楊素心

（有色金屬技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100089）

經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、從弱到強(qiáng)的跨越，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)處于全球先進(jìn)水平，前沿技術(shù)也開(kāi)始加速布局。2019年，全球光伏新增裝機(jī)市場(chǎng)約120GW，創(chuàng)歷史新高；2020年，在光伏發(fā)電成本下降和新興市場(chǎng)拉動(dòng)等有利因素的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)全球光伏市場(chǎng)仍將保持增長(zhǎng)。硅材料是光伏產(chǎn)業(yè)的基石，其質(zhì)量的提升直接影響著光伏發(fā)電的效率和成本。我國(guó)已成為全球最大的光伏用硅材料生產(chǎn)基地，2019年我國(guó)多晶硅產(chǎn)量達(dá)34.2萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)32.0%，全國(guó)硅片產(chǎn)量約為134.6GW，同比增長(zhǎng)25.7%。光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展和對(duì)高質(zhì)量的要求，促使硅材料生產(chǎn)工藝不斷改革與創(chuàng)新，光伏用硅材料標(biāo)準(zhǔn)也受到了更為密切的關(guān)注。

1 標(biāo)準(zhǔn)概況

標(biāo)準(zhǔn)作為產(chǎn)品組織生產(chǎn)、檢驗(yàn)和用戶驗(yàn)收的依據(jù)，在產(chǎn)品的生產(chǎn)和貿(mào)易中起著舉足輕重的作用。全國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備和材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)材料分技術(shù)委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱半材標(biāo)委）經(jīng)過(guò)20余年的運(yùn)行，在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域深耕細(xì)作，在標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、協(xié)調(diào)服務(wù)以及平臺(tái)建設(shè)等方面積極開(kāi)展工作，取得了豐碩的成果。在光伏領(lǐng)域，半材標(biāo)委圍繞典型的硅材料、原輔材料、副產(chǎn)品、測(cè)試方法以及安全生產(chǎn)、能耗限額、資源綜合利用、綠色制造等開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)研究，目前已發(fā)布的光伏用硅材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有79項(xiàng)，包括基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（含原輔材料、副產(chǎn)品）18項(xiàng)、方法標(biāo)準(zhǔn)51項(xiàng)、管理標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)，平均標(biāo)齡5.3年。由于硅材料發(fā)展較早，光伏用硅材料標(biāo)準(zhǔn)中的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和方法標(biāo)準(zhǔn)很多都是隨著電子級(jí)硅材料的發(fā)展建立起來(lái)的，其中隨著光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展建立的標(biāo)準(zhǔn)有54項(xiàng)，這些標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)發(fā)展初始，起到了規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量、促進(jìn)行業(yè)交流及技術(shù)進(jìn)步的重要作用。

硅材料作為光伏行業(yè)的基礎(chǔ)原材料，近年來(lái)技術(shù)進(jìn)步顯著，硅材料的標(biāo)準(zhǔn)從內(nèi)容到水平也發(fā)生了重大改變。本文特對(duì)光伏用多晶硅、硅塊、硅片標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行介紹與分析。

2 太陽(yáng)能級(jí)多晶硅

作為光伏行業(yè)最基礎(chǔ)的原材料，目前我國(guó)多晶硅的生產(chǎn)方法主要有改良西門子法和流化床法，但以改良西門子法為主的格局在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有大的變化。

GB/T 25074-2017《太陽(yáng)能級(jí)多晶硅》主要針對(duì)改良西門子法多晶硅，適用于以氯硅烷、硅烷為原料生長(zhǎng)的棒狀多晶硅或經(jīng)破碎形成的塊狀多晶硅。標(biāo)準(zhǔn)中將改良西門子法多晶硅按外形分為塊狀和棒狀，按導(dǎo)電類型分為n型和p型，根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的區(qū)別分為四級(jí)，并首次提出了特級(jí)品。半材標(biāo)委秘書處曾聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)主要起草人對(duì)GB/T 25074《太陽(yáng)能級(jí)多晶硅》的2017年版與2010年版進(jìn)行對(duì)比解讀[1]，可供讀者參考。GB/T 25074-2017產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了多晶硅的電學(xué)性能、雜質(zhì)含量、尺寸、表面質(zhì)量等技術(shù)要求，其中除尺寸、表面質(zhì)量外的技術(shù)指標(biāo)都有適用的測(cè)試方法，但是部分方法標(biāo)準(zhǔn)已申報(bào)修訂，并有新的測(cè)試方法可用，具體情況見(jiàn)表1。為了避免在實(shí)驗(yàn)室審核時(shí)產(chǎn)生歧義，標(biāo)準(zhǔn)中還在“試驗(yàn)方法”章單獨(dú)明確了對(duì)多晶硅進(jìn)行施主雜質(zhì)濃度、受主雜質(zhì)濃度、氧含量、碳含量、少數(shù)載流子壽命、導(dǎo)電類型、電阻率檢驗(yàn)前，需按照GB/T 4059-2018《硅多晶氣氛區(qū)熔基磷檢驗(yàn)方法》、GB/T 4060-2018《硅多晶真空區(qū)熔基硼檢驗(yàn)方法》或GB/T 29057-2012《用區(qū)熔拉晶法和光譜分析法評(píng)價(jià)多晶硅棒的規(guī)程》規(guī)定的方法制成單晶試樣。

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的變化，多晶硅片廠商使用硅料比例降低，單晶硅片廠商按照n型單晶和p型單晶用多晶硅進(jìn)行訂貨，但究其區(qū)別，不同用途的多晶硅仍然是關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的不同。在深化標(biāo)準(zhǔn)化工作改革的大背景下，是否有必要另行細(xì)化制定太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)將在后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化工作中探討。由于光伏產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇、多晶硅生產(chǎn)技術(shù)不斷進(jìn)步，多晶硅和硅片產(chǎn)能進(jìn)一步集中，多晶硅供需雙方都在GB/T 25074-2017標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上加嚴(yán)控制技術(shù)指標(biāo)。目前供需雙方逐漸對(duì)多晶硅尺寸要求達(dá)成了共識(shí)，后續(xù)可根據(jù)應(yīng)用情況在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)多晶硅尺寸進(jìn)一步規(guī)范，其中塊狀多晶硅尺寸多用篩分法進(jìn)行測(cè)試，鑒于尺寸的測(cè)試過(guò)程可能帶來(lái)沾污，可考慮制定專用的尺寸測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)，明確測(cè)試環(huán)境、干擾因素等。另外，多晶硅表面的粉塵對(duì)下游的使用影響較大，表面質(zhì)量中可增加粉塵要求，同時(shí)考慮制定表面質(zhì)量的測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)。

2 流化床法顆粒硅

流化床法生產(chǎn)的顆粒硅投資少、成本低，但是金屬雜質(zhì)含量較高，目前主要用于單晶硅連續(xù)拉晶加料、多晶硅鑄錠時(shí)填隙以增加投料量。目前國(guó)內(nèi)江蘇中能、天宏瑞科已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了顆粒硅的小批量生產(chǎn)，2018年6月亞洲硅業(yè)也攻克了氯硅烷制備顆粒硅的難題，中試線采用二氯二氫硅直接分解制備顆粒硅，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化。

GB/T 35307-2017《流化床法顆粒硅》適用于以硅烷氣為原料、采用流化床法生產(chǎn)的顆粒狀多晶硅，標(biāo)準(zhǔn)中也根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的區(qū)別將顆粒硅分為四個(gè)等級(jí)，其中施主雜質(zhì)濃度、受主雜質(zhì)濃度、碳含量檢測(cè)前，需按照GB/T 35309-2017《用區(qū)熔法和光譜分析法評(píng)價(jià)顆粒狀多晶硅的規(guī)程》規(guī)定的方法將顆粒硅樣品制備成單晶試樣。相較于GB/T 25074-2017《太陽(yáng)能級(jí)多晶硅》，顆粒硅標(biāo)準(zhǔn)中增加了氫含量的要求，這是由于生產(chǎn)工藝的特殊性導(dǎo)致顆粒硅中氫含量較高，而高含量的氫會(huì)帶來(lái)安全隱患、降低后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量。GB/T 35307-2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢驗(yàn)方法以及目前檢驗(yàn)方法的最新進(jìn)展見(jiàn)表2。

表2 GB/T 35307-2017《流化床法顆粒硅》

近幾年國(guó)內(nèi)顆粒硅生產(chǎn)技術(shù)及質(zhì)量水平明顯提升，GB/T 35307-2017《流化床法顆粒硅》標(biāo)準(zhǔn)已不能有效指導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)以及滿足客戶需求。目前標(biāo)準(zhǔn)編制單位已經(jīng)提出修訂申請(qǐng)，將提高施受主雜質(zhì)濃度、碳含量以及總金屬雜質(zhì)含量的要求，同時(shí)更新測(cè)試方法。與棒狀多晶硅相比，顆粒硅的生產(chǎn)工藝更為簡(jiǎn)單，現(xiàn)階段的產(chǎn)量低，直接相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)較少。隨著未來(lái)顆粒硅市場(chǎng)和技術(shù)的變化，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系可以參照改良西門子法多晶硅的進(jìn)行完善，如制定《流化床法顆粒硅用籽晶》。

3 單晶硅塊、硅片

早期單晶硅片因長(zhǎng)晶爐投料量、生長(zhǎng)速率、拉棒速度等方面的技術(shù)不夠成熟，生產(chǎn)成本居高不下，而多晶硅錠使用鑄錠技術(shù)成本優(yōu)勢(shì)明顯而占據(jù)主要市場(chǎng)份額。近年來(lái)，得益于連續(xù)直拉單晶、金剛線切割等技術(shù)的應(yīng)用，單晶硅片成本明顯降低，而且單晶硅片具有單一晶向、無(wú)晶界、位錯(cuò)密度低等優(yōu)點(diǎn)，其光電轉(zhuǎn)換效率較多晶硅片高。2019年單晶硅片市場(chǎng)占比約65%，而隨著光伏市場(chǎng)的不斷發(fā)展，高效電池將成為市場(chǎng)主導(dǎo)，單晶硅片市場(chǎng)份額有望繼續(xù)擴(kuò)大。

GB/T 25076-2018《太陽(yáng)能電池用硅單晶》、GB/T 26071-2018《太陽(yáng)能電池用硅單晶片》分別適用于直拉摻雜制備的圓形硅單晶經(jīng)加工制成的準(zhǔn)方形或方形硅單晶，以及由硅單晶加工成的準(zhǔn)方形或方形硅片。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定硅單晶、硅單晶片按導(dǎo)電類型分為n型、p型兩種，按照外形尺寸分為準(zhǔn)方形和方形兩種。準(zhǔn)方形按其邊長(zhǎng)分為100.75mm、125.75mm、156I、156Ⅱ、156Ⅲ、161.75mm、210.75mm；方形按其邊長(zhǎng)分為100.75mm、125.75mm、156.75mm、210.75mm；其他尺寸規(guī)格可由供需雙方協(xié)商確定。按照直徑或邊長(zhǎng)對(duì)硅單晶進(jìn)行分類品種太多，在標(biāo)準(zhǔn)中不可能涵蓋目前市場(chǎng)上的所有規(guī)格，因此標(biāo)準(zhǔn)編制時(shí)參照SEMI PV22-0817《太陽(yáng)能電池用硅片規(guī)范》，納入行業(yè)主流產(chǎn)品和最新的發(fā)展方向。半材標(biāo)委秘書處也曾對(duì)GB/T 25076、GB/T 26071的主要修訂內(nèi)容以及編制原則進(jìn)行了解讀[2]，可供參考。GB/T 25076-2018中規(guī)定的硅單晶的檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢驗(yàn)方法以及目前檢驗(yàn)方法的最新進(jìn)展見(jiàn)表3。

直拉法生長(zhǎng)的硅單晶經(jīng)加工獲得與后續(xù)的硅單晶片一樣的截面尺寸，再經(jīng)金剛線切割后獲得硅單晶片。從硅單晶到硅單晶片的機(jī)械加工過(guò)程中，材料的電學(xué)性能、氧含量、碳含量、晶體完整性都沒(méi)有變化，而硅片的邊長(zhǎng)、對(duì)角線長(zhǎng)度（直徑）、倒角長(zhǎng)度、垂直度、晶向及晶向偏離度的要求也與硅單晶一致。GB/T 26071-2018中規(guī)定的單晶硅片的檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢驗(yàn)方法以及目前檢驗(yàn)方法的最新進(jìn)展見(jiàn)表4。

單晶硅塊、硅片產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)在修訂時(shí)，結(jié)合行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)水平和下游客戶需求情況，既納入了市場(chǎng)上現(xiàn)行的主流產(chǎn)品，又考慮了最新的發(fā)展方向，目前標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)基本適用，但測(cè)試方法存在問(wèn)題。單晶硅塊標(biāo)準(zhǔn)方面，主要體現(xiàn)為硅塊的尺寸測(cè)試有自動(dòng)測(cè)試儀測(cè)量和手動(dòng)測(cè)量?jī)煞N，但標(biāo)準(zhǔn)中未引用GB/T 37213-2018《硅晶錠尺寸的測(cè)定 激光法》，載流子復(fù)合壽命的測(cè)試主要使用非接觸渦流法，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定與現(xiàn)行實(shí)際不符，但是目前已申報(bào)制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，再者表面質(zhì)量的測(cè)試還未制定標(biāo)準(zhǔn)，可研究制定硅塊的紅外透視檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)。單晶硅片標(biāo)準(zhǔn)方面，由于目前硅片的生產(chǎn)速度非?？?，傳統(tǒng)的離線測(cè)試手段已經(jīng)無(wú)法滿足需求，非接觸式在線測(cè)試方法成熟，在硅片企業(yè)廣泛應(yīng)用，大大提高了測(cè)試效率，降低了生產(chǎn)成本，對(duì)應(yīng)的方法標(biāo)準(zhǔn)也很完整。但是GB/T 26071-2018起草時(shí)未注意對(duì)該系列標(biāo)準(zhǔn)的引用，需要及時(shí)進(jìn)行更新，具體對(duì)應(yīng)情況見(jiàn)表4。

表3 GB/T 25076-2018《太陽(yáng)能電池用硅單晶》

表4 GB/T 26071-2018《太陽(yáng)能電池用硅單晶片》

4 多晶硅塊、硅片

隨著多晶硅鑄錠和切片技術(shù)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上對(duì)多晶電池效率的不斷要求和企業(yè)對(duì)成本的不斷管控，現(xiàn)在的多晶硅片已變得更加多樣化，其尺寸、外形、電學(xué)性能參數(shù)都有了提升，未來(lái)預(yù)計(jì)主要向黑硅多晶、類單晶路線發(fā)展。GB/T 29054-2019《太陽(yáng)能電池用鑄造多晶硅塊》、GB/T 29055-2019《太陽(yáng)能電池用多晶硅片》分別適用于從鑄造技術(shù)制備的硅錠上切割得到的多晶硅塊以及多晶硅片，包括類單晶硅塊和硅片。類單晶是結(jié)合直拉單晶和鑄造多晶兩者的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的，目前基本采用籽晶誘導(dǎo)生長(zhǎng)技術(shù)，即采用單晶硅塊作為籽晶，以定向凝固法生長(zhǎng)形成鑄造多晶，該晶體具有明顯與籽晶同方向的大晶粒，轉(zhuǎn)換效率高于多晶。但是類單晶的電學(xué)性能、尺寸、外觀等要求與傳統(tǒng)多晶硅塊基本一致，因此暫未單獨(dú)編寫標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T 29054-2019中規(guī)定的鑄造多晶硅塊的檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢驗(yàn)方法以及目前檢驗(yàn)方法的最新進(jìn)展見(jiàn)表5。由于多晶硅塊及Ⅱ類類單晶硅塊表面存在晶界，電阻率、載流子壽命、氧含量、碳含量測(cè)試時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)晶界區(qū)域，在中心區(qū)域的大晶粒范圍內(nèi)測(cè)試，而且測(cè)試值僅供參考。

表5 GB/T 29054-2019《太陽(yáng)能電池用鑄造多晶硅塊》

表6 GB/T 29055-2019《太陽(yáng)能電池用多晶硅片》

與單晶硅片類似，多晶硅片是由多晶硅塊經(jīng)金剛線切割而成，因此硅片的邊長(zhǎng)、倒角尺寸、導(dǎo)電類型、電阻率、載流子壽命、氧含量、碳含量與多晶硅塊的要求一致，其中載流子壽命、氧含量、碳含量不再進(jìn)行批檢，質(zhì)量由供方保證。GB/T 29055-2019中規(guī)定的多晶硅片的檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢驗(yàn)方法以及目前檢驗(yàn)方法的最新進(jìn)展見(jiàn)表6。

與單晶硅塊、硅片的標(biāo)準(zhǔn)類似，多晶硅塊、硅片產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求滿足行業(yè)需要。方法標(biāo)準(zhǔn)方面，單晶硅塊的尺寸、表面質(zhì)量的測(cè)試問(wèn)題與多晶硅塊一樣，而類單晶硅塊的晶粒面積比例目前是通過(guò)對(duì)比樣塊人工目測(cè)判定，未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，暫時(shí)無(wú)制定方法標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)基礎(chǔ)；多晶硅片多采用在線自動(dòng)測(cè)試，對(duì)應(yīng)的方法標(biāo)準(zhǔn)完整、適用性強(qiáng)，其中類單晶硅片的晶粒面積比例已采用儀器測(cè)試，正研究制定相應(yīng)的方法標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

2020年3 月，國(guó)家能源局發(fā)布《關(guān)于2020年風(fēng)電、光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)的通知》，2020年度新建光伏發(fā)電項(xiàng)目補(bǔ)貼預(yù)算總額度為15億元，相比2019年補(bǔ)貼金額縮減一半。光伏發(fā)電降補(bǔ)貼，由高速發(fā)展向高質(zhì)量轉(zhuǎn)變，推進(jìn)平價(jià)上網(wǎng)已是大勢(shì)所趨。光伏用硅材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和方法標(biāo)準(zhǔn)基本齊全，最新的多晶硅、硅塊、硅片的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布于2017～2019年，2010年前發(fā)布的多項(xiàng)方法標(biāo)準(zhǔn)也已提出修訂，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，促使產(chǎn)業(yè)技術(shù)不斷進(jìn)步，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)將緊跟行業(yè)發(fā)展進(jìn)行更新，新的測(cè)試方法也逐步提出制定。半材標(biāo)委一直致力于推進(jìn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展，后續(xù)將繼續(xù)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施情況調(diào)研，緊跟產(chǎn)業(yè)變化，從測(cè)試方法、原輔材料以及工藝技術(shù)規(guī)范、工業(yè)節(jié)能等方面進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)體系。