新款单晶炉为何在2023年推出?

发表时间:2023-09-13 11:29


N 型硅片存同心圆痛点, 低氧型单晶炉助力降本增效1

新款单晶炉为何在2023年推出?

随着N型电池片,尤其是TOPCon快速放量,N型硅片需求大幅提升。TOPCon 2022年实际扩产约110GW20231-4月扩产约400GW,带动N型硅片需求快速提升,而N型硅片对晶体品质和氧碳含量要求很高,要求更高的少子寿命和更低的氧含量。

N型硅片容易产生由原生氧造成同心圆、黑芯片问题。主要系高温的硅溶液在坩埚里进行相对高速的对流,因为外面热中间冷,底部热上面冷,硅溶液在坩埚内会形成类似“开锅”现象,造成硅溶液内部出现流动,不停冲刷石英坩埚,而石英就是二氧化硅,其中氧会在冲刷过程中融入硅溶液,造成晶体里含有较多的氧。

TOPCon更容易发生同心圆问题。TOPCon在后续的高温工艺(如B扩散)下,氧容易沉淀形成氧环即同心圆,影响效率和良率,所以TOPCon对硅片氧含量更敏感;而HJT为低温工艺,出现同心圆概率不高,可以选择高氧含量硅片。

P型和N型的区别,为何PERC对杂质要求不高?

N型电池对硅料要求比P型高。

1)转换效率上,N型电池(TOPConxBCHJT)均高于P型电池(BSFPERC)。

2)电特性及纯度上,N型表金属、体金属、受主杂质和施主杂质含量比P型少50%,少子寿命也提高了。

3)含氧量上,现有的单晶炉技术可以实现12.5ppma左右的含氧量,再往下,良率就很低,如果降低到10ppma,良率可能不到10%

当下TOPCon一体化企业的痛点:同心圆和黑芯片问题

TOPCon高温过程比较多(SE需要两次扩硼,温度在1050摄氏度以上,扩磷850摄氏度,LPCVD也是高温过程),高温过程会激发硅片内的氧原子形成同心圆,使效率下降。

缺陷分为空位缺陷和点缺陷,空位缺陷是原子来不及排列,所以中间出现了孔洞。高拉速情况下孔洞会多,掺杂磷之后孔洞缺陷会更多,过了7ppm之后,缺陷会急速上升。Topcon里的高温制程就会导致氧聚集形成缺陷,400以上氧可以在硅片里活动,800~900以上氧可以游动,一旦冷了凝固就不动了。氧喜欢CUP区域,氧原子堆积在一起,漏电大,一定就是不会发电的,如果氧和过渡金属复合之后,会引起局部的位错。从逻辑上,氧和杂质是N型硅片的敌人,杂质会复合掉少子,氧会聚集形成缺陷。

成本对比:相比HJTTOPCon成本更高、对硅片要求更高

半棒半片技术为HJT带来的良率及硅棒利用率提升:①切割产能损失不到10%;②硅损不0.7%;③电池端的效率可提升0.03-0.05%;④可以降低0.3%的电池端碎片率;⑤在130μm薄片的情况下良率提高近4%。其中:降低的0.3%电池端碎片率可以抵消0.4%的硅损,剩下的0.3%硅损还可以被电池端的效率增益部分抵消(即③+④可以基本抵消掉②);剩下10%的切片机产能损失微乎其微(即①可忽略不计),最后算下来可以带来近4%的良率提升(即最后只剩

下⑤)。

HJT除了可以利用半棒半片工艺带来良率上的收益之外,其优势还在于:⑥HJT本身比TOPCon3%的硅棒利用率;⑦HJT对硅片的容忍度比TOPCon要高很多,可用TOPCon的头尾料进行生产,此优势又可以使HJT提升3%的硅棒利用率。因此,相较于TOPConHJT不仅良率提高了近4%,而且硅棒利用率还比TOPCon6%(即⑥+⑦)。

HJT薄片化更顺利且潜力大:HJT硅片厚度可以在100微米以上,厚度低于100微米可能效率下降,从原理上没有太大问题,问题在于碎片率、机械手之类需要改进。薄片化之后功率有提升,因为填充因子变大、电阻变小导电性变好。

TOPCon中边皮的效率损失至少有0.15-0.2%,而HJT只有0.05%HJT采用半片,先做半棒,切半棒的时候切一半,就可以在边缘弧度部分切半片(一个小块,很多半片),进而降低边际切割硅片成本。

湿法环节:N型电池片均具备退火吸杂工艺,奥特维专注TOPCon的光注入退火炉(设备价格约600-800万元/台),迈为专注异质结的链式吸杂(诱使金属杂质和氧杂质远离硅片正面的方法,可以大幅降低对硅料的要求),考虑到N型电池对硅片纯度的要求比对P型的要求更高,

这进一步阐释了从硅料端降低纯度要求的可行性,异质结能用的硅料等级可能会比PERCP型电池的硅料纯度更低。

因此,HJT可以比TOPcon多用5%的头尾料,降低了非硅成本

若硅料降低100/KGHJT硅片厚度为80微米时,硅片总成本约为0.24/W,我们假设N型硅片毛利率约25%,则硅片售价约为0.31/W,即HJT电池片的硅片成本约为0.31/W

硅片设备发展趋势:从尺寸变大到质量升高

单晶炉发展趋势:平均3-4年换一代,从尺寸变大到质量升级

之前单晶炉的发展思路是:在所有变动成本一致的情况下,硅片尺寸越大,成本越低。当下的G10硅片,从尺寸角度看,已经是瓶颈,210是最符合集装箱尺寸的大小,自210推出后,硅片环节再无新的技术迭代。

晶盛机电持续推出单晶炉新品,由注重尺寸到注重质量。2007年晶盛机电推出第一代全自动单晶炉;2011年首推水冷套装置,实现高拉速第二代单晶炉;2015年首推复投器+大热场,开创第三代RCZ高产单晶炉;2020年首推基于工业互联网的第四代智能化单晶炉。2023晶盛推出第五代新型单晶炉,最大的亮点在于改变了传统的封闭控制系统模式,配置了基于开放架构的用户可编程的软件定义工艺平台。

解决同心圆问题的方法:降低氧含量,提高少子寿命

一般来说,头氧含量越低,少子平均寿命越长。当头氧含量在12%以下,50%的少子寿命在6000-8000μs以下,当头氧含量低于12%60%以上少子寿命在8000-10000μs以上。当头氧含量小于等于10%,有10%的少子寿命大于12000μs

1晶盛机电:增加超导磁场

超导磁场主要作用是可以减少对流,减少晶体材料里面的氧含量,还可以提升生晶体生长的稳定性,减少里面的cup缺陷。

光伏最早没有使用超导磁场,是因为早期的光伏对这些优势并不敏感,PERC电池并不关注氧碳含量等缺陷。近期做TOPCon电池,由于原生含氧量的问题,晶盛进行了加超导磁场的测试,发现超导磁场可以非常有效的抑制对流,对流减弱了之后,长晶过程中,硅溶液冲刷坩埚壁的强度就会下降,导致材料里氧含量会非常显著下降,N型硅片同心圆的问题能够缓解。

2)连城数控:MCCz技术,外加磁场+氩气吹扫方案

推出KX420PV新品单晶炉,采用MCCz技术,通过外加磁场的引入可有效抑制硅熔体热对流,降低氧的形成和传输,同时结合全新设计的氩气吹扫方案、大尺寸排气管道及低流阻设计,匹配大抽速真空干泵和升降式加热器,最大程度带走氧杂质。

目前连城数控已深度掌握磁场模块(永磁场、勾型磁场及水平磁场、超导磁场)用于光伏单晶生长的一系列方案。

3)奥特维:主要通过热场设计来降低氧含量,追求高性价比

通过热场工艺模拟,结合流体流通路线,设计最佳匹配炉内管路开口位置及流体管路走向,最大化程度带走氧杂质。

软控算法增加控氧功能模块,在不影响拉晶的前提下,不定时开启除氧功能;后续延续此思路增加其他除杂模块。

调整工艺包部分内容,以提升工艺与硬件之间的匹配度。

同等条件下,奥特维的方案下同心圆可降低50%;相较于主流硅片氧含量水平,同等条件下低氧型单晶炉可实现氧含量降低24%以上,试验线验证数据电池片效率提升0.1%




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