硅材料是重要且應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體材料，是微電子工業(yè)和光伏工業(yè)的基礎(chǔ)材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、無污染等優(yōu)點(diǎn)。硅材料有多種晶體形式，包括單晶硅、多晶硅和非晶硅等，應(yīng)用于光伏領(lǐng)域的主要包括直拉單晶硅、薄膜非晶硅/微晶硅、鑄造多晶硅、帶狀多晶硅等。其中，直拉單晶硅和鑄造多晶硅應(yīng)用更為廣泛，占太陽電池光伏材料 90% 以上的市場份額。

單晶硅和多晶硅的原料均來自高純度硅原料，初始原料為石英砂 (SiO2)，通過與焦炭在高溫電爐里發(fā)生炭熱還原反應(yīng)，形成99%左右純度的金屬硅（MG-Si），其中含有各種雜質(zhì)，如Al、Fe、C、B和P等，需經(jīng)進(jìn)一步的提純操作才能得到高純硅原料。石英砂純度的品味直接影響制備的冶金硅的純度品味，進(jìn)而影響提純制備高純硅原料的工藝和操作。

冶金硅中典型的雜質(zhì)濃度

單晶硅制備技術(shù)主要有區(qū)熔單晶硅和直拉單晶硅2種。區(qū)熔單晶硅是利用感應(yīng)線圈加熱硅料形成區(qū)域熔化，達(dá)到提純和生長單晶的目的。這種單晶硅純度很高、電學(xué)性能均勻，但工藝繁瑣、生產(chǎn)成本較高，一般不應(yīng)用于太陽電池的規(guī)?；a(chǎn)。直拉單晶硅是太陽電池用單晶硅的主要形式，通過在單晶爐中加熱熔化高純多晶硅原料，同時(shí)添加一定量的高純摻雜劑 ( 如硼、磷等 )，再經(jīng)過引晶、縮頸、放肩、等徑和收尾等晶體生長階段生長成單晶硅。

目前直拉單晶生長技術(shù)目前主要有直拉 (CZ) 法、磁場直拉 (MCZ) 法、直拉區(qū)熔 (CFZ) 法 3 種。磁場直拉 (MCZ) 法和直拉區(qū)熔 (CFZ) 法兩種拉晶工藝的成本較高，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣。而 CZ 法由于成本優(yōu)勢得到了規(guī)模化應(yīng)用，目前占據(jù)著單晶產(chǎn)業(yè)化的主導(dǎo)地位。

直拉法生長單晶硅工藝流程圖

直拉法（CZ法）生產(chǎn)單晶硅的設(shè)備由 4 部分組成：

爐體：包括石英鉗鍋、石墨鉗鍋、加熱組件、爐壁等； 晶棒和上升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：包括晶種夾、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)； 氣體氛圍與壓力：包括真空設(shè)備系統(tǒng)、Ar氣流量及壓力控制系統(tǒng)； 控制系統(tǒng)：包括傳感器和電腦控制設(shè)備。

其中單晶爐是單晶生長的核心設(shè)備，直接決定了拉晶的產(chǎn)能及晶體品質(zhì)。

典型CZ生長爐示意圖

太陽電池用直拉硅單晶硅片的質(zhì)量，主要以提高少子壽命增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率為前提。而氧是直拉單晶硅中的主要雜質(zhì)，它來源于熔硅與石英坩堝的反應(yīng)，屬于直拉單晶硅中不可避免的雜質(zhì)。生產(chǎn)高品質(zhì)硅片，主要從以下方面進(jìn)行：降低單晶氧碳含量、降低單晶氧施主濃度、提高單晶少子壽命、降低單晶光致衰減。

因此光伏直拉單晶硅的制備對(duì)石英砂原料和石英坩堝都有著一定的要求和標(biāo)準(zhǔn)，隨著相關(guān)技術(shù)不斷成熟應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，未來光伏直拉單晶硅對(duì)石英砂和石英坩堝有著怎樣的需求呢？

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專家介紹

從事產(chǎn)品研發(fā)管理近30年，曾任職航天科技集團(tuán)、比雅全球集團(tuán)億維訊高級(jí)技術(shù)專家，現(xiàn)任職隆基股份硅片研發(fā)高級(jí)經(jīng)理，是陜西省創(chuàng)新方法研究會(huì)、陜西生產(chǎn)力促進(jìn)中心特約專家，國際發(fā)明與創(chuàng)新協(xié)會(huì)MTRIZ國際二級(jí)認(rèn)證。長期從事太陽單晶硅材料研發(fā)相關(guān)工作，在產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造及其技術(shù)創(chuàng)新體系、管理創(chuàng)體系建設(shè)方面經(jīng)驗(yàn)豐富。

王向東

參考資料：

李繼陽. 光伏用直拉硅中氧相關(guān)缺陷的研究

高超. 直拉單晶硅中雜質(zhì)和缺陷的行為：重?fù)诫s和共摻雜的影響

2017 年我國光伏技術(shù)發(fā)展報(bào)告

王金全. 單晶硅生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵技術(shù)

蔣娜. 單晶硅生長技術(shù)研究新進(jìn)展

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