準單晶-太陽(yáng)電池技術(shù)概況
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我們知道，單晶硅一般是采用直拉法（CZ法）制得，用特定晶向的單晶籽晶進(jìn)行引晶，經(jīng)過(guò)旋轉提拉得到目標晶向的單晶硅棒，所得產(chǎn)品僅含一個(gè)晶粒，具有低缺陷、高轉換效率等特點(diǎn)。目前，單晶硅電池片大規模生產(chǎn)的轉換效率已經(jīng)達到18%，但是該方法對原料及操作要求高，且單次投料少，產(chǎn)品成本較高，太陽(yáng)能電池衰減較大。多晶硅主要是采用定向凝固方法制得，單次投料量大，具有易操作、低成本等特點(diǎn)，電池片衰減比單晶硅片小很多，但在傳統鑄錠條件下，在鑄錠多晶中往往含有大量晶界及缺陷，使得多晶硅太陽(yáng)能電池的轉換效率較單晶硅電池約低1.5%~2%。
1.2準單晶技術(shù)
準單晶技術(shù)的核心是單晶鑄錠技術(shù)，采用鑄錠工藝生產(chǎn)出的類(lèi)似單晶甚至全單晶的產(chǎn)品，將單晶硅及多晶硅的優(yōu)勢相合。相較于多晶，準單晶硅片晶界少，位錯密度低；太陽(yáng)能電池轉換效率高達17.5%以上。與單晶硅片相比，準單晶電池的光致衰減低約1/4～1/2；投爐料大，生產(chǎn)效率高，切片工藝簡(jiǎn)單，成本低。
2．準單晶鑄錠技術(shù)
2.1實(shí)現方法
實(shí)現鑄錠單晶的方法有兩種，如下：
（1）無(wú)籽晶鑄錠。無(wú)籽晶引導鑄錠工藝對晶核初期成長(cháng)控制過(guò)程要求很高。一種方法是使用底部開(kāi)槽的坩堝。這種方式的要點(diǎn)是精密控制定向凝固時(shí)的溫度梯度和晶體生長(cháng)速度來(lái)提高多晶晶粒的尺寸大小，槽的尺寸以及冷卻速度決定了晶粒的尺寸，凹槽有助于增大晶粒。因為需要控制的參數太多，無(wú)籽晶鑄錠工藝顯得尤為困難。
（2）有籽晶鑄錠。當下量產(chǎn)的準單晶技術(shù)大部分為有籽晶鑄錠。這種技術(shù)先把籽晶、硅料摻雜元素放置在坩堝中，籽晶一般位于坩堝底部，再加熱融化硅料，并保持籽晶不被完全融掉，最后控制降溫，調節固液相的溫度梯度，確保單晶從籽晶位置開(kāi)始生長(cháng)。
2.2溫度控制和工藝控制
準單晶鑄錠對溫度控制和工藝控制提出了很高的要求。為了滿(mǎn)足準單晶鑄錠的要求，鑄錠爐必須有嚴格的溫度梯度及凝固速度控制，適合的界面形狀，成核或單晶控制，流動(dòng)控制。目前已有多個(gè)廠(chǎng)家可以提供準單晶鑄錠設備，如紹興精功JJL500/JJL660/JJL800(G6),美國GTDSS450HP/DSS650(G5)，北京京運通JZ460/JZ660(G6)，德國ALDSCU450/SCU800，法國Cyberstar650/800。另外，歐美日廠(chǎng)家如REC（ALD改進(jìn)型），SchottSolar（VGF），京瓷（VGF類(lèi)型）都有專(zhuān)門(mén)設計的爐子，效果不錯。
其中ALD早期為BPsolar產(chǎn)品研發(fā)過(guò)設備。早在2006年，Bpsolar已圍繞鑄錠單晶這一主題做了較多工作，并開(kāi)發(fā)了MONO2產(chǎn)品，其專(zhuān)利US2007/0169684A1報道了多種方法。其中有一種方法是將籽晶與硅料分開(kāi)放置，將熔融硅液倒入鋪有籽晶的容器中進(jìn)行長(cháng)晶。后由于其總公司將重點(diǎn)放在了化石燃料方面，Bpsolar終止了鑄錠單晶的研究。
準單晶產(chǎn)品單個(gè)晶粒面積可達整張硅片的90%以上，位錯密度比較低，部分硅片約95%及以上區域幾乎無(wú)位錯，邊緣存在帶狀分布高位錯區域，部分硅片中含亞晶現象。以昱輝virtuswafer產(chǎn)品為例：靠近坩堝面的區域為多晶，其他區域根據長(cháng)晶體情況，若長(cháng)晶體情況較好的話(huà)基本為單晶，如圖1C所示。
圖1晶體大小在硅錠中的橫向分布
3.電池工藝的改進(jìn)
準單晶產(chǎn)品也引發(fā)了各個(gè)企業(yè)對電池工藝的改進(jìn)。硅片的晶向控制、位錯密度、碳氧濃度和雜質(zhì)分布，以及側邊問(wèn)題會(huì )直接影響電池片效率。不同于普通多晶，準單晶產(chǎn)品更適合堿制絨工藝，形成倒金字塔型織構化表面，可顯著(zhù)提高成品電池片效率。晶澳太陽(yáng)能針對準單晶電池片發(fā)明了先酸制絨后堿制絨的特殊工藝，目前maple系列電池片效率已經(jīng)達到了18.2%。然而由于堿制絨的各項異性，準單晶中尤其邊緣，非指定晶向處無(wú)法腐蝕，會(huì )在電池表面形成高亮區域，影響組件成品的外觀(guān)。
圖2昱輝和晶澳準單晶電池片
4.準單晶技術(shù)的決定性因素
4.1技術(shù)研發(fā)要點(diǎn)
（1）溫度梯度改進(jìn)。針對熱場(chǎng)研發(fā)以改良溫度梯度，同時(shí)還要注意熱場(chǎng)保護；
（2）晶種制備。研究發(fā)現，準單晶晶種制備方向將朝著(zhù)超大超薄的方向發(fā)展；
（3）精確熔化控制。這一環(huán)節非常難以控制，它決定準單晶是否能夠穩定生產(chǎn)，因此需要一個(gè)與之對應的精準熔化控制設備。據了解，為獲得穩定的控制工藝，鳳凰光伏開(kāi)發(fā)了一套針對準單晶專(zhuān)用的晶種融化控制設備，可以在0.5mm的時(shí)候進(jìn)入長(cháng)晶階段；
（4）位錯密度。在很多生產(chǎn)過(guò)程中，效率衰減總是不可避免，為此把位錯密度控制到最低，是此項工藝的關(guān)鍵；
（5）邊角多晶控制，即合理有效控制邊角多晶的比例；
（6）鑄錠良率提升。目前良率大約在40%~60%之間，還有待提高。
4.2量產(chǎn)決定性因素
（1）可行的工藝路線(xiàn)。如果開(kāi)發(fā)出的準單晶沒(méi)有可行的工藝路線(xiàn)，準單晶產(chǎn)品將只能處于實(shí)驗室階段；
（2）是穩定的控制方法；
（3）精準熔化控制設備；
（4）低廉的改造成本及生產(chǎn)成本，即在原有鑄錠爐的基礎上實(shí)現轉型，從而降低成本。鳳凰光伏日前宣布，該公司通過(guò)改造GTSolarDDS450型號爐，成功實(shí)現全球準單晶第一次量產(chǎn)，且成本低于晶硅電池。
5.準單晶技術(shù)的意義
準單晶不僅是高效硅片的一種可行性方式，同時(shí)也是鑄錠廠(chǎng)降低成本的一個(gè)途徑。關(guān)于成本控制問(wèn)題，眾所周知，在電池組件的利用率上，直拉單晶硅的硅棒呈圓柱狀，制作的光伏電池片需將四周切掉，組成的電池組件成品率為50%左右。相比較而言，準單晶硅鑄錠為方形鑄錠，制作電池片的切片也是直角方形，組成的電池組件成品率約為65%。在工藝成本上，直拉單晶硅為160元/公斤，而準單晶硅為60元/公斤。從光伏電池總成本上考慮，在硅原料、切片、組件等其他成本一定的前提下，整個(gè)生產(chǎn)鏈的成本可因準單晶硅鑄錠技術(shù)降低10%。但要做到該技術(shù)的低成本，不僅需要掌握相關(guān)工藝及理論知識，熟練的實(shí)際操作也必不可少。最后一個(gè)因素即高可靠性，核心表現為生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品能不能承受那么大的溫度差。
雖然準單晶具有各項優(yōu)勢，但從上述技術(shù)難點(diǎn)來(lái)看，其發(fā)展還存在諸多制約，還需要更多的技術(shù)突破以實(shí)現長(cháng)遠發(fā)展。
6.結語(yǔ)
光伏設備制造商們在未來(lái)將面臨巨大壓力。多方面研究生產(chǎn)工藝，用先進(jìn)設備滿(mǎn)足光伏行業(yè)的發(fā)展需求，是光伏設備制造商們的重要出路。目前，在單晶提拉、多晶鑄錠，尤其是準單晶鑄錠技術(shù)上，中國已經(jīng)超越了西方國家。國內的幾家著(zhù)名制造商均對準單晶生產(chǎn)工藝與技術(shù)有著(zhù)不同程度的研究與實(shí)踐應用。受益于準單晶，起步較早的企業(yè)將進(jìn)一步鞏固其在鑄錠爐市場(chǎng)的地位，為競爭日益激烈的光伏設備市場(chǎng)增添了籌碼。
從長(cháng)遠發(fā)展來(lái)看，隨著(zhù)準單晶產(chǎn)品的持續、規?；纳a(chǎn)，必將有越來(lái)越多的新技術(shù)陸續投入量產(chǎn)，如金剛線(xiàn)切割、全單晶鑄錠、直接薄硅片等等。
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