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中科院院士杨德仁:直拉硅晶体技术主要挑战是低氧浓度和低能耗

光伏原材料及辅料  来源:北极星太阳能光伏网    2018/7/8 14:20:08  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:太阳能光伏材料中硅材料经过20年发展,在国际上多晶硅占了50%,电池,组件占了60%以上,成为了名副其实国际光伏大国。通过先进技术应用,使得我们直拉硅晶体成本,能耗大幅度降低。今后直拉硅晶体还有挑战。挑战主要的是两个。一个是低的氧浓度,第二个是低能耗。

2018年7月8日,2018光伏领袖峰会˙黄山光伏大会二十年纪念论坛在黄山新华联豪生大酒店举办,一起光伏APP对论坛进行直播。中国科学院院士、中国可再生能源学会光伏专委会副主任杨德仁讲解光伏硅晶体新技术并作出展望。

北极星太阳能光伏网为您带来发言实录:

中国科学院院士、中国可再生能源学会光伏专委会副主任杨德仁:关于太阳能硅晶体技术,交流新的技术,让我们有更好的发展方向,降低成本,给我们整个的产业鼓劲。所以今天有机会在硅晶体新技术给大家做分享。

这个之前给大家看两个照片。

这个在照片墙里大家已经看到了。这是20年前参加黄山会议的时候拍的。那时候,我刚从德国回来。我记得那时候我回来以后,参加的第一个国内的同行的会议。我在德国了几年,研究铸造多晶硅,然后回来以后想跟国内企业发展,然后找组织,找了赵玉文老师和林安东老师,向他们请教国内的太阳能产业和学术的研讨的机会。然后他们两个人告诉我在黄山有这么一个会议,马上要召开了。所以我有幸参加了这这样一个会议。有幸参与了我们中国光伏产业腾飞和发展的历史的机遇。很有意思的是我找了一下,大家看一下。这是我那一年在黄山会议上的报告的摘要和题目。当时讲的是铸造硅晶体生产和和研究。一直到现在我们硅材料依然是太阳能光伏主要材料。

这是我们太阳能光伏硅材料整个材料和电池组件的产业链,经过20年发展,20年前,我们在国际上,大概连0.1%的份额都占不到。那么,我们现在,刚才王秘书长已经讲了,我们多晶硅占了50%,电池,组件占了60%以上,成为了名副其实国际光伏大国。

今天讲一行关于硅晶体有什么新的技术值得我们关注和今后的研究。

这是一个晶体示意图。这是2016年时候可以达到23%,整个产量的电池材料当中。2017年的时候增加了27%。今年比例可能还会增加一点。近几年当中,技术有进展,大概有这么几个方面。第一个实现了快速拉晶,原来拉晶每分钟0.8毫米,现在达到每分钟1.3-2.5毫米。它是增加了水冷泡功率,使得冷却速度提高,晶体生产速度大幅度提高。第二个超长晶体,在我们原来讲8英寸的时候,能够长到2米是算长的,现在一般长的3米到4米。第三个就是连续拉晶,原来一个钢锅拉一个晶体,现在可以拉3-5个晶体。可以节约时间,节约能耗,使得晶体的,直拉硅晶体成本大幅度降低。右边这个是我们连续拉晶的示意图,其实这个技术在20年前,30年前,就有了。但是成本降不下来,在最近几年当中,特别是我们容积(音)在这方面做了非常好的技术。通过先进技术应用,使得我们直拉硅晶体成本,能耗大幅度降低。今后还有挑战。挑战主要的是两个。一个是低的氧浓度,第二个是低能耗。就是相对于铸造多晶硅,能耗还是比较高的,相对于铸造多晶硅有比较高氧,会生成光衰减,这是它的难度。因为最近大家正在开发的是希望做的高纯坩埚涂层或者高纯碳化坩埚。

第二个新技术是参鍺,大家看到左边这个图是普通直拉单晶体通过参鍺以后可以减少,右边是组件衰减量,可以使得普通组件光衰减降低17%-20%左右。那么,还有另外一个好处就是能够增加机械强度,减少碎片,左边这个图,是无论切片还是电池,还是组件供应当中,参鍺碎片率都比普通的要低,比普通的要低15%左右,因此这也可以降低它的成本。这样的技术有望在企业里面,假如说能够控制鍺成本也可以应用在企业里。

另外一个技术就是连续加料技术,就是CCZ技术。这个示意图就是边上用交料器,把颗粒料缓慢加入到直拉晶硅晶体边缘,不影响晶体生长速度,这样有什么好处,省掉化料的时间。这个是早期SUNEDISON开发的,现在在大力推进这个技术的发展。

除了供体料拉晶以外,可以看左边坩埚化料转化成熔硅,然后加到晶体生长容器当中,使得晶体生长的炉里面,溶度不降低,所以一个管里面生产两个晶。

右边这个图,可以看到用大坩埚熔化大量的料,要小坩埚长晶体,这样控制晶体的日产,这样情况也何以造成一根坩埚可以生产3-5根的晶体的状况。而这两种技术还没有人把它推到产业化。

最近提出一个新的技术就是长方技术,可以通过用直拉方法长出方晶体,通过切割可以减少了切边的损失,提高材料的利用率。除这个技术之外还有一个技术就是电注入抗LID技术,直拉硅就是有一个问题就是里面氧浓度比较高,导致B-O复合体比较高!造成光衰减,我们了一个新技术,就是把电池做好以后,我们通过电注入情况下,大家可以看到,然后抑制了光衰减,左边电池效率,可以通过这样技术可以使直拉硅光衰减减少0.1%以下,这样技术设备在国内大量推广了。特别是了有了明显效率提高的作用。

还有一种技术最近提出来的,是金胜机电今年提出的,他说通常硅晶体是是圆的,我们切的是四方的,他说我们要切成六角形的,通过电池制备,通过组件拼装,可以做成六角形电池组件,通过这样可以使得材料利用率提高19%以上,可以使得单硅片成品利用率增加19%。现在把直拉硅方式转变成六角形切方式。这是直拉硅的。

对于制造多晶硅也是主要的材料。2017年制造多晶硅很困难情况下,依然占了整个市场的63%,成为最主要的材料。目前,主要技术进展,就是会在坩埚底下增加一个籽晶层。目前的做法主要两做,一种全融和半融。希望发展是大尺寸,从G7、G8,尺寸更大,成本更低。产业发展情况,最近两年在铸造多龟晶硅投资发展比较好,所以现在在G8发展上比较缓慢了。技术对今后挑战主要两个,一个是质量要更高,也就是使得缺陷的密度,渣子浓度进一步降低。

现在有什么技术出现的,值得大家关注的。一个是去年7月份,LDK做的,他们做普通铸造多晶硅,是多边形的,他们做成八边形的,利用这样的坩埚和热产,可以用现在G5炉子长出八边形,而且还可以提高产能70%以上,而不要更新主要的设备。

第二种就是大家非常关注的准单晶,就是把单晶和多晶优势结合起来,兼具直拉晶硅和籽晶的优势。这样技术在2013年左右已经在市场上有了一定的量,大概百分之十几,多效硅出来以后,这个产品慢慢消失了,最近大家有提出很大的关注,不同企业正在花很大力气在推广。包括去年,我们国内某个企业,说我将要大规模生产,实际上还是没有能做到。问题在哪呢?大概有4大问题会出现在新的技术上面。一个就是籽晶成本问题,第二个单晶率问题,第二个高密度位问题,第四个材料利用率问题。

我讲两个上面遇到的问题。

第一个问题就是单晶,现在在中部有单晶,大家边缘的就是多晶。这样会导致效率低,色差严重,这是比较严重的地方。现在进展比较好了,好多企业能够做到90%以上的单晶率。如果要大规模生产我们希望达到95%以上的单晶率。国际上用什么方法,提了两种技术,是在前沿研究的,但是有一定困难。一种单籽晶技术,我们现在做类单晶是坩埚里铺了籽晶,通过模糊状形状长成一个单晶。这个技术也没有走入产业化。

第二个技术是我们叫功能晶界技术,它是在哪,在籽晶边缘故意设置一个特殊晶件,这样一个晶件有什么好处,可以看到红的线,使得这个晶件产生,使的边缘多晶被挡住,边缘又被切掉,使得中间都长成单晶。这个是成为国内正在研发的关键的重点。还有一个技术,也是日本的教授发明的。他们是用籽晶的方式,希望在铸造多晶硅当中长成单晶来,这个教授9月份将会到我实验室进行两个月合作研究,他希望能不能朝工业界推一推,当然这个地方还有存在一些新的问题。

铸造类单晶有一个问题,我们这是铸造单晶硅一个图,除了边缘之外,中间都是好的单晶。但是你要看它的位错就会发现,沿着籽晶的便捷,拼接缝的时候产生三角形的寿命区,这一块会影响材料的性能,导致效率难以提高,最近我们和企业合作做了新的工作。这个工作我们称之为晶界工程技术,左上角是硅原子排列状况,可以看到这是像块硅原子中间有一条缝。我们在晶体生长的时候故意引入这个缝,这个缝引入以后,可以使得它中间寿命低区域消失。这个使用了晶界位错导致材料性能提升的技术。

刚才讲了是主要的晶体生长技术。

另外一个就是在晶体加工,也是我们另外一大块,刚才我们前面有两位老师已经讲了,在过去3年当中,晶体加工,最重要的一个发展就是金刚线切割,2015直拉硅全部该成了金刚线。2017年有一半的铸造多晶硅改成了金刚线切割,这个切割速度快,可以增加50%。而且环保,这样使得基本成本有得到降低。但是带来一个问题,金刚线切割跟砂浆切割,表面损失不一样的,这是我们2012年发表论文,上面是砂浆切割表面,下面是金刚线切割表面,金刚线切割以后的腐蚀以后,会导致效率非常低。这个导致了为什么铸造晶硅金刚线切割很难进展的。现在为什么又出现了,就是解决了多晶硅添加剂,使得金刚线切割效率比砂浆切割稍微降低一点。另外,假如我们用黑硅技术,可以时的效率再增加一点,成本又增加了一些,还有一种方法利用我们所谓的等离子刻蚀技术,因为用了等离子,设备贵,一般产业不太会采用,所以基本上产业界用了前面两种。黑硅而言。有一个很大问题,通常利用银例子在现有制备好容面结构上等等纳米的技术。这样的技术带来一个问题,就是银离子清洗和污染的问题,就是重金属污染问题,环保问题,增加了成本问题。所以下一步挑战,对于产业界和研究界来讲,能不能用一种方法,利用无银离子方法制备出黑硅来,这是新的挑战。

这是我们当年做的用银离子辅助纳米孔制备黑硅。今后能不能用无银离子,这是我们重点的方法,另外一个薄片加工,大家看到03-04年,原来太阳能电池是330um,现在到180um,现在降不下去了,如果还能够降低下去,我们成本还可以降低。为什么降低不下去了以后,一薄以后导致强度降低,切片碎片增加,输运片,电池加工碎片。右下角,大家可以看到,我们什么都没有改变,什么条件没有改变,把厚度从180um到60um,电池效率降低1.6%,这是一个问题。这是我们对薄片硅的分析,薄片硅是未来的方向。除了切割可以做薄片硅以外,学术界提到几种新颖制薄片硅的方法,看这边这个图,这是在硅片上面,涂一银离子,再加铝离子,这样一加热以后会把硅表面有一层硅。能够撕裂开来形成一个薄片硅。但是这是从产业界来讲难度比较大。第二个方法里面用氢离子注意,通过氢离在子硅片里加入变成很薄,一加热变成氢气,这样造成很薄一片,50um,甚至30纳米的硅片出来。这种几技术都是在研究当中。没有走入产业化。

第三个技术就是带硅技术,这个技术前几年大家听说了,因为我们晶体硅,无论直拉的还是铸造的,都要切割,都有损伤。实际上我们材料利用率30-40%,因此我们能不能直接出硅片,这样的话,我们材料可以成本大幅度降低了。过去20年当中,30年当中,国际上发明了好几种方法,一种方法我们称之为EFG方法,就是通过两个石墨板,通过毛系细管下拉出来,可以拉成八边形到十二变形的形状,可以拉长到5米长,厚度280um,这样的技术也投入了生产。当初奥巴马给了很多钱做这样一个技术。最后,这个技术还是失败了。因为我们自己晶体硅技术成本下降比较厉害。

第二种技术就是带硅技术,线牵引技术,SRG技术。利用两个碳化硅技术,两根线当中形成薄膜硅,然后激光直接切割也可以造成太阳能电池,在实验室可以到15.4%效率,这是美国风投了很多钱做产业化的技术。

再有德国做的技术,RGS技术,利用方框,把硅熔化起来,在方框当中开一个口,让溶硅流出来,把衬底往前移动,这样溶硅就变成薄弱的硅。也可以长出10米、20米硅出来。这个技术在德国没有得到开发,后来转给荷兰研究所了,依然没有得到产业化。

最后一个,这是大家两年听说的带硅技术,就是1366技术,他们是用溶硅,把硅溶化下来,直接长出一个片,通过激光把边缘切割下来。说能够做好这个薄片硅。做成电子效率可以达到20.1%,这样材料,这样技术在我们国内几家电子厂得到了尝试和验证实验。无论怎么讲,所有的带硅技术都面临一个共同问题,就是它的生长速度比较快。导致了它的晶粒细小,效率提升具有一定的困难。因此这样技术能不能真的走入产业界还有待与大家的努力,等待观察。

在欧洲还有一种薄膜发展,是在硅,把硅做成透光硅片,然后在表面做成多孔,利用CVD方法,在多孔上面,在外延一层薄膜单晶硅,利用这个单晶硅把它切割下来,薄片下来,可以到50个um,也可以把效率做到20.5%以上。这都是在研究界做的技术,能否走到产业界还有待进一步大家的努力和观看。

那么,以上给大家介绍了晶体硅生长和加工过程当中一些新的技术,知道大家关注的,有一些具有产业应用的场景,有一些是基础研究的探索。但是,无论怎么讲,在可以预见的将来,硅作为太阳能光伏主体材料,这是不可改变的。而且我们相信,硅晶体生产和硅加工新技术也不断的涌现,会促进成本的进一步降低,对光伏产业进一步发展还会给出更多的一个贡献。

来源:北极星太阳能光伏网

(根据现场速记整理,未经嘉宾审阅)

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