张辉---太阳能硅高效硅片及未来低成本硅片生产技术

zhhui 张辉 清华大学工程物理系张辉 清华大学工程物理系 太阳能硅高效硅片及未来低 成本硅片生产技术 太阳能硅高效硅片及未来低 成本硅片生产技术 CSPV2013 常熟 常熟 2013年年11月月8日日 zhhui 目前状况 2013 目前状况 2013 组件成本 3 50元RMB Watt 双反价0 56欧元 多晶硅 流化床技术 11元 kg或更低 铸锭 高效多晶 S3 传统17 8 18 5 电池技 术 M3 V3 A4 20kg籽晶 坩埚辅助5kg籽晶 连续铸锭 晶相控制 直接硅片 切片 金刚线 没有突破性技术 电池 各种新技术 但成本是关键 zhhui 硅片 特别是切割 与电池成本将持续下降 在光 伏太阳能产业链中的成本比重越来越小 安装维护 成本已成为第一因素 材料 人工等 包括土地或 楼面面积将持续攀升 降低产业链中高成本部分 成未来发展方向 电池效率提升将提高电池的成 本 降低总成本 低成本低成本的高效组件的高效组件是未来发展方 向 针对目前高效260W组件 可采用高效多晶针对目前高效260W组件 可采用高效多晶和类单晶 和类单晶 两种方法 主要问题是内应力控制 减小缺陷 提 升效率 低成本传统高效多晶的平均效率已达17 8 新类单晶有望超过18 5 两种方法 主要问题是内应力控制 减小缺陷 提 升效率 低成本传统高效多晶的平均效率已达17 8 新类单晶有望超过18 5 高效硅片需求高效硅片需求 zhhui 提升硅片效率 当前和未来 提升硅片效率 当前和未来 近期近期 延续当前的多晶技术路线 一般侧面和顶 部效率偏低 极限 单晶片的酸制绒 中期中期 延续类单晶路线 全单晶但低位错 解决 籽晶拼接和侧面成核问题 极限 单晶片的碱 制绒 远期远期 产业链一体化 改进切割等环节 如薄硅 片技术 目前整个产业位于低谷 各厂家没有经费支持未来技术研 发 处于消化吸收现有技术 如G5升级G6 电池技术也一 样 一些新技术已在小批量测试 没有足够资金进行升级换 代 目前整个产业位于低谷 各厂家没有经费支持未来技术研 发 处于消化吸收现有技术 如G5升级G6 电池技术也一 样 一些新技术已在小批量测试 没有足够资金进行升级换 代 zhhui 传统传统 过程过程 硅片硅片 铸锭铸锭 切割切割电池电池 组件组件多晶硅多晶硅系统系统 美国 德 国 中国 韩国 中国 中国中国全球 美国 德 国 中国 韩国 中国 中国中国全球 zhhui 问题1 炉型设计 侧面质量 问题1 炉型设计 侧面质量 DSS450 650 JZ460 660SCU450 800JJL500 660 800 隔热板向下运动 除抽板无运动部件 隔热笼向上运动隔热板向下运动 除抽板无运动部件 隔热笼向上运动 Heater Insulation Graphite Crucible Si Melt Si Solid Heat Exchange Block Heater Insulation Crucible Si Melt Si Solid Heater Heat Exchange Block Partition Block Graphite Shield Heater Insulation Heat Exchange Block Crucible Si Melt Si Solid Heater Cooling Device Partition Block 减小侧面热流或者使用涂层 抑制侧面成核及减小侧边位错密度 增大底部热流 平整界面增大有效热量 热交换台可分区冷却 优点 简单温度均匀 或给定分布 缺点 导热系数小放热困难 工艺设定 加热器温度控制 生长速度控制 高产率低位错 能耗 炉子分上下区 上部加热 底部冷却 杂质 气路控制如顶盖 zhhui GT多晶铸锭结果 中美晶 GT多晶铸锭结果 中美晶 GT单晶铸锭结果GT单晶铸锭结果 侧面冷壁问题侧面冷壁问题 炉子问题 壁面成核问题没有解决 加上之前就有的侧面杂 质扩散 边角块效率很难提升 另外操作空间太窄 一改动 就有 微晶 问题 杂质分布不均匀 炉子问题 壁面成核问题没有解决 加上之前就有的侧面杂 质扩散 边角块效率很难提升 另外操作空间太窄 一改动 就有 微晶 问题 杂质分布不均匀 有籽晶 无籽晶 壁冷 涂层 不好 有籽晶 无籽晶 壁冷 涂层 不好 zhhui 京瓷京瓷专利专利 BP专利专利 控制热流法 CHFM 控制热流法 CHFM zhhui 侧面铁 涂层 氧浓度高是因侧面温度高 导致侧面效率低侧面铁 涂层 氧浓度高是因侧面温度高 导致侧面效率低 侧面低效问题侧面低效问题 zhhui Acta Materialia 59 2011 7703 7710 Dislocation clusters were followed as a function of height They can be traced to their origin at a grain boundary Large dislocation clusters have developed from smaller clusters in the cast These fi ndings favor the model in which dislocations are nucleated during growth This is believed to happen close to the solid liquid interface during crystal growth Dislocations at the solid liquid interface will continue to grow if they are not absorbed by grain boundaries 位错密度是生长过程中产生 从固 液界面的晶界处开始 随着应力变 大 位错可能被晶界吸收 不然会 随着距离一直变大 问题2 缺陷与位错问题2 缺陷与位错 zhhui 协鑫S2协鑫普通协鑫S2协鑫普通 高效 临近晶相一致性差均匀性好高效 临近晶相一致性差均匀性好 临近晶相一致性好 导致金属杂质很难在 晶界里存在 同时应 力也无法消去 S2 的 一致性差 成核时临 近晶相没有相关关 系 是独立成核的 zhhui HM 高效片具有晶粒均匀 孪晶和位错等缺陷少 少子寿命 高 硅块少子寿命分布均匀集中等特点 整锭平均转换效率 达 高效片具有晶粒均匀 孪晶和位错等缺陷少 少子寿命 高 硅块少子寿命分布均匀集中等特点 整锭平均转换效率 达17 80 以上 较以上 较HM高效硅锭高高效硅锭高0 2 0 3 HM硅块头 部的少子寿命偏低 且均匀性较差 硅块头 部的少子寿命偏低 且均匀性较差 南玻结果南玻结果 晶粒均匀位错低晶粒均匀位错低 普通多晶硅片 效率 普通多晶硅片 效率17 0 17 2 2012年年8月月HM 高效多晶硅片效 率 高效多晶硅片效 率17 4 17 6 2013年年8月月HM 高效多晶硅片效 率 高效多晶硅片效 率17 8 18 0 zhhui 南玻数据南玻数据 zhhui HM 高效锭与HM高效锭转换效率正态分布HM 高效锭与HM高效锭转换效率正态分布 HM 高效锭的平均转换效 率达到17 84 左右 而HM 锭只有17 60 左右 HM 高效锭的转换效率较 HM高效锭更为集中 在平 均值附近波动性要小 0 18900 18550 18200 17850 17500 17150 1680 2000 1500 1000 500 0 数据 频率 数据 频率 0 1784 0 001732 14300 0 1760 0 001545 10228 均值标准差N HM NCell HMNCell 变量 正态 HM NCell HMNCell的直方图HM NCell HMNCell的直方图 高效多晶效率分布高效多晶效率分布 南玻数据 原因 晶粒均匀性好 邻近 晶粒一致性不强 晶界和 孪晶较多 南玻数据 原因 晶粒均匀性好 邻近 晶粒一致性不强 晶界和 孪晶较多 zhhui 通过快冷工艺和炉子设计来实现小晶粒 如原始ALD工 艺 开口快冷产生一致性的小晶粒 大过冷 但效率偏 低 成核晶粒虽然小 但质量差 产生于同一枝晶 位 错密度高 后来通过添加成核剂或引进横向温度梯度 横向梯度控制 初始横向大晶粒生长 来实现低过冷度下的小晶粒 晶 粒质量有明显提升 效率才获得提升 通过底部铺设颗粒料或者碎硅片 不化完情况下生长 可 产生高效多晶 也有两种情况 小颗粒和大颗粒 选用哪 种颗粒料 与后期工艺 生长高度 及硅料质量相关 不 可随便套用 终结目的是让整个锭的效率提升 好料过冷度大 晶粒质量反而不好 例 成核例 成核和初始生长和初始生长过程过程 zhhui 异质成核异质成核 zhhui 生长控制生长控制 zhhui 问题3 晶相控制问题3 晶相控制 底部成核控制 a 有约20kg籽晶 颗粒或碎硅片等 b 有约5kg籽晶 底部坩埚或涂层辅助成核 底部热交 换台温度分布控制 侧面抑制 或者增强成核 不成核或者成均匀小晶粒 坩 埚侧面涂层 温度控制 加热器设计 侧面绝热档块等 顶部排杂及连续长晶 控制顶部横向温度梯度 加热器 设计 电磁耦合 生长速度 整体 配料 界面 生长速度 整体温度 别的问题 添加剂 涂层 籽晶布置 高效多晶多用均匀小晶粒 低过冷成核 底部片效率略低 中 部最高 也有采用大晶粒 底部效率高 但顶部衰减快 zhhui 坩埚部分 用高纯SiC或SiO2涂层阻挡坩埚内杂质 的扩散 粗糙坩埚底 辅助成核及增强成核均匀 性 工艺过程 成核温度 TC1需稍高阻止枝晶生 长 生长速度需控制让晶粒一直连续长大 后 段需要一定的温梯 不然111方向将生长 炉子问题 能有效抑制侧面和角部成核 但不能 产生大凸面 高效多晶晶相硅片高效多晶晶相硅片 zhhui 类 单晶硅锭技术 类 单晶硅锭技术 类单晶或全单晶铸锭 底部铺设100方向单晶籽晶 控制 籽晶熔化 在籽晶 半融化 上生长类单晶或全单晶 籽晶拼缝部分很容易产生小角晶界 亚晶界 影响顶部效 率 侧壁面成核 影响边部和角部效率 zhhui 影响效率的主要因素影响效率的主要因素 单晶率单晶率 红区问题红区问题 侧面低效侧面低效 亚晶界亚晶界 位错密度控制位错密度控制 碳氧浓度和杂质分布碳氧浓度和杂质分布 侧边问题侧边问题 侧边问题侧边问题 侧边问题侧边问题 GT 结果结果 BP 结果结果 JJL 结果结果 晶相控制电池效率问题晶相控制电池效率问题 zhhui Q Cells 由 由60块多晶硅太阳能电池组成的太阳能组件的电力 输出达 块多晶硅太阳能电池组成的太阳能组件的电力 输出达283瓦 这项纪录由德国瓦 这项纪录由德国Fraunhofer太阳能系统研究 所 太阳能系统研究 所 Fraunhofer ISE 证实 据称是目前具有竞争性价格的 准单晶硅组件中功率最高的组件 此前 证实 据称是目前具有竞争性价格的 准单晶硅组件中功率最高的组件 此前 Q Cells单晶硅组件 电力输出创造了 单晶硅组件 电力输出创造了287W的记录 大规模多晶硅光伏电池的效率 也达到了 的记录 大规模多晶硅光伏电池的效率 也达到了19 5 类单晶的消息非常多 但不少是假消息 类单晶的消息非常多 但不少是假消息 类 单晶硅锭技术 最高效率 类 单晶硅锭技术 最高效率 浙江碧晶公司提供 已倒闭 基本全单晶 通过侧面高温获 得 界面不是很平 这样边角 块有问题 比较亮 与单晶提 拉一致 顶部没有 浙江碧晶公司提供 已倒闭 基本全单晶 通过侧面高温获 得 界面不是很平 这样边角 块有问题 比较亮 与单晶提 拉一致 顶部没有SiC和和SiN颗 粒 颗 粒 zhhui 日本东北大单晶硅 类似于BP专利 日本东北大单晶硅 类似于BP专利 100方向籽晶 不同的临近晶 相角度都已测试过 抑制亚晶 界比较有效 这部分工作国内 开展较早