| 硅材料國家重點實驗室主任楊德仁：單晶與多晶產品將共存 |
| 來源：國際能源網 時間：2018-11-6 9:09:33 用手機瀏覽 |
2018年11月1日至3日，“第十屆中國(無錫)國際新能源大會暨展覽會(CREC2018)”在無錫召開。本次大會由國家能源局、中國能源研究會指導，中國貿促會、江蘇省人民政府主辦，無錫市人民政府等承辦。中國科學院院士、硅材料國家重點實驗室主任、半導體研究所所長楊德仁在同期舉行的2018年全球新能源產業峰會上作了“鑄造單晶的現狀和發展”的主題演講。
楊德仁在演講中指出，隨著今后的發展單晶硅的份額將會增加的更多，而多晶硅的份額會一定量的減少。但是在市場上兩個產品將會在一定程度里面共存，誰也不會簡單消滅誰。
以下為楊德仁演講文字實錄：
楊德仁：各位領導、各位專家、各位同仁上午好。首先感謝組委會邀請我來跟大家分享一下，關于最近硅材料一個重要的進展，鑄造多晶硅相關的研究進展。
在剛才會議上面我們很多領導和專家對太陽能的發展做了一個比較好的介紹，從這張圖上面也可以看到，太陽能是新能源一個重要的發展趨勢，這張圖顯示了歐盟做的一個預計，大概在2050年我們的太陽能發電在歐盟希望達到30%，而到2100年希望達到70%，因此太陽能光伏發電是今后新能源里面最重要的一個能源形勢。而這個能源形勢在我們國家，以及在過去十年當中也得到了充分的顯示，這是過去十年當中我們可以看到的，太陽能光伏安裝量的一個增加。
十年的期間增長了幾乎是10倍，我們從2006年當年1.5個GW到去年接近100個GW，大概增長了整個的65倍，而我們中國的發展也是非常迅速的。到了去年我們中國的硅晶體，太陽能電池組件的市場份額在國際上都達到了60%-80%。
在快速發展當中太陽能電池作為一個基礎，組件的基礎，電站的基礎無疑是最吸引人和吸引目光的。在這些太陽能電池材料當中你可以看到，我們大致可以為幾類，一種是晶體硅，一種是非晶硅，一種是化合物半導體包括砷化鎵，以及今后將要發展的新概念太陽能電池。
但在這當中現在的發展你可以看到，最主流的最重要的是晶體硅，它在市場的份額超過了90%以上，而非晶硅當年達到10%，而去年僅僅占了全球的0.2%。我們在看這硅晶體的產業鏈相對來說我們這很多的專家比較熟，它是從硅石到金屬硅，然后再到純多晶硅，我們通過多種的方法給提純。也就是達到7個9，到9個9。在這種情況下，我們把這樣一個材料制備成晶體硅再做成太陽能電池，再做成組件。
所以今天我們在展覽會上看到很多組件企業的展覽，這個我們應用終端的產品之一。我們今天要給大家講的是中間重要的材料，就是晶體硅。這種晶體硅它主要有兩種形式，一種我們稱為單晶，我們利用籽晶的方法進行生長的。在2017年也就去年，大概占了全球的30%，另外一種是鑄造晶體硅，這也是我們江蘇協鑫做的非常棒的一個技術。在去年大概占了市場整個67%，可以看到這兩個加起來大概占了整個市場的96.5%，這樣我們可以毫不猶豫的說，硅材料決定了太陽能光伏的發展前景，在過去十年當中中國的硅材料也得到了快速的發展，這張圖給大家看的是在2017年，全世界硅材料，硅晶體材料的前十強，你可以看到全部是中國的，這個十強生產的太陽能總共達到了65.4個GW產量，占了全球產量的62%。所以大家可以看到中國的硅材料對于全世界的硅材料太陽能光伏產業起著決定性作用。在一些企業當中，第二行可以看到我們包括了兩種，一種是鑄造多晶硅，一種是直拉硅晶體，而這兩種有什么區別呢？
左邊是直拉的硅晶體，右邊是鑄造的多晶體這兩種的生長方法不一樣，通常而言對于直拉這種技術而言質量好，太陽能電池效率高。因此高效的太陽能電池基本上用這種技術制備的，但是它相對成本要高，能耗要高一些。另外一個方法是鑄造多晶硅，它的成本低，但是它的能耗也低，但是相對質量比較差一點，它的效率也低一點，因此這兩種材料在過去的十年當中既是我們太陽能的主體材料，同樣它也在市場上展開了一個激烈的競爭。
很多人在問，究竟是多晶好，還是單晶好？做單晶的時候單晶好，做多晶的說多晶好。所以在這兩年的市場上競爭非常激烈，我們給大家看一看它究竟哪個好。兩個各有優點，從歷史上去看，這個是從2000年開始到2017年，這兩種材料在市場一個份額紅色是單晶的，藍色是鑄造多晶，你可以看到其實一開始做成太陽能電池的時候就是單晶的沒有多晶的。到了上世紀80年代，90年代的時候鑄造多晶技術開始出現，出現以后你看它的份額逐漸增加，一直到2004年的時候，2003年的時候達到了最高點。占了全球市場的55%，然后又逐漸下降，到了2007年的時候又下降了40%左右，那時候單晶硅又漲到40%左右了，那個主要原因是由于中國大力發展的單晶硅。
在隨后的幾年當中你也可以看到，鑄造多晶硅的份額又繼續增加。市場份額在不斷的增加，而鑄造多晶硅的份額也在不斷增加，而這個增加也是由于中國的鑄造多晶硅企業開始投資了，開始快速增長了。到了2015年以后你可以看到單晶硅的份額又在增加，所以它是一個政策市場技術和經濟共同作用的一個結果，從技術上看，這是今后的趨勢，因為高效太陽能電池占的比例將會越來越多。而效率越高對硅材料質量的要求將會越高。所以我們刊印看到，底下深藍色的和藍色的這個是多晶硅，那么黃色和淺藍色是單晶硅，你可以看到隨著今后的發展單晶硅的份額將會增加的更多，而多晶硅的份額會一定量的減少。但是在市場上兩個產品將會在一定程度里面共存，誰也不會簡單消滅誰。
所以這是我們目前一個狀況，對于太陽能電池來講大家都知道的，高效率低成本，是一個長期追求的一個目標。所以對這兩種材料來講也是圍繞著這兩種目標進行的，相對來說多晶硅是低成本，因此它的技術研究上面希望是高效率，所以在控制津貼減少錯等提高質量上面現在是我們技術發展的路徑。
而對單晶硅而言它的質量比較高，因此它關注的問題是怎么樣改善技術，降低成本。比如說金剛線切割，增加強度重復加料，連續加料等等，這些是它技術發展的方向。當然今天我要給大家介紹是第三路，我們有沒有更好的路來做這個事情。這是我們最近正在努力工作一個我們稱為鑄造單晶，也稱為類單晶或者稱為準單晶。它的方法是什么呢？它利用籽晶通過鑄造的方法生長出單晶硅，也就是說我們把直拉硅晶體和鑄造多晶硅兩種技術的優點給結合起來這樣我們既有低成本，低能耗也有高質量高效率的優點。所以這樣一個技術在過去十年當中以及最近得到了非常大的關注。
實際上這個技術最早是國外發表的，這是在1977年的時候，就在一個雜志上面發表了這樣一個技術。但是那個技術是是實驗室的小直徑，大概是這么一點大的晶體。所以發表完了以后沒有人在意這樣一個技術，一直到2006年BPCO他們把它做成了M2，引起了大家的關注。他要把它的效率做到18%，到了2009年的時候我們實驗室做了相當多的一些工作，這樣做了以后引起我們國內同行的關注。那么我們看看它究竟有什么好處，是不是真的能達到低成本，高效率。
我們來看這張圖，這個是來鑒定材料質量好與壞的一個重要的指標。藍色是表示好，紅色表示差，你可以看到普通鑄造多晶硅上面一個晶片156乘156，上面有相當多紅色和綠色就代表它的性能比較差。而右邊這個鑄造的單晶，你有鑄造的方法做出來單晶，它平均是比較均衡的，而且色彩是偏藍的，效率是高，壽命是高的。
左邊這張圖可以看到，鑄造的多晶硅生命要比普通多晶硅要高，而且它的分布又比較窄，認為它的性能是比較好的。我們把它做成太陽能電池你可以直接跟普通的，第一個是單晶，第二個紅色是鑄造多晶，最底下一個是普通的多晶。你可以看到在同樣的情況下它可以比普通的多晶增加一個百分點，而比鑄的單晶硅僅僅少0.5個百分點。因此它可以明顯的提高太陽能電池的效率，第三個優點是光衰減比較小。大家都知道直拉硅晶體單晶硅它因為有復合體的存在，所以你一旦放在太陽底下去實際應用光會產生衰減，大概3-5%，差可以到10%。
這張圖可以看到，最左邊是普通的單晶，它的效率降低可以降低3%左右，而利用鑄造多晶硅它由于氧含量，鑄單晶硅由于氧含量比較低，因此它的硼氧復合體的量是明顯的，你可以看到假如說用鑄造單晶我們稱為QSC這個材料，它的光衰減僅僅有單晶硅的20%-30%。也就是說大幅度的減小的單晶硅的光衰減，左邊可以看到，隨著光照時間的延長，對于普通單晶硅而言，它的缺陷力度硼氧復合體是成指數增加的，但是紅色那個是鑄造單晶幾乎是不增加的。因此由于硼氧復合體的降低，導致了光衰減的降低，這就是鑄造單晶三大優勢。
正是由于這樣一個優勢在2010年前后，鑄造單晶實際上已經被企業所采用，也大量的生產了。那年大概市場的份額占到了15%-20%左右，但是到了2013年以后工藝界放棄了，工藝界放棄主要的原因是在于高效多晶硅的出現，同時由于類單晶或者說鑄造單晶存在著這樣一些問題，第一個籽晶成本。第二個單晶率，第三個高位錯密度，第四個采用利用率。等下我會簡要介紹一下這些因素對目前我們依然存在，在2018年，2017年國內主要的廠家都在開發這樣的技術，都在努力克服這四個主要的困難。第一個籽晶，左邊那張圖是一個示意圖，我們要鑄造的方法要單晶，在底部要鋪一層籽晶，這個籽晶是用但晶切割下來，切割下來切成156乘156，然后鋪在干鍋的底部，而這樣一個干鍋這樣一個晶體是需要成本的，它的厚度是在2個毫米左右，加工需要精養，控制比較復雜。這個增加了一個成本，所以目前現在大家正在研究的如何降低這個厚度，能不能籽晶厚度從兩個毫米降低到一個毫米，這個籽晶能不能重復應用，這個硅單經我們能不能用邊皮料，或者說我們希望用無籽晶的技術來成長類單晶。
這是目前國際上，國內正在走的技術途徑。第二個問題是單晶率，右邊這張圖可以看到，晶體生長完以后這個單晶不是全部的單晶，在邊角上還有多晶的存在，中間這張圖是一個示意圖，一般我們稱為G5，是晶錠。就是說5乘5個晶釘所有藍色地方是指單晶，而在邊緣和邊角上依然有多晶的存在。我們給大家舉三個例子樣品，一個是最角上的A1，一個邊緣的C1，一個中間的C3，這張圖可以看到A1這個樣品兩邊角上有多晶，有花樣，C1只有一邊，中間C3已經完全是單晶了。
盡管這樣邊緣的多晶會造成一定的問題，這個問題會造成什么呢？工藝的不一致，用單晶工藝好呢？還是多晶工藝好呢？又有單晶又有多晶，還造成劃片，這張圖是一個太陽能電池，你可以看到太陽能電池當中邊角就是劃片，你把它放在屋頂上，它顏值不是那么好看，第二個相對效率會比較低。
今后大家正在努力的方向是什么呢？希望用這種方法能夠做出100%的單晶，哪怕做成90%也可以降低成本，目前研究已經證明，我們在時間上大概可以做到90-95%。僅僅是四個角上有一點點，還有多晶存在，但是重復性控制還不是太好。因此，單晶硅的控制依然是我們一個挑戰。
國際上現在提出了兩種方法，一種方法是用一個籽晶，一個籽晶從中間開始，然后慢慢放大，這樣的一個籽晶造成了單晶能夠做到100%，這是理論發表的，但實際上沒有做成功。
第二種技術我們稱為功能精件的方法，左邊這個圖是用籽晶，籽晶長了一半的時候，從邊緣就有其他的多晶體進來了。我們現在這個方法在邊緣放一個特殊的晶件，這個往上走了以后，會控制邊緣的晶體長進來，從而使得里面成為單晶，外面一點點是多晶，這個多晶又可以切掉的。
這個技術最早是日本人提出來的，最近我們和企業進行合作，已經把它做到產業化應用了，你可以看到這個是實際的籽晶，邊緣鋪了一層特殊的東西，左邊是單晶，右邊是多晶。通過這樣的技術以后，我們可以把多晶限制在邊緣，從而使得里面得到大面積的單晶的工作。
第三個現在存在的問題就是材料的利用率，剛才給大家講過，就是從縱向延開的照片，四周特別是上邊跟下邊有紅色的地方，紅色的地方就意味著材料質量不好，在實際生長當中這一塊要給切掉的。我們的多晶硅底部紅邊區可以達到5個厘米，這個切掉比較多，實際得到中間灰色的區域，我們就稱為有效的單晶率，只有60%不到一點點。
因此，如果提高這一部分的比例達到70%，也是我們現在材料研究的一個重點，關鍵的是底部紅色的那來的？我們做了一些研究，這個邊上是籽晶的，跟鐵扎制的含量是分布一致的。
左邊這張圖是模擬的結果，右邊這張圖是實驗的結果，我們的工作跟實際對比，這部分主要是金屬扎制所造成的，因此控制金屬扎制鐵對減少紅邊區，提高材料的利用率是一個重要的發展方向。
最后一個很重要的問題，這個位錯有兩種，一種是分散的位錯，一種是位錯團，這樣的缺陷會造成少籽生命低，電磁的效率降低。我們首先看分散的位錯，這個位錯左邊是多晶，右邊只有位錯，一個黑點，代表了一個位錯，表示了晶體的缺陷。
這樣從底部到頭部密度是逐漸增加的，底部只有10的14次方，頭部達到了10的5次方，這樣會有什么樣結果呢？我們隨著位錯密度的增加，少籽逐漸降低，同時所有的條件不變，做了太陽能電池效率就降低了0.5%，所以說單個位錯對效率的影響非常明顯。
還有一個問題，從底部到頭部做了太陽能電池分散性比較差，這也是鑄造單晶，目前遇到的一個困難，這個是物理的原因，為什么產生這樣的位錯，我就不給大家細講了。
第二個晶界，你可以看到從鑄造圖的時候，從籽晶出發朝上面跑的是三角形的區域，這個區域會導致效率比較低，你可以看到是黃色的，這樣腐蝕以后，有大量的缺陷，我們稱為位錯的出現，這是因為什么呢？在兩個籽晶夾縫之間產生了位錯，這個位錯會沿著特定的面進行生長，長成了三角形的區域。
這個是比較討厭的，一旦做到太陽能電池以后，整個硅片到后面全部變黑了，效率就非常低了，太陽能電池效率就比較差。這個是另外的圖，我們把它橫向了以后，在邊緣區里有大量的位錯團的出現，我就不給大家細講物理原理了。即使做了太陽能電池，邊緣的這些位錯也不能消除，太陽能電池效率依然是比較低的。
你可以看作一個簡單的比較，第一個是鑄造單晶，是位錯比較小的，他和最底下的單晶相比的話，可以增加1%的效率。但是如果位錯團比較多，中間那個，效率甚至比普通的鑄造多晶還要低。因此就說明什么了？如果不控制好位錯質量，質量反而比普通的鑄造多晶低，所以位錯的控制對他非常重要。
我們提出一個新的技術是什么控制的呢？這是一個界面圖鑄造單晶，什么都不做中間有一個三角形的缺陷，從底部到上面快速生長的過程，也是一個三角形的，從底到上面的增加。
我們提出一個方法，我們故意在中間增加了一個晶界，會把缺陷給吸收了，就是以毒攻毒，故意加了一個缺陷，吸收了缺陷。這是我們看的，你可以看到中間我們故意加了一個晶界，底下的你看到有一個晶界很直的，但是位錯沒有了。
你再看最后的少籽生命圖，三角形的低少籽區已經消除了，這個可以通過引入晶界控制這樣缺陷團的產生，導致少壽命大幅度的提高。這是兩個對比情況，上面是普通的，底下是故意引入晶界的一種情況。
你可以看到晶界有整個性能得到了改善，我就不講了，這個是效率的情況。你可以看到這兩個比較沒有晶界，普通的只有16.5、17.5，加入引用晶界增加18.1，甚至東西都沒變，可以引入制造單晶效率0.6%。
最后給大家做一個簡要的總結，到目前鑄造單晶是太陽能硅材料發展重要方向，但是面臨位錯密度、單晶率、材料利用率和籽晶成本的問題挑戰，其中位錯是關鍵的因素，而我們提出的機械工程，可以有效的降低位錯，能力晶界。我們希望這樣的技術在今后1-2年在工業界重新開始大規模的應用。
在結束之前，我要謝謝博士生和合作者，他們給了很多的幫助，對上面的一些工作。也要謝謝國家自然科學基金委，他們給了很多錢，我們才能做研究。最后，謝謝各位的聆聽。
注：本文整理自中國科學院院士、硅材料國家重點實驗室主任、半導體研究所所長楊德仁在第十屆中國（無錫）國際新能源大會暨展覽會上所作主題演講，未經其本人審閱。
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