硅材料是重要且應用廣泛的半導體材料，是微電子工業和光伏工業的基礎材料，具有化學穩定性好、無污染等優點。硅材料有多種晶體形式，包括單晶硅、多晶硅和非晶硅等，應用于光伏領域的主要包括直拉單晶硅、薄膜非晶硅/微晶硅、鑄造多晶硅、帶狀多晶硅等。其中，直拉單晶硅和鑄造多晶硅應用更為廣泛，占太陽電池光伏材料 90% 以上的市場份額。

單晶硅和多晶硅的原料均來自高純度硅原料，初始原料為石英砂 (SiO2)，通過與焦炭在高溫電爐里發生炭熱還原反應，形成99%左右純度的金屬硅（MG-Si），其中含有各種雜質，如Al、Fe、C、B和P等，需經進一步的提純操作才能得到高純硅原料。石英砂純度的品味直接影響制備的冶金硅的純度品味，進而影響提純制備高純硅原料的工藝和操作。

冶金硅中典型的雜質濃度

單晶硅制備技術主要有區熔單晶硅和直拉單晶硅2種。區熔單晶硅是利用感應線圈加熱硅料形成區域熔化，達到提純和生長單晶的目的。這種單晶硅純度很高、電學性能均勻，但工藝繁瑣、生產成本較高，一般不應用于太陽電池的規?；a。直拉單晶硅是太陽電池用單晶硅的主要形式，通過在單晶爐中加熱熔化高純多晶硅原料，同時添加一定量的高純摻雜劑 ( 如硼、磷等 )，再經過引晶、縮頸、放肩、等徑和收尾等晶體生長階段生長成單晶硅。

目前直拉單晶生長技術目前主要有直拉 (CZ) 法、磁場直拉 (MCZ) 法、直拉區熔 (CFZ) 法 3 種。磁場直拉 (MCZ) 法和直拉區熔 (CFZ) 法兩種拉晶工藝的成本較高，尚未實現大規模產業化推廣。而 CZ 法由于成本優勢得到了規?；瘧?，目前占據著單晶產業化的主導地位。

直拉法生長單晶硅工藝流程圖

直拉法（CZ法）生產單晶硅的設備由 4 部分組成：

爐體：包括石英鉗鍋、石墨鉗鍋、加熱組件、爐壁等； 晶棒和上升旋轉機構：包括晶種夾、旋轉機構； 氣體氛圍與壓力：包括真空設備系統、Ar氣流量及壓力控制系統； 控制系統：包括傳感器和電腦控制設備。

其中單晶爐是單晶生長的核心設備，直接決定了拉晶的產能及晶體品質。

典型CZ生長爐示意圖

太陽電池用直拉硅單晶硅片的質量，主要以提高少子壽命增強光電轉換效率為前提。而氧是直拉單晶硅中的主要雜質，它來源于熔硅與石英坩堝的反應，屬于直拉單晶硅中不可避免的雜質。生產高品質硅片，主要從以下方面進行：降低單晶氧碳含量、降低單晶氧施主濃度、提高單晶少子壽命、降低單晶光致衰減。

因此光伏直拉單晶硅的制備對石英砂原料和石英坩堝都有著一定的要求和標準，隨著相關技術不斷成熟應用到實際生產中，未來光伏直拉單晶硅對石英砂和石英坩堝有著怎樣的需求呢？

2019年10月30日-31日，由中國粉體網主辦的“2019全國石英大會”將在江蘇徐州舉行，屆時來自隆基綠能科技股份有限公司的硅片研發高級經理王向東將帶來《光伏直拉單晶對于石英坩堝及石英砂的產業化需求》的精彩報告。更多關于石英礦物關鍵技術的探討，敬請期待！

專家介紹

從事產品研發管理近30年，曾任職航天科技集團、比雅全球集團億維訊高級技術專家，現任職隆基股份硅片研發高級經理，是陜西省創新方法研究會、陜西生產力促進中心特約專家，國際發明與創新協會MTRIZ國際二級認證。長期從事太陽單晶硅材料研發相關工作，在產品研發、設計、制造及其技術創新體系、管理創體系建設方面經驗豐富。

王向東

參考資料：

李繼陽. 光伏用直拉硅中氧相關缺陷的研究

高超. 直拉單晶硅中雜質和缺陷的行為：重摻雜和共摻雜的影響

2017 年我國光伏技術發展報告

王金全. 單晶硅生產工藝中的關鍵技術

蔣娜. 單晶硅生長技術研究新進展

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