图22000-2013年中国累积光伏发电装机容量(*来源EPIA)
从2010年开始，亚洲，尤其是中国光伏发电装机量发生了巨大的变化，开始爆发式的增长，由2010年的800MW增长至2013年的18600MW，四年时间增长近23倍，平均每年以2倍以上的速度发展，远远超过了欧洲国家。光伏发电装机量的爆发式增长，带动了整条产业链的发展，中国的光伏产业正在进入高速发展的时期。
光伏行业爆发式发展，单晶与多晶硅片在太阳能电池应用在市场的推动下，不断的分歧化发展。在2007年，单晶与多晶生产比例约为1:1，而到目前，这一比率已降至30:70。单晶硅片电池效率较多晶硅片有2.0%的优势，然而标准单晶硅片通产售价较多晶硅片溢价30%，市场需求对比率的变化起到了主要作用。
图32010-2017年单晶与多晶市场份额(*来源solarbuzz)
自1975年德国瓦克(Wacker)公司首次采用绕铸的方法制备多晶硅材料[1]，几乎同时，其他科研小组也提出了利用不同的铸造技术来制备太阳能级多晶硅材料，例如热交换法(HEM)、布里奇曼(Bridgman)定向凝固法、浇铸法、电磁铸锭法等。
目前铸锭多晶硅技术，采用的生长方法主要为热交换法和布里曼法结合的方式，其晶体生长方向垂直向上，通过定向凝固(也称可控凝固、约束凝固)过程来实现的，即在结晶过程中，通过控制温度场的变化，形成单方向热流(生长方向与热流方向相反)，并要求固液界面处的温度梯度大于0℃，横向则要求无温度梯度变化，从而形成定向生长的柱状晶。铸造多晶硅虽然含有大量的缺陷杂质[2]，但相对直拉单晶硅，其成本低、产能大、能耗少，在国内外工业生产上得到广泛应用。
在铸锭多晶硅技术发展至今，由最初的铸锭炉装料量200kg、铸锭耗时50H，发展至目前装料量达到1200kg、铸锭耗时90H、石英坩埚尺寸1200×1200mm，单位产能实现了由4kg/h提升至13.3kg/h，且多晶铸锭炉的连续加料技术已经提上日程。设备更具自动化，人工干预度大大降低，进一步提升了铸锭生产效率、以及产品的一致性。同时，随着技术的不断发展，包括设备性能的优化升级、热场结构不断的优化、工艺技术不断的升级换代，铸锭多晶硅的光电转化效率也有了大幅度的提升、生产成本大幅下降。
近几年，建立在已铸锭多晶硅技术为基础的前提下，采用有籽晶方法生产铸锭高效多晶硅和铸锭准单晶技术得到了市场的广泛认可，并得到了广泛的应用。多晶硅电池在产业化中的常规光电转化效率达到18.0%以上，多晶硅电池组件效率达到15%~16%；铸锭准单晶光电转化效率一类片可达到19.5%以上，准单晶电池组件效率达到17.0%以上，或将成为未来铸锭技术发展的方向。
铸造多晶硅技术以其热交换和定向凝固法技术结合，以及低廉的成本和优质的品质，一直受到光伏行业的欢迎并大规模推广应用。2011年以前，铸锭法的主要工艺为铸锭全熔工艺，如图4，受限于其产品光电转化效率难以提升，铸锭半熔工艺应运而生，铸锭准单晶技术的开发更是对铸锭半熔工艺更好的诠释。
图4铸锭多晶硅内部结构图
（1）铸锭多晶硅技术----全熔工艺
铸锭多晶硅主要基于材料学的晶体形核与长大以及定向凝固原理。全熔工艺是通过对石英坩埚中的原料进行完全融化，再对熔融的硅熔体进行定向冷却，并控制冷却方向、速度及过冷度，使硅熔体从底部开始向顶部逐步冷却，形成多晶硅晶体结构。在凝固过程中，采用固液界面排杂，随着固体硅的生长将杂质不断的排向硅熔体中，从底到顶进行排杂，从而获得品质较好的晶体硅材料。
全熔工艺产品光电转化效率最高达到17.8%，良品率达70.0%以上，效率提升空间有限。
（2）铸锭多晶硅技术----半熔工艺
2011年后，通过调整铸锭炉结构、热场设计、工艺优化，不断提升铸锭炉的装料量以及光电转化效率，半熔法技术应运而生，半熔法铸锭多晶硅技术是采用有籽晶铸锭生长法，在石英坩埚的底部放置有颗粒均匀的多晶籽晶，采用技术控制多晶籽晶部分融化，通过工艺温度的调整，控制底部固液界面的平整，将多晶籽晶进行部分熔化，剩余一定的高度。由此，在多晶籽晶的基础上进行降温，晶体生长则以多晶籽晶为形核点形核，大大降低了所需的形核功，形核量较多且形核均匀，大晶粒吞噬小晶粒的现象减少，为此，生长出晶粒均匀的多晶产品。同时，排杂方式与全熔工艺相同。半融法铸锭多晶硅技术在协鑫集团成功推广，产品市场反应良好。其光电转化效率达到18.2%以上，良品率68.0%以上。随着现有工艺的进一步优化，半熔法铸锭多晶硅的光电转化效率有望达到18.5%以上，良品率达到70.0%以上。
图5 铸锭多晶硅半熔工艺开方图
针对目前市场上的主流产品，其电阻率分布不均匀、光衰现象严重、少子寿命偏低等问题依然存在，产品关键技术尚未完全突破，产品技术和品质还不能完全满足市场需要。
（1）石英坩埚自动喷涂/静涂技术
石英坩埚是铸锭多晶硅的核心辅材，并且在石英坩埚内表面喷涂氮化硅也是工艺关键技术之一。长期以来，喷涂工艺均采用人工喷涂，人工喷涂工艺存在的许多不足或不确定性因素，例如喷涂均匀度差、一致性差、人为情绪化干扰等等。为此，开发机械手自动喷涂/静涂工艺将有效的提升涂层的厚度均匀性和一致性，杜绝人为因素，对氧碳、杂质的控制也起到一定作用。对产品品质有明显的提升。
（2）二次掺杂技术
传统掺杂技术是在石英坩埚装料的过程中，将掺杂物放置在中间位置。与原料一起放入铸锭炉中进行熔化，通过熔化过程中液体对流作用，将掺杂元素在熔体中进行均匀分布。长晶过程中，由于掺杂元素分凝系数(硼为0.8，磷为0.36)小于1，造成头尾分布不均匀。为了提升品质，改善电阻率分布的均匀性，需在长晶过程中进行二次掺杂或补偿，进行调节调节/补偿，使电阻率分布更加均匀。
（3）硅片黑边控制技术
常规的靠近坩埚的硅片产品均有黑边现象，影响太阳能电池片的美观以及光电转化效率。若能解决产品存在的黑边问题将大幅提升产品价值。主要技术方案有：一方面，坩埚喷涂自动化技术，解决涂层均匀性和一致性；第二，适当增加坩埚尺寸，改善大锭边部去除比例，将黑边位置去除；第三，改善涂层结构，减少石英坩埚杂质向硅熔体的扩散。
（4）少子寿命提升技术
少子寿命是晶体硅材料的重要参数，它直接反映了材料的质量特性。铸造多晶硅过程中存在的高密度缺陷和高浓度杂质(如晶界、位错、氧、碳以及铁、过渡族金属铁等)，通常这些杂质原子本身或者通过与结晶学缺陷相互作用,会成为少数载流子的复合中心，大大降低少子寿命。提升铸锭多晶硅材料少子寿命主要是在控制铁、过渡金属等与原料接触；同时，对坩埚内表面结构进行改进，减少涂层有机物，避免晶体生长过程中深能级的铁等杂质的扩散。
未来多晶硅材料技术的发展主要致力于实现光伏发电平价上网，因此高效率、低成本、长寿命的产品将是未来发展的方向，主要集中在低光致衰减产品控制技术、D1&D2多晶硅片、大投料量技术、N型准单晶技术以及全单晶技术。
（1）低光致衰减产品控制技术
光致衰减是太阳能光伏发电站的最大缺陷之一，它将导致太阳能电池组件输出功率的降低，使单位面积发电量减少。目前，常规产品P型(掺硼)铸锭多晶材料太阳能电池光致衰减在2%左右，低光致衰减产品的研发仍然是重点方向。未来预计铸锭多晶材料的光致衰减将≤0.5%。生产低光衰产品：(1)降低氧碳含量、杂质含量；(2)改变掺杂方式或掺杂元素；(3)改变石英坩埚涂层结构等方面来降低光衰。
（2）D1&D2多晶硅片
为了在不改变电池生产工艺的前提下，尽可能的提升单片多晶硅片的光电转化效率、输出功率，开发大尺寸多晶硅片成为了发展的方向。大尺寸多晶硅片的生产工艺简单、上下游通用性强、易于投入生产，预计1~2年大尺寸多晶硅片将得到推广。大尺寸多晶硅片产品有较多的优点：(1)针对于电池片厂商，提升了电池片的转化效率得到了提升，输出功率增加，价值更高(2)针对于组件厂商，提升了固定片数(60pcs/72pcs)组件的功率，性价比更高；
表1.大尺寸多晶硅片规格
图6单炉次装料量的发展趋势(*来源ITRPV)
（4）铸锭准单晶、N型准单晶技术
受困于成本和效率的双重因素，协鑫集团率先进行了铸锭准单晶的研发及产业化，铸锭准单晶技术兼具直拉单晶硅转化效率高和铸锭多晶硅生产成本低的双重优势，采用多晶铸锭方法来生产单晶就成为了太阳能硅片领域最热门的技术和方向。
铸锭准单晶生长采取的技术路线参照单晶硅生长技术，在多晶硅硅锭的生长中引入籽晶，并与多晶硅铸锭炉工艺技术进行结合，完成准单晶的晶体的生长。形成晶界小、晶粒大和内部缺陷少的类似于单晶的晶体；排杂方式与其他工艺相同。铸锭准单晶生长工艺流程如图4；
图7铸锭准单晶工艺技术
这种通过铸锭的方式形成准单晶的技术，其能耗仅仅比多晶硅铸锭高5%~8%，但生产出的一类准单晶片（硅片全为黄色）的质量接近直拉单晶硅（铸锭准单晶一类片光电转化效率达到了19.68%以上，无限的接近直拉单晶硅）。铸锭准单晶技术的研发关键在于单晶籽晶的使用，协鑫集团攻克关键技术，在2012年推出了'鑫单晶G1'，颠覆了市场。这种技术先把籽晶、硅料掺杂元素放置在石英坩埚中，籽晶位于坩埚底部，然后加热融化硅料，并保持底部籽晶部分融化，通过控制降温速度，调节固液界面的温度梯度，确保已部分融化的单晶籽晶为晶种，开始同质形核，生长单晶。铸锭准单晶结束以后，后续进行大锭的开方、切片；包装过程中，需要根据铸锭准单晶的面积进行硅片分类：全单晶为一类片和部分单晶及无大尺寸单晶的为二类片。
利用铸锭准单晶技术，采取变更掺杂元素，开发N型准单晶硅片转换效率将比P型准单晶硅片提升2%，并且不产生光致衰减，从而解决了太阳能发电站普遍存在的光致衰减，解决了制约晶硅太阳能发电寿命的瓶颈问题。提升了组件功率，产品更具性价比和竞争力。预期N型光伏组件产品的市场份额将逐年增长，到2024年将达到40%左右。
图8P型与N型市场份额发展趋势(*来源ITRPV)
铸锭多晶硅材料作为太阳能光伏发电的关键材料，我们需要积极主动的对产品技术进行升级换代，提升产品品质，市场的需求就是我们的方向：高效率、低成本、长寿命的高品质产品,为实现光伏发电平价上网再添动力。
参考文献
[1] Dietl J, Helmreich D, Sirtl E. In: Crystals:Growth, Properties and Applications [J]. Berliner: Springer, 1981, 5:57.
[2] Takeshi Yoshikawa, Kazuki Morita, et al.Thermodynamics of impurity elements in solid silicon [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2010,490:31-41.
保利协鑫长晶事业部副总裁 游达
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