光伏技术探讨：多晶硅锭尺寸越大越好？

来源：大半导体产业网发布时间：2013-12-18 10:57:49

索比光伏网讯:用于制造太阳能硅片的多晶硅锭的生长是一个相当复杂的工艺。硅锭生长工艺的目标在于优化硅锭合格率(所生产的可制成硅片的合格材料数量)和产出，并最终生产出可制成高效电池的材料，从而实现盈利丰厚的运营结果。为实现这一目标，硅锭生长工艺需要进行严格监控，并需对定向凝固炉在结晶工艺期间的无数种变量加以有效控制。

现在有这样一种趋势认为“硅锭越大越好”，越大的一定就越好吗?本文将对一些与更大尺寸硅锭的生长及其对硅锭生长运营的经济影响有关的难题进行探讨。

了解定向凝固工艺

用于生产太阳能硅片的原料硅在硅锭生长工艺期间以一种高度控制的方式进行生长，从而达到优化晶粒结构的目的，并确保杂质在结晶至多晶硅锭中以前就被分离出熔化阶段。更好的晶粒结构和更少的杂质意味着更高品质的硅锭，从而可令太阳能电池获得更高效率，而多晶硅炉兆瓦产量也会更高。

多晶硅锭的生产是一个批量工艺，因此，每批处理更多材料以降低单位成本具有十分重要的经济意义。过去数年中，具有生产价值的铸锭炉产能的增长使得硅锭尺寸已从 240 千克(第 4 代)左右增加至 450 千克左右(第5代)。相较于硅锭尺寸的不断增加，硅锭高度仍然保持在 25 至 26 厘米间的一个相对稳定的数值。

最近，数个铸锭炉供应商声称自己已生产出更大尺寸的硅锭。这是否仅仅是向着更大硅锭目标前进的道路上的下一步呢?是否存在一个最佳的硅锭尺寸?

硅锭生长经济性

硅锭生长工艺是一种资本密集型工厂运营。如今的高产量硅片生产工厂可能会在生产中用到多达100台的长晶炉。组件价格的持续下降正通过整个太阳能生产价值链对利润率产生重大影响，这就要求生产商能够确保运营过程中的每一个环节均能提供价值回报。尽管更大的硅锭尺寸看似是一个从固定资产设备投资中获得更多价值的解决方案，但硅片生产商仍然应该在投资生产更大硅锭所需的设备前仔细考虑能够驱动最大价值的四个关键经济因素，即每千克产品的销售收入、硅锭合格率、生产能力以及设备价格。

随着硅锭尺寸的宽度从数年前的55 x 55厘米稳定增加至如今84 x 84厘米的标准，其高度并未发生相应增长。更宽的硅锭显然可以生产出更多可制成硅片的合格硅。在用上述四项关键经济因素加以分析后，可以看到长晶炉从第4代(240千克)至第5代(450千克)的过渡为生产商带来了可衡量的价值增长。但是，硅锭可以生长到的宽度也许存在一个极限，使得合格材料的产能增加值逐步下降，直至低到硅锭生长运营成本增加的临界点之下。

随着硅锭变得越来越宽，加热动力学也面临着更多挑战，因为熔融硅的中心点和加热室周边热区加热部件之间的距离在不断增加。这个距离越大，越可能导致固液界面形状不均衡，因此会令硅锭边到边的晶体生长无法实现最佳效果。而硅锭合格率也可能会因此而下降，因为材料质量不理想使得更多百分比的硅锭无法转化为硅片。为了解决这个问题，生产商可以增加硅锭生长时间，但这样一来生产力会因为生产能力的下降而受到不利影响。

定向凝固炉供应商也在探索使硅锭长得更高的方式，以达到每批生产更多可制成硅片的硅锭重量的目的。由于硅锭的高度受到炉子加热区的最大腔体尺寸的限制，因此必须对设备加以改造。和生长更宽的硅锭类似，这种方法听起来十分简单直观，但生产更高的硅锭并非不存在难题。

因为定向凝固炉是从坩埚底部抽取热量，因此增加硅锭高度意味着热量必须在额外的材料中经历更长的距离。如果热量抽取得太快，硅锭顶部和底部之间的温度梯度就会增加。这种情况会使得硅锭发生龟裂，因而令硅锭合格率下降。此外，热量在更高的硅锭中经历的额外时间可能会增加批次工艺时间，从而导致生产率的下降。因此，批次重量尺寸和高度的增长必须和周期时间之间达到一个巧妙的平衡以实现净生产能力的增加。

还有其它一些与生产更大硅锭相关的上游和下游生产问题，这些问题会影响生产成本，因此必须在固定资产设备的采购决策中加以考量。从上游来说，坩埚成本将随着坩埚尺寸的增加而增加，而坩埚的准备成本也会随着涂层工艺的日益复杂而增加。从下游来说，更宽的硅锭可能需要更大的切方线锯设备来进行处理。最后，如果硅锭生长和线切割操作之间的生产线平衡无法维持，总体硅片生产力也会下降。生产更多可制成硅片的硅锭材料可能会增加生产能力和炉子的利用率，但如果线切割操作无法处理增加后的材料或波形因数，就可能会出现在制品(WIP)瓶颈或降低线锯利用率，从而导致硅片生产运营的总体生产力下降。影响硅锭生长的因素分析见表1。