李素青

（有色金屬技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京海淀100080）

1 背景

太陽能光伏發(fā)電是一種將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的綠色能源。近年來，隨著全球經(jīng)濟的日益發(fā)展，對能源的需求也在急劇的增大，而常規(guī)能源的短缺以及帶來的環(huán)境污染問題，使得太陽能光伏發(fā)電得到了突飛猛進的發(fā)展。太陽能級硅材料和硅片是制備太陽能電池的原材料，是全球光伏產(chǎn)業(yè)的基石。硅是地球上儲藏最豐富的材料之一，在地殼中含量達25.8%，用硅來制造太陽能電池，原料可謂不缺。近幾年，硅單晶產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)工藝及技術(shù)都取得了重大的突破，憑借更高的效率、更優(yōu)的性價比、更低的成本，單晶的市場份額一直在穩(wěn)步提升，太陽能電池用硅單晶產(chǎn)品也因此受世人矚目。

2 行業(yè)現(xiàn)狀

截至2017年底，我國光伏發(fā)電總裝機量達130GW，連續(xù)3年位居全球首位；新增光伏發(fā)電裝機53GW，連續(xù)5年位居世界第一。光伏產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)生產(chǎn)規(guī)模全球占比均超過50%，繼續(xù)保持全球首位。

單晶硅與多晶硅是太陽能光伏晶硅組件的兩條技術(shù)路線，因晶格排列不同而區(qū)分為單晶、多晶。近些年來，單晶技術(shù)由于具備突出的轉(zhuǎn)化效率和成本不斷下降的趨勢而備受業(yè)界青睞。單晶的客戶價值已逐步被行業(yè)認可，各大單晶產(chǎn)品供應(yīng)商紛紛滿產(chǎn)、擴產(chǎn)，產(chǎn)能的增加使得單晶產(chǎn)品價格持續(xù)下降，這讓單晶產(chǎn)品漸漸有了與多晶產(chǎn)品競爭的實力，包括多晶企業(yè)在內(nèi)的越來越多的企業(yè)正在切入單晶領(lǐng)域，保利協(xié)鑫能源便是典型的例子?？梢灶A(yù)見在不遠的將來，隨著成本的迫近甚至達到持平，單晶有望進一步擴大市場份額。

我國在全球單晶硅供應(yīng)和需求方面都是主要參與者。已于2012年成功上市的隆基股份是全球最大的單晶硅產(chǎn)品制造商，占全球市場份額的48%。該公司憑借多年來在半導(dǎo)體單晶硅領(lǐng)域的技術(shù)研究和應(yīng)用積累，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，目前在全球光伏產(chǎn)業(yè)鏈中擁有重要地位。中環(huán)股份是集科研、生產(chǎn)、經(jīng)營、創(chuàng)投于一體的國有控股高新技術(shù)企業(yè)，硅單晶及晶片的綜合實力、整體產(chǎn)銷規(guī)模位列全球前列，高效 N 型硅片市場占有率全球第一。本次標準修訂正是基于硅單晶及硅片產(chǎn)品的技術(shù)進步和市場的變化，依托國內(nèi)的主要生產(chǎn)和使用單位對原標準進行的修訂。

3 標準主要內(nèi)容

近年來隨著光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，太陽能電池市場需求的提高和技術(shù)的進步，太陽能電池用硅單晶、硅單晶片的技術(shù)指標發(fā)生了很大的變化，為了規(guī)范相關(guān)的產(chǎn)品，更好地為光伏硅材料生產(chǎn)企業(yè)服務(wù)，有必要對國家標準《太陽能電池用硅單晶》和《太陽能電池用硅單晶片》進行修訂。

圖1 準方形硅單晶的端面示意圖

表1 準方形硅單晶的端面尺寸 單位為毫米

圖2 方形硅單晶的端面示意圖

表2 方形硅單晶的端面尺寸 單位為毫米

3.1 GB/T 25076《太陽能電池用硅單晶》主要內(nèi)容

國家標準《太陽能電池用硅單晶》是對GB/T 25076-2010《太陽電池用硅單晶》的修訂，由有研半導(dǎo)體材料有限公司牽頭起草。為統(tǒng)一太陽能電池相關(guān)材料標準的名稱，在征求各相關(guān)單位的同意后，此次修訂將標準名稱由《太陽電池用硅單晶》修改為《太陽能電池用硅單晶》。本標準規(guī)定了太陽能電池用硅單晶的牌號、分類、要求、試驗方法、檢驗規(guī)則以及標志、包裝、運輸、貯存、質(zhì)量證明書和訂貨單（或合同）內(nèi)容。本標準適用于直拉摻雜制備的圓形硅單晶經(jīng)加工制成的準方形或方形硅單晶。產(chǎn)品經(jīng)切割成硅片后進一步制作太陽能電池。

（1）外形尺寸

太陽能電池片分為單晶片和鑄錠多晶片兩大類。太陽能電池采用的硅單晶大都采用直拉法生長，該生產(chǎn)工藝決定了目前硅單晶錠只能做成圓的。隨著技術(shù)進步和行業(yè)發(fā)展，出現(xiàn)了方形硅單晶片，由于不同的下游用戶要求的具體端面尺寸指標也多有不同，標準修訂中參照SEMI PV22-0817《太陽能電池用硅片規(guī)范》，將目前市場上的主流產(chǎn)品（如156I、156Ⅱ、156Ⅲ）和未來最新的發(fā)展方向（如161.75、210.75）列入標準。修訂后的準方形硅單晶的端面尺寸具體見圖1、表1，增加的方形硅單晶的端面尺寸具體見圖2、表2。

（2）電學性能

硅單晶電學性能的具體指標見表3。

表3 電學性能

使用直拉法制造硅單晶的過程中需要加入摻雜劑，由于摻雜的濃度不同，硅單晶的電阻率也會不同。同時，因為后續(xù)用戶采用不同的工藝、生產(chǎn)的電池結(jié)構(gòu)不同而對電阻率的要求區(qū)別較大。根據(jù)標準編制過程中各相關(guān)單位的意見和現(xiàn)行產(chǎn)品的實際要求，將電阻率下限由0.5Ω·cm改為P型0.2Ω·cm，N型0.1Ω·cm。此次修訂未對徑向電阻率變化進行修改。

少數(shù)載流子壽命和太陽能電池轉(zhuǎn)換效率直接相關(guān)。影響硅單晶少子壽命的主要因素有硅單晶內(nèi)的雜質(zhì)和缺陷，而多晶硅原料的純度、熱屏和加料器材質(zhì)等都會影響硅單晶內(nèi)的雜質(zhì)和缺陷。近年來太陽能電池廠家使用的微波光電導(dǎo)測試設(shè)備，測得的壽命值不僅僅包含非平衡少數(shù)載流子，也含有多子的貢獻，因此該方法測得的壽命嚴格的說應(yīng)被稱為“載流子復(fù)合壽命”。在不強調(diào)壽命測試方法的前提下設(shè)置壽命指標是沒有意義的，所以本標準中注明了性能參數(shù)要求指標中的壽命是采用微波光電導(dǎo)方法測試得到的載流子復(fù)合壽命。同時，在本標準中注明“對電阻率、徑向電阻率變化以及載流子復(fù)合壽命有其他要求時，由供需雙方協(xié)商解決”。這樣無論在指標上還是測試方法上都解決了不同測試方法測量壽命存在差異的問題，至于針對不同的測試方法獲得的壽命指標應(yīng)該如何要求，還是由供需雙方協(xié)商確定。

（3）晶向及晶向偏離度

太陽能電池用硅單晶最常用的晶向為＜100＞，這是由于沿＜100＞晶向拉制易于獲得長尺寸、低缺陷的硅單晶，而且容易在后續(xù)通過堿溶液腐蝕獲得不同的絨面結(jié)構(gòu)。此次修訂未對硅單晶的晶向及晶向偏離度進行修改。

（4）氧含量及碳含量

氧是直拉硅單晶中以間隙態(tài)存在的主要雜質(zhì)，過高的氧容易在硅中形成氧施主和氧沉淀，導(dǎo)致電阻虛高，影響電學性能，并產(chǎn)生黑心低效和光衰減現(xiàn)象。因此，對于高效太陽能電池來講，降低氧含量是提高硅單晶內(nèi)在品質(zhì)的主要改善指標之一。本次標準修訂中提高了氧含量要求，并對不同導(dǎo)電類型的硅單晶間隙氧含量賦予不同的指標，另外，在標準修訂過程中，明確了氧含量的定義，為避免與硅中的全部狀態(tài)下的氧含量混淆，將原標準中的氧含量改為間隙氧含量。

碳也會影響后續(xù)產(chǎn)品的電學性能，與氧含量類似，碳含量也存在代位碳之外的形態(tài)，因此將原標準中碳含量改為代位碳含量，并在碳含量的指標上有了提高，將不同導(dǎo)電類型的代位碳含量賦予不同的指標。

（5）晶體完整性

硅單晶內(nèi)部的晶體缺陷會影響載流子壽命，進而影響太陽能電池轉(zhuǎn)化效率。綜合考慮目前大部分廠家的生產(chǎn)水平，本次修訂未對位錯密度進行修改，僅增加了“無滑移位錯”的要求。

（6）體金屬含量

硅單晶中的金屬含量可能來源于多晶、拉晶的原輔材料以及拉晶過程中的沾污，而金屬含量高不僅影響太陽能電池的性能，也會帶來缺陷的問題。在本次修訂時增加了硅單晶的體金屬含量項目。

（7）表面質(zhì)量

由于硅單晶經(jīng)切割后直接獲得硅單晶片，硅單晶的表面質(zhì)量會直接影響后續(xù)硅單晶片的質(zhì)量和成品率，所以在本次修訂中增加了表面質(zhì)量的要求。

3.2 GB/T26071《太陽能電池用硅單晶片》主要內(nèi)容

國家標準《太陽能電池用硅單晶片》是對GB/T 26071—2010《太陽能電池用硅單晶切割片》的修訂，是與標準《太陽能電池用硅單晶》配套使用的，由浙江省硅材料質(zhì)量檢驗中心牽頭起草。由于太陽能電池用硅單晶片加工過程只有切割片一種，且目前行業(yè)中的習慣叫法都是太陽能電池用硅單晶片，所以在標準修訂過程中各相關(guān)單位一致同意將標準名稱由《太陽能電池用硅單晶切割片》改為《太陽能電池用硅單晶片》。本標準規(guī)定了太陽能電池用硅單晶片（簡稱硅片）的牌號及分類、要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝、運輸、貯存、質(zhì)量證明書和訂貨單（或合同）內(nèi)容等。與《太陽能電池用硅單晶》相對應(yīng)，本標準適用于由直拉法制備的硅單晶加工成的準方形或方形硅片，產(chǎn)品用于制作太陽能電池的襯底片。

（1）總則

直拉法生長的太陽能電池用硅單晶經(jīng)破方后獲得與后續(xù)的硅單晶片一樣的截面尺寸，再經(jīng)鋼線或金剛線切割后獲得硅單晶片，清洗后得到最終的成品。從硅單晶到硅單晶片的過程中，材料的電學性能、氧含量、碳含量、晶體完整性都沒有變化，而硅片的邊長、倒角、對角線長度（直徑）、垂直度、晶向及晶向偏離度的要求也與硅單晶一致，因此上述項目的具體要求與修訂后的《太陽能電池用硅單晶》保持一致。

（2）幾何參數(shù)

幾何參數(shù)是硅片的重要技術(shù)指標之一。目前，太陽能硅片均采用多線切割，單位長度硅棒能夠產(chǎn)出硅片的數(shù)量為硅棒長度與槽距的比值。為了多產(chǎn)出硅片，需要盡可能的縮小槽距。由于金剛線切割較砂漿切割的效率高，單晶硅材料正率先快速轉(zhuǎn)向金剛線切割。根據(jù)行業(yè)市場需求，本次標準修訂中增加了硅片厚度“130±15、140±15、150±15、170±20”相對應(yīng)的要求，刪除了硅片厚度“220±20、240±20”相對應(yīng)的要求，具體見表4。

表4 幾何參數(shù) 單位為微米

翹曲度是硅片中位面上各點在軸向偏離參考平面的最大值與最小值之差。本標準結(jié)合各企業(yè)的實際情況，對翹曲度指標分級進行了適當?shù)募訃?，由原來的翹曲度為≤75微米，修改為翹曲度為≤40或50微米。

（3）表面質(zhì)量

隨著光伏行業(yè)硅單晶切割使用的金剛線直徑減小，加工技術(shù)水平不斷提高，加工后太陽能電池用硅單晶片的表面質(zhì)量提到了很大的改善，為此，標準在修訂過程中對線痕深度的要求從“≤20μm”修改為“≤15μm”，缺口的要求改為“無”。

4 標準實施的重要意義

《太陽能電池用硅單晶》和《太陽能電池用硅單晶片》作為太陽能電池原材料的產(chǎn)品標準，是聯(lián)系光伏行業(yè)上下游的技術(shù)紐帶，在標準制定過程中既考慮了客戶需求又保證了生產(chǎn)工藝的可控制性，是生產(chǎn)、科研中應(yīng)用廣泛和非常實用的產(chǎn)品標準。標準在修訂過程中均參考了國際先進企業(yè)的產(chǎn)品指標和國內(nèi)外用戶的要求，技術(shù)指標上綜合考慮了目前國內(nèi)外的技術(shù)水平，也與國外先進標準接軌?！短柲茈姵赜霉鑶尉А愤€前瞻性的提出了對太陽能電池用硅單晶體內(nèi)金屬的測試。兩個標準結(jié)合我國的實際生產(chǎn)和發(fā)展，給出了最新的指標以及相應(yīng)的測試依據(jù)，均達到國際先進水平，通過標準的建立，能夠進一步規(guī)范市場，促進光伏行業(yè)的進步與發(fā)展。