中国科学院杨德仁院士：铸造单晶优势显现，但需解决四大问题

硅材料决定了太阳能光伏的发展前景，在过去十年当中我国的硅材料也得到了快速的发展。2017年全世界硅晶体材料的前十强全部是中国企业。而十强生产的太阳能产品总共达到了65.4GW产量，占了全球产量的62%。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。11月1日上午，第十届中国(无锡)国际新能源大会暨展览会隆重召开，会上，浙江大学材料科学与工程学院教授、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杨院士就“铸造单晶的现状和发展”，发表了精彩演讲。

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以下为会议实录：

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最近硅材料重要的进展和铸造多晶硅相关的研究进展。

太阳能是新能源一个重要的发展趋势，根据欧盟的预测，大概在2050年太阳能发电将达到30%，而到2100年有望达到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现在以及过去十年当中也得到了充分的显示。十年的期间我国太阳能光伏发电增长了几乎10倍，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。去年我们中国的硅晶体太阳能电池组件它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组件的、电站的基础无疑是最吸引目光的。这些太阳能电池材料可以为几类，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。

现在最主流的太阳能电池是晶体硅，它在市场的份额超过了90%以上，而非晶硅当年达到10%，去年仅仅占了全球的0.2%。硅晶体的产业链是从硅石到金属硅，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。

我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，在过去十年当中我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。

晶硅产品分为两大类，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？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？这两个产品各有优点。从历史上去看，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，出现以后它的份额逐渐增加，一直到2003-2004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。

在随后的几年当中可以看到，铸造多晶硅的份额又继续增加。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年以后单晶硅的份额又在增加，所以它是政策市场技术和经济共同作用的结果，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。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。

这是目前一个状况，对于太阳能电池来讲高效率低成本，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。但是那个技术是实验室的小直径，。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，而铸造多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。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。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，这个籽晶是用单晶切割下来，切成156乘156，然后铺在坩埚的底部，而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。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，这个硅单晶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，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。