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166mm的大尺寸直拉单晶硅片 真有那么容易实现吗?

来源:光伏新闻 编辑:admin 时间:2019-03-06
导读: 一、引言简单地做大一点 多年前在iphone4发布的时候,乔帮主曾说,大屏手机都是异类,众多果粉有种打脸其他大屏幕手机的骄傲感,纷纷掏钱买3.5寸的苹果4。但客户的需求,市场的发展,有时就这么简单粗暴。如今小屏幕(4寸)手机沦落市场边沿,更大屏幕、更大
  一、引言——简单地做大一点
 
  多年前在iphone4发布的时候,乔帮主曾说,大屏手机都是异类,众多果粉有种打脸其他大屏幕手机的骄傲感,纷纷掏钱买3.5寸的苹果4。但客户的需求,市场的发展,有时就这么简单粗暴。如今小屏幕(<4寸)手机沦落市场边沿,更大屏幕、更大屏占比,这些简单的直观改善,毫无疑问已成为市场和手机厂家的追逐方向,包括苹果自己。乔布斯如果还活着,不知他当如何收回那句话?
 
(来源:微信公众号“光伏新闻” ID:pv-news)
 
  因简单而不屑,是很多耿直技术男的傲骨,但这种傲气应拿来去开发“更高难度”的技术,而不该凭着这股劲去批评其他人的工作。比如最近光伏业内盛传的“166硅片”事情,不少人就认为铸锭单晶因为效率做不过直拉单晶,是简单粗暴的“比大小”,不屑一顾。
 
  更有甚者,一篇《大尺寸硅片,单晶更容易实现!》的文章,博得很多人眼球,以为166mm硅片只是铸锭技术的垂死挣扎。即便成功,也止于为直拉单晶技术发展做嫁衣,铸锭单晶166mm硅片终将是昙花一现,竞争不过直拉单晶。那么,事实真的是这样吗?
 
  笔者才疏学浅,从事直拉硅单晶行业十余载,虽不能相比于业内诸多专家能一语道破机关、提醒众人,但对于这样罔顾事实的言论,却也忍不住要说几句,稍许以正视听。
 
  二、拉制大直径硅单晶(光伏)的技术难点
 
  但凡有过拉晶经验的人都知道,引晶不易断线,足以说明小直径ф(5mm)的单晶太容易拉了。这就是一个简单的例子。另外,众所周知,8寸晶圆技术国内已基本掌握,而12寸晶圆却基本是一片空白。这也说明,越大的单晶越不好拉。
 
  那么从技术上讲,难度在哪里呢?根本问题还在于热场温度分布,长晶区间的温度梯度。
 
 
  熟知单晶工艺原理的人都知道,单晶硅棒的拉制,纵向温度梯度要大,这是单晶生长的驱动力,所以我们用高保温的材料做热屏,还加水冷屏;而径向温度梯度dT/dr要稍微小一些,即长晶界面的温度平坦。因为径向温差ΔT是热应力来源,增殖位错,造成单晶失败,断线。
 
ΔT=∫f(r)/dr
 
  径向温差是温度梯度在晶体半径上的积分,同样的热场,温度梯度不变,但拉晶的直径越大,径向温差就越大,拉晶越难。再举一下那个例子,如单晶引晶的(5mm左右)直径,径向温差很小,拉制过程中不会增殖位错,反而能慢慢让位错滑移到表面即排除位错,一定长度的引晶后,实现无位错单晶。
 
  我们知道166mm对边宽的单晶圆棒直径规格要求接近240mm,相对于目前普遍的M2规格ф215mm单晶棒,直径大出11%,面积大约25%。按照常识,显然难度是会增加的。但也有可能增加并不会太多,并不需要一个非常大的技术突破才能做。不过,经与一些行业内专家沟通,单晶厂家也不是“只需做微小调整(改造费用极小)”就可实现改造的,主要是热屏和水冷屏内径要加大。
 
  对于216mm单晶,行业普遍采用的热屏内径是270mm,计算可知,晶棒与其间距为(270-216)/2有27mm;而如果不改动热屏,直接拉240mm单晶,则该间距仅15mm。考虑实际过程中:热场对中偏差(±5mm)、晶体直径偏差(±2mm)、晶体晃动(±10mm)、扭曲等方面的异常,15mm是明显不够的,而且热屏太近会导致PL黑角问题。实际热屏内径需要增加到290mm以上。因此只有少部分炉子可以改造。
 
  这里可能有人要问,为什么现在热屏内径是270mm而不是更大一些。原因就是上面提到的纵向温度梯度的需要,如果放大到290mm或更大,热屏内径增大而外径受热场大小局限,其壁厚变薄,保温性能差,导致拉晶的温度梯度变小。所以一般来讲,热屏设计会按晶棒直径的需要,最小化设计。
 
  所以,热屏内径增大后,一个理所当然的变化是,纵向温度梯度随即变小,直接影响晶体生长的拉速,即产出效率与制造成本。
 
 
  而对于铸造多晶或者铸造单晶则不存在这个问题。现有炉台,不需要动隔热笼的情况下,只需要更换加热器和护板,就可以兼容166硅片。目前在协鑫已经有100多台,阿特斯改造有50台,赛维有少量炉子改造了。电池方面阿特斯已经改造了900MW的166电池产线,据悉盐城工厂将全部改造为166尺寸。天合也在计划改造. 此外使用166类单晶72片组件将达到440瓦。铸造单晶还可以G7开G6,尺寸可以轻松变为185mmⅹ185mm.进一步增大尺寸,到这步恐怕绝大部分单晶炉要报废了。可能大家会说,166mm跟现有电池产线不匹配。但是根据半导体和面板行业的发展趋势,大尺寸一定是发展的趋势。对于新的电池组件投资者一定不是考虑跟你兼容,而是怎么扩大自己的优势,淘汰旧产能,历史更替,滚滚车轮,生生不息。
 
  三、166mm直拉单晶硅的成本增加
 
  与铸锭技术相比,166mm硅片直拉法做大直径单晶最关键的问题还是成本。对成本的影响,主要在圆棒良率、产出效率以及圆转方良率等三方面。
 
  1、圆棒良率
 
  166mm对边宽的硅片,晶棒直径240mm,头尾料相比215mm晶棒至少(仅正比于面积来算)多出25%;如遇到单晶断线,位错部分应反切直径更粗、长度更长的圆棒,大约重量为8kg,多出近40%。
 
  以普通28寸单晶炉,平均投料1000kg,216mm单晶平均良率为86%,计算有埚底和废料+头尾料+断线料约140kg,其中大约包含头尾40kg,断线料80kg,埚底等其他20kg(这部分不变)。如改为拉制240mm晶棒,头尾料增加到50kg,断线料增加为112kg,总不良为182kg。简单除一下,良率即变为81.8%。
 
  2、产出效率
 
  对产出效率的负面影响主要两个方面:一是产出晶棒变短,二是拉速降低。
 
  我们知道,同等长度的240mm晶棒相比216mm增加约25%,对于普通单晶炉,坩埚装料量是固定的,所以最大长度的单晶长度至少(240晶棒头尾料更多,实际更短)少了25%。那对28寸热场,本来拉4200mm晶棒,现在只能拉最多3150mm晶棒。这是什么概念呢?我们知道很多单晶厂家为增加产出,都不惜成本把原26寸热场改大到28寸,目的就是为了把原来只能拉3米长棒子的热场改到能拉4米多长。现在好了,一夜回到解放前……
 
  另外就是拉速,166方单晶,面积比M2增加了25%.拉晶过程是热平衡过程,Q1=ΔH+Q2, 如果按照同样的水冷屏带走的热量,那么拉速要下降25%,即1.2 的拉速,当然可以通过工艺调整拉速保持在1.3~1.4左右。如果为了多带走热量,水冷屏强行增加水压和出水温度,则安全性是个大问题.如果小炉子尺寸小则水冷瓶减薄,单位时间带走的热量更少,从而纵向温度梯度也会降低,晶体拉速进一步降低,。纵向梯度低带来另一个问题,生长界面凹,容易产生断棱,增加引放次数,生产效率进一步降低。
 
  得出这样一个结论,相比215mm单晶,240mm大直径的产出并不会因为直径增加而增加,反而受热屏保温性能的降低而受到较大的影响。
 
  3、圆转方良率
 
  相比于215mm圆棒开157对边宽的硅片,240mm开方成166的利用率明显低很多。简单的几何题,稍微对比可以看出:
 
 
  即便产出圆棒效率相近,转换到方棒上的利用率却从66.6%降低到60.9%。
 
  综合以上,假定每炉投料量保持在1000kg,假定216圆棒良率86%,理论上能产出的方棒量的与240mm晶棒的对比:
 
 
  显然,240mm单晶方棒的加工成本高出近10元/公斤,产出量减少约15%。
 
  而对于铸造单晶来说,通过简单的改造,铸锭成本几乎没有增加。因此在大尺寸上,未来更有优势。
 
  四、166mm直拉单晶硅品质影响
 
  从品质上分析,166mm对边宽的硅片,240mm直径硅棒的拉制,最大的潜在风险
 
 
  是氧含量增加。下图为单晶硅间隙氧来源的示意图,从坩埚中溶解的氧,绝大部分99%从硅溶液的自由表面挥发,少部分在结晶界面处分凝进入晶体中。进入晶体中的氧,与晶棒截面积呈正相关。
 
  据分析,相同热场条件,晶体直径由215mm增加到240mm,氧含量预计增加1-2ppma。大家都知道,单晶中氧含量的增加对效率的影响,肯定是负面的。
 
  五、总结
 
  回到我们最初的问题,166mm直拉单晶真的那么容易吗?我想在武断下结论之前,应该先解决几个问题:
 
  首先,热场的改造,分为两方面。第一,如何加大热屏内径而不至于过多影响温度梯度,这里主要集中在热屏的结构设计;至少要淘汰部分炉子.第二,如何保证氧含量不因晶体直径增加,而过多影响电池效率。氧含量的改进,不仅需在加热器上做文章,如何匹配工艺参数,更是值得深究的命题。
 
  其次,方棒成本的增加还是很明显的。以目前主流单晶制造工艺来分析,预计方棒成本(加工成本)增加幅度为16%左右。这里就应该考虑到最终对客户端发电能力的影响,是否合算。
 
  而对于铸造多晶或者铸造单晶利用现有炉台,不需要动隔热笼的情况下,只需要更换加热器和护板,就可以兼容166硅片。166多晶硅片比预想的来得快。根据半导体和面板行业的发展趋势,大尺寸一定是发展的趋势。在可以预见的未来,新的产线会往166mm铸造单晶方向走。
责任编辑:admin

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