺好呢?又有单晶又有多晶,还造成划片,这张图是一个太阳能电池,你可以看到太阳能电池当中边角就是划片,你把它放在屋顶上,它颜值不是那么好看,第二个相对效率会比较低。

今后大家正在努力的方向是什么呢?希望用这种方法能够做出100%的单晶,哪怕做成90%也可以降低成本,目前研究已经证明,我们在时间上大概可以做到90-95%。仅仅是四个角上有一点点,还有多晶存在,但是重复性控制还不是太好。因此,单晶硅的控制依然是我们一个挑战。

国际上现在提出了两种方法,一种方法是用一个籽晶,一个籽晶从中间开始,然后慢慢放大,这样的一个籽晶造成了单晶能够做到100%,这是理论发表的,但实际上没有做成功。

第二种技术我们称为功能精件的方法,左边这个图是用籽晶,籽晶长了一半的时候,从边缘就有其他的多晶体进来了。我们现在这个方法在边缘放一个特殊的晶件,这个往上走了以后,会控制边缘的晶体长进来,从而使得里面成为单晶,外面一点点是多晶,这个多晶又可以切掉的。

这个技术最早是日本人提出来的,最近我们和企业进行合作,已经把它做到产业化应用了,你可以看到这个是实际的籽晶,边缘铺了一层特殊的东西,左边是单晶,右边是多晶。通过这样的技术以后,我们可以把多晶限制在边缘,从而使得里面得到大面积的单晶的工作。

第三个现在存在的问题就是材料的利用率,刚才给大家讲过,就是从纵向延开的照片,四周特别是上边跟下边有红色的地方,红色的地方就意味着材料质量不好,在实际生长当中这一块要给切掉的。我们的多晶硅底部红边区可以达到5个厘米,这个切掉比较多,实际得到中间灰色的区域,我们就称为有效的单晶率,只有60%不到一点点。

因此,如果提高这一部分的比例达到70%,也是我们现在材料研究的一个重点,关键的是底部红色的那来的?我们做了一些研究,这个边上是籽晶的,跟铁扎制的含量是分布一致的。

左边这张图是模拟的结果,右边这张图是实验的结果,我们的工作跟实际对比,这部分主要是金属扎制所造成的,因此控制金属扎制铁对减少红边区,提高材料的利用率是一个重要的发展方向。

最后一个很重要的问题,这个位错有两种,一种是分散的位错,一种是位错团,这样的缺陷会造成少籽生命低,电磁的效率降低。我们首先看分散的位错,这个位错左边是多晶,右边只有位错,一个黑点,代表了一个位错,表示了晶体的缺陷。

这样从底部到头部密度是逐渐增加的,底部只有10的14次方,头部达到了10的5次方,这样会有什么样结果呢?我们随着位错密度的增加,少籽逐渐降低,同时所有的条件不变,做了太阳能电池效率就降低了0.5%,所以说单个位错对效率的影响非常明显。

还有一个问题,从底部到头部做了太阳能电池分散性比较差,这也是铸造单晶,目前遇到的一个困难,这个是物理的原因,为什么产生这样的位错,我就不给大家细讲了。

第二个晶界,你可以看到从铸造图的时候,从籽晶出发朝上面跑的是三角形的区域,这个区域会导致效率比较低,你可以看到是黄色的,这样腐蚀以后,有大量的缺陷,我们称为位错的出现,这是因为什么呢?在两个籽晶夹缝之间产生了位错,这个位错会沿着特定的面进行生长,长成了三角形的区域。

这个是比较讨厌的,一旦做到太阳能电池以后,整个硅片到后面全部变黑了,效率就非常低了,太阳能电池效率就比较差。这个是另外的图,我们把它横向了以后,在边缘区里有大量的位错团的出现,我就不给大家细讲物理原理了。即使做了太阳能电池,边缘的这些位错也不能消除,太阳能电池效率依然是比较低的。

你可以看作一个简单的比较,第一个是铸造单晶,是位错比较小的,他和最底下的单晶相比的话,可以增加1%的效率。但是如果位错团比较多,中间那个,效率甚至比普通的铸造多晶还要低。因此就说明什么了?如果不控制好位错质量,质量反而比普通的铸造多晶低,所以位错的控制对他非常重要。

我们提出一个新的技术是什么控制的呢?这是一个界面图铸造单晶,什么都不做中间有一个三角形的缺陷,从底部到上面快速生长的过程,也是一个三角形的,从底到上面的增加。

我们提出一个方法,我们故意在中间增加了一个晶界,会把缺陷给吸收了,就是以毒攻毒,故意加了一个缺陷,吸收了缺陷。这是我们看的,你可以看到中间我们故意加了一个晶界,底下的你看到有一个晶界很直的,但是位错没有了。

你再看最后的少籽生命图,三角形的低少籽区已经消除了,这个可以通过引入晶界控制这样缺陷团的产生,导致少寿命大幅度的提高。这是两个对比情况,上面是普通的,底下是故意引入晶界的一种情况。

你可以看到晶界有整个性能得到了改善,我就不讲了,这个是效率的情况。你可以看到这两个比较没有晶界,普通的只有16.5、17.5,加入引用晶界增加18.1,甚至东西都没变,可以引入制造单晶效率0.6%。

最后给大家做一个简要的总结,到目前铸造单晶是太阳能硅材料发展重要方向,但是面临位错密度、单晶率、材料利用率和籽晶成本的问题挑战,其中位错是关键的因素,而我们提出的机械工程,可以有效的降低位错,能力晶界。我们希望这样的技术在今后1-2年在工业界重新开始大规模的应用。

在结束之前,我要谢谢博士生和合作者,他们给了很多的帮助,对上面的一些工作。也要谢谢国家自然科学基金委,他们给了很多钱,我们才能做研究。最后,谢谢各位的聆听。

注:本文整理自中国科学院院士、硅材料国家重点实验室主任、半导体研究所所长杨德仁在第十届中国(无锡)国际新能源大会暨展览会上所作主题演讲,未经其本人审阅。

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