光伏硅片工艺对比研究论文

单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅均不如单晶硅。多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。单晶硅可算得上是世界上最纯净的物质了，一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上。大规模集成电路的要求更高，硅的纯度必须达到九个9。目前，人们已经能制造出纯度为十二个9 的单晶硅。单晶硅是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。 多晶硅的生产工艺主要由高纯石英（经高温焦碳还原）→工业硅（酸洗）→硅粉（加HCL）→SiHCL3（经过粗馏精馏）→高纯SiHCL3（和H2反应CVD工艺）→高纯多晶硅 国内的多晶硅单价主要看纯度，纯度在9个9的很少，价格应该在2500以上了！详细价格不定， 单晶硅生产工艺主要有两种，一种是直拉法，一种是区熔法。工艺的介绍也可以在网上找得到。 单晶硅片的单价是论片算，不会按吨算的，这里还要区分是太阳能级还是IC级，这里我只知道关于6寸太阳能级硅片，每片价格在53元左右 单晶硅的制造方法和设备 1、一种单晶硅压力传感器制造方法及其结构 2、单晶硅生产装置 3、制造单晶硅的设备 4、单晶硅直径测定法及其设备 5、单晶硅直径控制法及其设备 【单晶硅】 英文名： Monocrystalline silicon 分子式： Si 硅的单晶体。具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到％，甚至达到％以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。 熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征半导体。在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成p型硅半导体；如掺入微量的ⅤA族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元件。 用途： 是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等 单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。 单晶硅建设项目具有巨大的市场和广阔的发展空间。在地壳中含量达的硅元素，为单晶硅的生产提供了取之不尽的源泉。 近年来，各种晶体材料，特别是以单晶硅为代表的高科技附加值材料及其相关高技术产业的发展，成为当代信息技术产业的支柱，并使信息产业成为全球经济发展中增长最快的先导产业。单晶硅作为一种极具潜能，亟待开发利用的高科技资源，正引起越来越多的关注和重视。 【多晶硅】 polycrystalline silicon 性质：灰色金属光泽。密度。熔点1410℃。沸点2355℃。溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。硬度介于锗和石英之间，室温下质脆，切割时易碎裂。加热至800℃以上即有延性，1300℃时显出明显变形。常温下不活泼，高温下与氧、氮、硫等反应。高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性。电子工业中广泛用于制造半导体收音机、录音机、电冰箱、彩电、录像机、电子计算机等的基础材料。由干燥硅粉与干燥氯化氢气体在一定条件下氯化，再经冷凝、精馏、还原而得。 多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面，两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。 一、国际多晶硅产业概况 当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90％以上,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德等3个国家7个公司的10家工厂手中，形成技术封锁、市场垄断的状况。 多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。按纯度要求不同，分为电子级和太阳能级。其中，用于电子级多晶硅占55％左右，太阳能级多晶硅占45％，随着光伏产业的迅猛发展，太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展，预计到2008年太阳能多晶硅的需求量将超过电子级多晶硅。 1994年全世界太阳能电池的总产量只有69MW，而2004年就接近1200MW，在短短的10年里就增长了17倍。专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期将超过核电成为最重要的基础能源之一。 据悉，美国能源部计划到2010年累计安装容量4600MW，日本计划2010年达到5000MW，欧盟计划达到6900MW，预计2010年世界累计安装量至少18000MW。从上述的推测分析，至2010年太阳能电池用多晶硅至少在30000吨以上，表2给出了世界太阳能多晶硅工序的预测。据国外资料分析报道，世界多晶硅的产量2005年为28750吨，其中半导体级为20250吨，太阳能级为8500吨，半导体级需求量约为19000吨，略有过剩；太阳能级的需求量为15000吨，供不应求，从2006年开始太阳能级和半导体级多晶硅需求的均有缺口，其中太阳能级产能缺口更大。 据日本稀有金属杂质2005年11月24日报道，世界半导体与太阳能多晶硅需求紧张，主要是由于以欧洲为中心的太阳能市场迅速扩大，预计2006年，2007年多晶硅供应不平衡的局面将为愈演愈烈，多晶硅价格方面半导体级与太阳能级原有的差别将逐步减小甚至消除，2005年世界太阳能电池产量约1GW，如果以1MW用多晶硅12吨计算，共需多晶硅是万吨，2005－2010年世界太阳能电池平均年增长率在25％，到2010年全世界半导体用于太阳能电池用多晶硅的年总的需求量将超过万吨。 世界多晶硅主要生产企业有日本的Tokuyama、三菱、住友公司、美国的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司，德国的Wacker公司等，其年产能绝大部分在1000吨以上，其中Tokuyama、Hemlock、Wacker三个公司生产规模最大，年生产能力均在3000－5000吨。 国际多晶硅主要技术特征有以下两点： （1）多种生产工艺路线并存，产业化技术封锁、垄断局面不会改变。由于各多晶硅生产工厂所用主辅原料不尽相同，因此生产工艺技术不同；进而对应的多晶硅产品技术经济指标、产品质量指标、用途、产品检测方法、过程安全等方面也存在差异，各有技术特点和技术秘密，总的来说，目前国际上多晶硅生产主要的传统工艺有：改良西门子法、硅烷法和流化床法。其中改良西门子工艺生产的多晶硅的产能约占世界总产能的80％，短期内产业化技术垄断封锁的局面不会改变。 （2）新一代低成本多晶硅工艺技术研究空前活跃。除了传统工艺（电子级和太阳能级兼容）及技术升级外，还涌现出了几种专门生产太阳能级多晶硅的新工艺技术，主要有：改良西门子法的低价格工艺；冶金法从金属硅中提取高纯度硅；高纯度SiO2直接制取；熔融析出法（VLD：Vaper to liquid deposition）；还原或热分解工艺；无氯工艺技术，Al－Si溶体低温制备太阳能级硅；熔盐电解法等。 二、国内多晶硅产业概况 我国集成电路的增长，硅片生产和太阳能电池产业的发展，大大带动多晶硅材料的增长。 太阳能电池用多晶硅按每生产1MW多晶硅太阳能电池需要11－12吨多晶硅计算，我国2004年多晶、单晶太阳能电池产量为，多晶硅用量为678吨左右，而实际产能已达70MW左右，多晶硅缺口达250吨以上。到2005年底国内太阳能电池产能达到300MW，实际能形成的产量约为110MW，需要多晶硅1400吨左右，预测到2010年太阳能电池产量达300MW，需要多晶硅保守估计约4200吨，因此太阳能电池的生产将大大带动多晶硅需求的增加，见表3。 2005年中国太阳能电池用单晶硅企业开工率在20％－30％，半导体用单晶硅企业开工率在80％－90％，都不能满负荷生产，主要原因是多晶硅供给量不足所造成的。预计多晶硅生产企业扩产后的产量，仍然满足不了快速增长的需要。

2015年光伏领跑者计划推出，国家通过此项计划引导光伏行业有序升级，行业积极响应并顺势加快高效电池技术从研发走向量产的步伐。经过市场大浪淘沙，光伏行业主要选择的主要高效电池技术有：多晶黑硅电池技术、N型单晶双面电池技术以及P型单晶PERC电池技术。下面就电池工艺、组件功率、光致衰减、隐裂等方面探讨上述几种技术的优劣。

一、PERC单晶电池

1、PERC单晶单面电池

常规单晶电池主要效率区间为，对应的组件功率为280W。为了进一步提升单晶电池效率，在电池背面增加了钝化层。通过背面钝化层的作用，电池的表面复合速率显著降低，电池的效率提升到，对应的组件功率由280W提升到290W。

和常规单晶电池工艺相比，PERC单晶电池主要增加了背面钝化、背面SiNx膜沉积和激光打孔三道工艺。其中激光打孔工艺是利用一定脉冲宽度的激光在去除部分覆盖在电池背面的钝化层和SiNx覆盖层，以使丝网印刷的铝浆可以与电池背面的硅片形成有效接触，从而使光生电流可以通过Al层导出。因Al浆无法穿透SiNx层，其余未被激光去除的钝化层被覆盖在其上方的SiNx覆盖层保护，发挥降低表面复合速率，提升效率的作用。

通常背面的激光开孔面积约占电池片表面积的5-10%，如激光开孔面积过低，则光生电流在传输过程中电阻较大，从而产生较大的热损失，导致电流效率降低。如激光开孔面积过大，则钝化层无法有效发挥降低表面复合速率的作用，导致电池的效率无法有效提升。激光开孔工艺在电池片表面产生了5-10%的损伤。作为整片单一晶体，PERC单晶由于背面的完整晶体结构被破坏，有很大的隐裂或破碎的风险，晶体损伤可能导致硅片沿着此损伤整片碎裂。PERC单晶电池由于正反面金属结构不同所造成的2-5mm的翘曲，翘曲应力和激光损伤的联合作用下，PERC单晶电池的隐裂或破碎的风险将显著提高。

组件应用在光伏电站后，在整个生命周期内，组件都需要持续经受机械载荷或风载荷等考验。为了保证组件在光伏电站使用的可靠性，组件都需通过5400Pa机械载荷测试，行业标准是测试后组件功率的衰减量小于5%，因为激光开孔工艺造成的损伤导致硅片破碎几率增大，因此PERC单晶组件经过机械载荷测试后的衰减普遍大于5%，而常规单多晶组件的机械载荷测试功率衰减量普遍小于3%。可以看出PERC单晶组件的机械载荷衰减率明显高于其他组件产品。对光伏电站来说，在雪载荷和风载荷等的持续用下，PERC单晶组件从激光开孔点开始逐渐出现隐裂和破片，伴随的是组件功率的持续下降。PERC电池的高机械载荷衰减率PERC单晶组件的这一缺陷给光伏电站发电量带来了极大不确定性。为了缓解PERC单晶在机械载荷和隐裂方面的缺陷，行业采取在组件背面添加加固横梁的方式，并进行了采用加厚硅片来缓解隐裂的尝试，但这些方法均提高了组件的单瓦成本，与降低度电成本的大方向背道而驰。

光致衰减方面，多晶黑硅光衰约为，N型单晶基本没有光衰，而PERC单晶的光衰在2-10%之间，从而导致PERC单晶组件应用在光伏电站后很可能光电转换效率大幅下降，光伏电站发电量和收益率而随之大幅下降。

2、PERC单晶双面电池

PERC单晶单面电池的背面为全Al层，背面入射光线无法穿透该全Al层，因此PERC单晶单面电池只有正面可以吸收入射光进行光电转换。为了使PERC电池均有双面光电转换功能，行业改变了PERC电池的印刷工艺，将背面全Al层印刷工艺修改为背面局部Al层印刷工艺。该工艺是尽量保证背面Al浆印刷在激光开孔点处，以使光生电流仍然可以通过激光开孔点的Al层导出。

PERC单晶双面电池背面由全Al层改为局部Al层，因此背面的入射光可由未被Al层遮挡的区域进入电池，实现双面光电转换功能。由于激光开孔点仍然需要Al浆来疏导光生电流，因此背面的大部分区域任然覆盖了Al浆，因此和电池正面超过20%的光电转换效率相比，PERC单晶双面电池背面可吸收光线的区域有限，背面的光电转换效率预计在10-15%。同时由于背面由全Al层改为局部Al层，电池的正面效率可能会下降。

由于PERC单晶双面电池的工艺与PERC单晶单面电池的工艺并无明显区别，因此PERC单晶双面电池任然面临隐裂率高、机械载荷衰减率高、光致衰减率高等问题。对光伏电站来说，使用PERC单晶双面组件仍然有明显的可靠性风险，对保证电站收益率也是巨大的考验。

二、N型单晶双面电池

N型单晶双面电池在近年也逐步释放产能，从相关资料来看，国内若干主要企业均具有一定技术储备。这种电池的特点也是双面皆可吸收入射光线，从而提升电池和组件的发电量。目前有企业宣传该款电池的正面效率大于21%，背面效率大于19%。封装成组件后，正面功率接近300W，背面功率接近270W。结合各种应用场景，组件发电功率较高。和常规电池相比，该款电池主要增加了双面浆料印刷和硼元素掺杂（如旋涂、印刷高温推进和固态源扩散等）等工艺。目前国内主要企业储备的该产品技术基本都没有用到激光等工艺，因此整个电池制作工艺不对硅片造成额外损伤，组件可在各种使用条件下保持稳定性。此外，还具有无光致衰减、弱光响应好等特点。

P型单多晶电池正面印刷Ag栅线，背面整面印刷Al浆，因此电池正面和背面的金属结构和成分不对称，在丝网印刷烧结后电池片会产生2-5mm的翘曲，从而在电池内部产生应力，由于翘曲和应力的作用，P型单多晶电池的破片率明显提升。由此包括电池生产、组件生产和光伏电站组件中的电池破裂率均提升。N型单晶双面电池正背面均印刷Ag栅线且图形相近，因此N型单晶双面电池结构均有对称性，电池在丝网烧结印刷后不产生翘曲。此外，N型单晶双面电池的工艺流程中无激光等损伤，保持完整晶体结构。综合以上因素，N型单晶双面电池破片率更低。

由于N型单晶双面电池正背面均印刷银浆，因此该款银浆的耗量高于P型单多晶电池。在产能方面，N型电池与P型电池的相比还有差距。

三、多晶黑硅电池

多晶硅片中具有若干不同晶向的晶体，因此单晶广泛应用NaOH溶液各向异性制绒工艺并不适用于多晶制绒。目前通行的多晶硅制绒工艺主要是HF/HNO3混合溶液的缺陷腐蚀制绒法，此方法制绒后的硅片反射率约为18%，高于常规单晶制绒后11%的反射率，不利于多晶电池对入射光线的有效吸收。为了进一步降低多晶硅片制绒后的反射率，采用特殊制绒工艺在多晶硅片表面形成纳米结构，增加有效多晶硅片对入射光线的吸收。采用这种制绒工艺生产的多晶电池有更低的反射率，此方法制绒的多晶电池从肉眼来看比普通多晶电池更黑，因此这种工艺被称为黑硅制绒。

多晶黑硅制绒工艺主要有干法制绒和湿法制绒两种。干法黑硅制绒工艺为反应离子刻蚀法（Reactive Ion Etching，RIE），该方法是等离子体在电场作用下加速撞击硅片，在硅片表面形成纳米结构，从而降低多晶硅片的反射率。湿法黑硅制绒工艺为金属催化化学腐蚀法（Metal Catalyzed Chemical Etching，MCCE），该方法是在硅片表面附着金属，利用HF与强氧化剂混合溶液腐蚀硅片表面，附着在硅片表面的金属随着腐蚀过程而向下沉积，从而在硅片表面形成纳米结构，有效降低硅片表面的反射率。无论干法或是湿法黑硅制绒工艺，都可将多晶电池效率提升以上，采用多晶黑硅电池封装的组件功率也可从265W提升到275W。多晶黑硅电池的整个制作工艺简单，不对硅片造成额外的损伤，使多晶组件可在各种使用条件下保持可靠性，保证了多晶组件在光伏电站整个生命周期发电量的稳定。此外，多晶电池还具有光致衰减低的特点，多晶电池的光致衰减普遍低于，而PERC单晶电池的光致衰减为2-10%。可以看出，与PERC单晶电池相比，多晶黑硅的光致衰减率具有很好的优势。

在全球的晶体硅光伏产品中，多晶产品仍然占有50%以上的市场需求。多晶产品具有单瓦价格低、工艺成熟、组件可靠性高的特点，有效降低光伏电站风险，为光伏电站收益提供可靠保障。

结语

多晶黑硅电池和N型单晶双面电池在光致衰减率、破片率和机械载荷衰减率等方面均明显好于PERC单晶电池。因此相比于PERC单晶电池，多晶黑硅电池和N型单晶电池将为光伏电站带来更为稳定的发电量，光伏电站业主的投资回报也可以得到更好的保障。光伏电站作为预期运营25年、30年乃至更长时间的投资项目，除了组件初始功率外，还需要关注组件功率在整个电站生命周期的稳定性和衰减率，以保证稳定的投资回报。