行业动态
硅材料是重要且应用广泛的半导体材料，是微电子工业和光伏工业的基础材料，具有化学稳定性好、无污染等优点。硅材料有多种晶体形式，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅等，应用于光伏领域的主要包括直拉单晶硅、薄膜非晶硅/微晶硅、铸造多晶硅、带状多晶硅等。其中，直拉单晶硅和铸造多晶硅应用更为广泛，占太阳电池光伏材料 90% 以上的市场份额。
单晶硅和多晶硅的原料均来自高纯度硅原料，初始原料为石英砂 (SiO2)，通过与焦炭在高温电炉里发生炭热还原反应，形成99%左右纯度的金属硅（MG-Si），其中含有各种杂质，如Al、Fe、C、B和P等，需经进一步的提纯操作才能得到高纯硅原料。石英砂纯度的品味直接影响制备的冶金硅的纯度品味，进而影响提纯制备高纯硅原料的工艺和操作。
冶金硅中典型的杂质浓度
单晶硅制备技术主要有区熔单晶硅和直拉单晶硅2种。区熔单晶硅是利用感应线圈加热硅料形成区域熔化，达到提纯和生长单晶的目的。这种单晶硅纯度很高、电学性能均匀，但工艺繁琐、生产成本较高，一般不应用于太阳电池的规模化生产。直拉单晶硅是太阳电池用单晶硅的主要形式，通过在单晶炉中加热熔化高纯多晶硅原料，同时添加一定量的高纯掺杂剂 ( 如硼、磷等 )，再经过引晶、缩颈、放肩、等径和收尾等晶体生长阶段生长成单晶硅。
目前直拉单晶生长技术目前主要有直拉 (CZ) 法、磁场直拉 (MCZ) 法、直拉区熔 (CFZ) 法 3 种。磁场直拉 (MCZ) 法和直拉区熔 (CFZ) 法两种拉晶工艺的成本较高，尚未实现大规模产业化推广。而 CZ 法由于成本优势得到了规模化应用，目前占据着单晶产业化的主导地位。
直拉法生长单晶硅工艺流程图
直拉法（CZ法）生产单晶硅的设备由 4 部分组成：
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炉体：包括石英钳锅、石墨钳锅、加热组件、炉壁等；
晶棒和上升旋转机构：包括晶种夹、旋转机构；
气体氛围与压力：包括真空设备系统、Ar气流量及压力控制系统；
控制系统：包括传感器和电脑控制设备。
其中单晶炉是单晶生长的核心设备，直接决定了拉晶的产能及晶体品质。
典型CZ生长炉示意图
太阳电池用直拉硅单晶硅片的质量，主要以提高少子寿命增强光电转换效率为前提。而氧是直拉单晶硅中的主要杂质，它来源于熔硅与石英坩埚的反应，属于直拉单晶硅中不可避免的杂质。生产高品质硅片，主要从以下方面进行：降低单晶氧碳含量、降低单晶氧施主浓度、提高单晶少子寿命、降低单晶光致衰减。
因此光伏直拉单晶硅的制备对石英砂原料和石英坩埚都有着一定的要求和标准，随着相关技术不断成熟应用到实际生产中，未来光伏直拉单晶硅对石英砂和石英坩埚有着怎样的需求呢？
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专家介绍
从事产品研发管理近30年，曾任职航天科技集团、比雅全球集团亿维讯高级技术专家，现任职隆基股份硅片研发高级经理，是陕西省创新方法研究会、陕西生产力促进中心特约专家，国际发明与创新协会MTRIZ国际二级认证。长期从事太阳单晶硅材料研发相关工作，在产品研发、设计、制造及其技术创新体系、管理创体系建设方面经验丰富。
王向东
参考资料：
李继阳. 光伏用直拉硅中氧相关缺陷的研究
高超. 直拉单晶硅中杂质和缺陷的行为：重掺杂和共掺杂的影响
2017 年我国光伏技术发展报告
王金全. 单晶硅生产工艺中的关键技术
蒋娜. 单晶硅生长技术研究新进展
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