硅材料標準助力光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展
——光伏用硅材料標準現(xiàn)狀研究

楊素心

（有色金屬技術經(jīng)濟研究院，北京 100089）

經(jīng)過十余年的發(fā)展，我國的光伏產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了從無到有、從弱到強的跨越，產(chǎn)業(yè)化技術處于全球先進水平，前沿技術也開始加速布局。2019年，全球光伏新增裝機市場約120GW，創(chuàng)歷史新高；2020年，在光伏發(fā)電成本下降和新興市場拉動等有利因素的推動下，預計全球光伏市場仍將保持增長。硅材料是光伏產(chǎn)業(yè)的基石，其質量的提升直接影響著光伏發(fā)電的效率和成本。我國已成為全球最大的光伏用硅材料生產(chǎn)基地，2019年我國多晶硅產(chǎn)量達34.2萬噸，同比增長32.0%，全國硅片產(chǎn)量約為134.6GW，同比增長25.7%。光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展和對高質量的要求，促使硅材料生產(chǎn)工藝不斷改革與創(chuàng)新，光伏用硅材料標準也受到了更為密切的關注。

1 標準概況

標準作為產(chǎn)品組織生產(chǎn)、檢驗和用戶驗收的依據(jù)，在產(chǎn)品的生產(chǎn)和貿(mào)易中起著舉足輕重的作用。全國半導體設備和材料標準化技術委員會材料分技術委員會（以下簡稱半材標委）經(jīng)過20余年的運行，在半導體材料領域深耕細作，在標準體系建設、協(xié)調服務以及平臺建設等方面積極開展工作，取得了豐碩的成果。在光伏領域，半材標委圍繞典型的硅材料、原輔材料、副產(chǎn)品、測試方法以及安全生產(chǎn)、能耗限額、資源綜合利用、綠色制造等開展標準研究，目前已發(fā)布的光伏用硅材料相關標準有79項，包括基礎標準6項、產(chǎn)品標準（含原輔材料、副產(chǎn)品）18項、方法標準51項、管理標準4項，平均標齡5.3年。由于硅材料發(fā)展較早，光伏用硅材料標準中的基礎標準和方法標準很多都是隨著電子級硅材料的發(fā)展建立起來的，其中隨著光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展建立的標準有54項，這些標準在行業(yè)發(fā)展初始，起到了規(guī)范產(chǎn)品質量、促進行業(yè)交流及技術進步的重要作用。

硅材料作為光伏行業(yè)的基礎原材料，近年來技術進步顯著，硅材料的標準從內(nèi)容到水平也發(fā)生了重大改變。本文特對光伏用多晶硅、硅塊、硅片標準的現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)進行介紹與分析。

2 太陽能級多晶硅

作為光伏行業(yè)最基礎的原材料，目前我國多晶硅的生產(chǎn)方法主要有改良西門子法和流化床法，但以改良西門子法為主的格局在短時間內(nèi)不會有大的變化。

GB/T 25074-2017《太陽能級多晶硅》主要針對改良西門子法多晶硅，適用于以氯硅烷、硅烷為原料生長的棒狀多晶硅或經(jīng)破碎形成的塊狀多晶硅。標準中將改良西門子法多晶硅按外形分為塊狀和棒狀，按導電類型分為n型和p型，根據(jù)關鍵技術指標的區(qū)別分為四級，并首次提出了特級品。半材標委秘書處曾聯(lián)合標準主要起草人對GB/T 25074《太陽能級多晶硅》的2017年版與2010年版進行對比解讀[1]，可供讀者參考。GB/T 25074-2017產(chǎn)品標準中規(guī)定了多晶硅的電學性能、雜質含量、尺寸、表面質量等技術要求，其中除尺寸、表面質量外的技術指標都有適用的測試方法，但是部分方法標準已申報修訂，并有新的測試方法可用，具體情況見表1。為了避免在實驗室審核時產(chǎn)生歧義，標準中還在“試驗方法”章單獨明確了對多晶硅進行施主雜質濃度、受主雜質濃度、氧含量、碳含量、少數(shù)載流子壽命、導電類型、電阻率檢驗前，需按照GB/T 4059-2018《硅多晶氣氛區(qū)熔基磷檢驗方法》、GB/T 4060-2018《硅多晶真空區(qū)熔基硼檢驗方法》或GB/T 29057-2012《用區(qū)熔拉晶法和光譜分析法評價多晶硅棒的規(guī)程》規(guī)定的方法制成單晶試樣。

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的變化，多晶硅片廠商使用硅料比例降低，單晶硅片廠商按照n型單晶和p型單晶用多晶硅進行訂貨，但究其區(qū)別，不同用途的多晶硅仍然是關鍵技術指標的不同。在深化標準化工作改革的大背景下，是否有必要另行細化制定太陽能級多晶硅的產(chǎn)品標準將在后續(xù)標準化工作中探討。由于光伏產(chǎn)業(yè)競爭加劇、多晶硅生產(chǎn)技術不斷進步，多晶硅和硅片產(chǎn)能進一步集中，多晶硅供需雙方都在GB/T 25074-2017標準的基礎上加嚴控制技術指標。目前供需雙方逐漸對多晶硅尺寸要求達成了共識，后續(xù)可根據(jù)應用情況在標準中對多晶硅尺寸進一步規(guī)范，其中塊狀多晶硅尺寸多用篩分法進行測試，鑒于尺寸的測試過程可能帶來沾污，可考慮制定專用的尺寸測試方法標準，明確測試環(huán)境、干擾因素等。另外，多晶硅表面的粉塵對下游的使用影響較大，表面質量中可增加粉塵要求，同時考慮制定表面質量的測試方法標準。

2 流化床法顆粒硅

流化床法生產(chǎn)的顆粒硅投資少、成本低，但是金屬雜質含量較高，目前主要用于單晶硅連續(xù)拉晶加料、多晶硅鑄錠時填隙以增加投料量。目前國內(nèi)江蘇中能、天宏瑞科已經(jīng)實現(xiàn)了顆粒硅的小批量生產(chǎn)，2018年6月亞洲硅業(yè)也攻克了氯硅烷制備顆粒硅的難題，中試線采用二氯二氫硅直接分解制備顆粒硅，生產(chǎn)工藝簡化。

GB/T 35307-2017《流化床法顆粒硅》適用于以硅烷氣為原料、采用流化床法生產(chǎn)的顆粒狀多晶硅，標準中也根據(jù)技術指標的區(qū)別將顆粒硅分為四個等級，其中施主雜質濃度、受主雜質濃度、碳含量檢測前，需按照GB/T 35309-2017《用區(qū)熔法和光譜分析法評價顆粒狀多晶硅的規(guī)程》規(guī)定的方法將顆粒硅樣品制備成單晶試樣。相較于GB/T 25074-2017《太陽能級多晶硅》，顆粒硅標準中增加了氫含量的要求，這是由于生產(chǎn)工藝的特殊性導致顆粒硅中氫含量較高，而高含量的氫會帶來安全隱患、降低后續(xù)產(chǎn)品質量。GB/T 35307-2017標準中規(guī)定的檢驗項目、檢驗方法以及目前檢驗方法的最新進展見表2。

表2 GB/T 35307-2017《流化床法顆粒硅》

近幾年國內(nèi)顆粒硅生產(chǎn)技術及質量水平明顯提升，GB/T 35307-2017《流化床法顆粒硅》標準已不能有效指導產(chǎn)品生產(chǎn)以及滿足客戶需求。目前標準編制單位已經(jīng)提出修訂申請，將提高施受主雜質濃度、碳含量以及總金屬雜質含量的要求，同時更新測試方法。與棒狀多晶硅相比，顆粒硅的生產(chǎn)工藝更為簡單，現(xiàn)階段的產(chǎn)量低，直接相關的標準較少。隨著未來顆粒硅市場和技術的變化，相關的標準體系可以參照改良西門子法多晶硅的進行完善，如制定《流化床法顆粒硅用籽晶》。

3 單晶硅塊、硅片

早期單晶硅片因長晶爐投料量、生長速率、拉棒速度等方面的技術不夠成熟，生產(chǎn)成本居高不下，而多晶硅錠使用鑄錠技術成本優(yōu)勢明顯而占據(jù)主要市場份額。近年來，得益于連續(xù)直拉單晶、金剛線切割等技術的應用，單晶硅片成本明顯降低，而且單晶硅片具有單一晶向、無晶界、位錯密度低等優(yōu)點，其光電轉換效率較多晶硅片高。2019年單晶硅片市場占比約65%，而隨著光伏市場的不斷發(fā)展，高效電池將成為市場主導，單晶硅片市場份額有望繼續(xù)擴大。

GB/T 25076-2018《太陽能電池用硅單晶》、GB/T 26071-2018《太陽能電池用硅單晶片》分別適用于直拉摻雜制備的圓形硅單晶經(jīng)加工制成的準方形或方形硅單晶，以及由硅單晶加工成的準方形或方形硅片。標準中規(guī)定硅單晶、硅單晶片按導電類型分為n型、p型兩種，按照外形尺寸分為準方形和方形兩種。準方形按其邊長分為100.75mm、125.75mm、156I、156Ⅱ、156Ⅲ、161.75mm、210.75mm；方形按其邊長分為100.75mm、125.75mm、156.75mm、210.75mm；其他尺寸規(guī)格可由供需雙方協(xié)商確定。按照直徑或邊長對硅單晶進行分類品種太多，在標準中不可能涵蓋目前市場上的所有規(guī)格，因此標準編制時參照SEMI PV22-0817《太陽能電池用硅片規(guī)范》，納入行業(yè)主流產(chǎn)品和最新的發(fā)展方向。半材標委秘書處也曾對GB/T 25076、GB/T 26071的主要修訂內(nèi)容以及編制原則進行了解讀[2]，可供參考。GB/T 25076-2018中規(guī)定的硅單晶的檢驗項目、檢驗方法以及目前檢驗方法的最新進展見表3。

直拉法生長的硅單晶經(jīng)加工獲得與后續(xù)的硅單晶片一樣的截面尺寸，再經(jīng)金剛線切割后獲得硅單晶片。從硅單晶到硅單晶片的機械加工過程中，材料的電學性能、氧含量、碳含量、晶體完整性都沒有變化，而硅片的邊長、對角線長度（直徑）、倒角長度、垂直度、晶向及晶向偏離度的要求也與硅單晶一致。GB/T 26071-2018中規(guī)定的單晶硅片的檢驗項目、檢驗方法以及目前檢驗方法的最新進展見表4。

單晶硅塊、硅片產(chǎn)品標準在修訂時，結合行業(yè)實際生產(chǎn)水平和下游客戶需求情況，既納入了市場上現(xiàn)行的主流產(chǎn)品，又考慮了最新的發(fā)展方向，目前標準中規(guī)定的產(chǎn)品技術指標基本適用，但測試方法存在問題。單晶硅塊標準方面，主要體現(xiàn)為硅塊的尺寸測試有自動測試儀測量和手動測量兩種，但標準中未引用GB/T 37213-2018《硅晶錠尺寸的測定 激光法》，載流子復合壽命的測試主要使用非接觸渦流法，標準規(guī)定與現(xiàn)行實際不符，但是目前已申報制定相應標準，再者表面質量的測試還未制定標準，可研究制定硅塊的紅外透視檢測方法標準。單晶硅片標準方面，由于目前硅片的生產(chǎn)速度非常快，傳統(tǒng)的離線測試手段已經(jīng)無法滿足需求，非接觸式在線測試方法成熟，在硅片企業(yè)廣泛應用，大大提高了測試效率，降低了生產(chǎn)成本，對應的方法標準也很完整。但是GB/T 26071-2018起草時未注意對該系列標準的引用，需要及時進行更新，具體對應情況見表4。

表3 GB/T 25076-2018《太陽能電池用硅單晶》

表4 GB/T 26071-2018《太陽能電池用硅單晶片》

4 多晶硅塊、硅片

隨著多晶硅鑄錠和切片技術的不斷發(fā)展，市場上對多晶電池效率的不斷要求和企業(yè)對成本的不斷管控，現(xiàn)在的多晶硅片已變得更加多樣化，其尺寸、外形、電學性能參數(shù)都有了提升，未來預計主要向黑硅多晶、類單晶路線發(fā)展。GB/T 29054-2019《太陽能電池用鑄造多晶硅塊》、GB/T 29055-2019《太陽能電池用多晶硅片》分別適用于從鑄造技術制備的硅錠上切割得到的多晶硅塊以及多晶硅片，包括類單晶硅塊和硅片。類單晶是結合直拉單晶和鑄造多晶兩者的優(yōu)點發(fā)展起來的，目前基本采用籽晶誘導生長技術，即采用單晶硅塊作為籽晶，以定向凝固法生長形成鑄造多晶，該晶體具有明顯與籽晶同方向的大晶粒，轉換效率高于多晶。但是類單晶的電學性能、尺寸、外觀等要求與傳統(tǒng)多晶硅塊基本一致，因此暫未單獨編寫標準。

GB/T 29054-2019中規(guī)定的鑄造多晶硅塊的檢驗項目、檢驗方法以及目前檢驗方法的最新進展見表5。由于多晶硅塊及Ⅱ類類單晶硅塊表面存在晶界，電阻率、載流子壽命、氧含量、碳含量測試時應盡量避開晶界區(qū)域，在中心區(qū)域的大晶粒范圍內(nèi)測試，而且測試值僅供參考。

表5 GB/T 29054-2019《太陽能電池用鑄造多晶硅塊》

表6 GB/T 29055-2019《太陽能電池用多晶硅片》

與單晶硅片類似，多晶硅片是由多晶硅塊經(jīng)金剛線切割而成，因此硅片的邊長、倒角尺寸、導電類型、電阻率、載流子壽命、氧含量、碳含量與多晶硅塊的要求一致，其中載流子壽命、氧含量、碳含量不再進行批檢，質量由供方保證。GB/T 29055-2019中規(guī)定的多晶硅片的檢驗項目、檢驗方法以及目前檢驗方法的最新進展見表6。

與單晶硅塊、硅片的標準類似，多晶硅塊、硅片產(chǎn)品標準中的技術要求滿足行業(yè)需要。方法標準方面，單晶硅塊的尺寸、表面質量的測試問題與多晶硅塊一樣，而類單晶硅塊的晶粒面積比例目前是通過對比樣塊人工目測判定，未實現(xiàn)自動檢測，暫時無制定方法標準的技術基礎；多晶硅片多采用在線自動測試，對應的方法標準完整、適用性強，其中類單晶硅片的晶粒面積比例已采用儀器測試，正研究制定相應的方法標準。

5 結束語

2020年3 月，國家能源局發(fā)布《關于2020年風電、光伏發(fā)電項目建設有關事項的通知》，2020年度新建光伏發(fā)電項目補貼預算總額度為15億元，相比2019年補貼金額縮減一半。光伏發(fā)電降補貼，由高速發(fā)展向高質量轉變，推進平價上網(wǎng)已是大勢所趨。光伏用硅材料產(chǎn)品標準和方法標準基本齊全，最新的多晶硅、硅塊、硅片的產(chǎn)品標準發(fā)布于2017～2019年，2010年前發(fā)布的多項方法標準也已提出修訂，激烈的市場競爭，促使產(chǎn)業(yè)技術不斷進步，產(chǎn)品標準將緊跟行業(yè)發(fā)展進行更新，新的測試方法也逐步提出制定。半材標委一直致力于推進行業(yè)標準化，助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展，后續(xù)將繼續(xù)加強標準實施情況調研，緊跟產(chǎn)業(yè)變化，從測試方法、原輔材料以及工藝技術規(guī)范、工業(yè)節(jié)能等方面進一步完善標準體系。