大家都知道晶体硅是太阳能电池的主要材料，大概占了90%左右。目前主要有两个技术，直拉和铸造的两种方式，这两种方式各有利弊，因此在产业界大概占了一定的比例，我们说直拉的质量好、效率高，但是成本相对高一点，而且能耗稍微高一点；铸造的成本低、能耗低，但是相对质量差一点、效率低一点。因此在过去的十年到二十年之间，这两个材料都占有一定的比例，但是最近两年出现了一个情况，大家对单晶硅和多晶产生了一个竞争，也产生了疑惑，究竟是单晶好还是多晶好？

 

　　记得在去年光伏大会我专门做了一个报告，分析了单晶和多晶在技术上各有什么优缺点？我们提到一个事情，其实我们还有一个方向，我不完全说单晶好还是多晶好，我们就说把两者结合起来有没有可能？单晶跟多晶的竞争其实跟太阳能光伏总体发展方向是一致的，也就是说我们希望它是低成本和高效率，是两者之间的平衡。因此对于单晶而言，我们可以看到它的效果比较高，它的目的是要降低成本，因此在最近几年，大家努力的方向是金刚线切割、增加长度、重复加料、连续加料等等，目的就是为了降低它的成本。最近国内特别以隆基为代表的企业做了非常漂亮的工作。另外多晶硅成本相对低，它希望是提高，高效率。因此大家做了很多的研发，比如说控制晶谢、减少位错，我们开发了高效多晶硅，减少杂质、增大尺寸，以及我们也采用金刚线的切割。因此在竞争中还有第三条路，也就是今天我们给大家报告的铸造单晶硅。

 

　　铸造单晶硅又称准单晶或者类单晶。其实就是利用籽晶的方式，利用铸造的方式，在晶体生长的时候，在底下先铺设一层籽晶，然后通过定向凝固的方式从底部开始增长，长出整个单晶。利用铸造多晶的方法长出了单晶，它兼具了单晶和多晶的优点，看起来是非常美好的一个事情，但是这里面有很多的挑战。也就是说做得好是结合了两者优点，做不好是结合了缺点。它的研究历史和太阳能相比还是比较短的，最早是1977年由Ciszek在《晶体生长》这个杂志上发表了这篇文章，提出了首先利用籽晶生长铸造的单晶，但是沉寂了将近有30年，因为大家都觉得这个方法在实验室是可行的，在企业界是不行的，因为它的成本和技术原因。到2006年的时候，BPSolar首先把它投入了产业化，当时他们做出了生产产业化型的晶锭。第二年又把它做成了电池组件，效果达到了18%，似乎看到了应用的前景，到了2009年的时候我们实验室也跟进，做了自己的技术的发展，到了2010年国内很多企业都跟进做了大量的研究，并且投入生产，包括我们的晶澳、与辉、天合等等。那一年BPSolar被收购了，推出了新的铸造单元晶的炉子，在那两年当中铸造单晶走入了产业化，大概占15%-20%左右整个的市场份额，但是到了2013年前后大家放弃了，一方面有高效多晶的出现，另外一方面大家发现它依然存在一些问题，这些问题严重的制约了铸造单晶的发展，其实铸造单晶的确有它的优点，刚才提到说它兼具了多晶的低成本和单晶的高效率，我们可以看到这张图显示的，这是铸造多晶的，这是铸造单晶的，它的少子寿命比多晶的要好，而且少子寿命的分布更加狭窄、更加尖锐，有利于我们做到产业化的高效多晶硅的制备，同时你可以看到和单晶比，这是光衰减，这是光衰减的曲线浓度。黑色的是普通的光衰减的曲线生成的情况，

 

　　同时，你可以看到，和单晶比，这是光衰减的曲线浓度。黑色的是普通的光衰减的曲线生成情况，这是普通的直拉硅单晶。红色的是铸造类单晶，它的缺陷的密度相当于它的1/10。对于普通的直拉晶硅体而言，它的衰减是这样的高度，到了铸造单晶的时候，它大概只有1/5的衰减，因此它的光衰减也明显的比单晶好。因此的确具有两者的优势，但是依然存在着问题。

 

　　我把问题总结了以下，大概目前它存在四大问题：一大问题是单晶率的问题，第二是高位错密度的问题，第三是籽晶成本问题，第四大问题是材料利用率问题。目前这四大问题阻碍了它的发展，所以尽管近年来大家都很关心这些事情，我们很多企业做了很漂亮的工作，那么这些困难依然存在。

 

　　第一个问题是单晶率的问题。这是我们可以看到的，通过做籽晶，可以做到铸造单晶，这是铸造单晶的上部，你可以看到这上面有一大块是单晶，这个示意图上蓝色的是单晶的区域，如果我把集成片你可以看到这是A1角上的硅片，在角上边依然存在着多晶，如果在B、C边缘存在着部分的多晶，而中间部分才是单晶，但是你仔细数一下，你就会发现完全是单晶的其实对于25晶锭，只有9个晶锭是完全单晶，还有16个晶锭是有一半多晶或者少量的多晶。我们可以看到一个晶锭的晶面的PL图谱。这个普通的铸造多晶硅，你可以看到整个里面都有曲线，到铸造单晶以后，在中部曲线就明显的降低，并且产生单晶，但在边缘角度依然有一定的多晶的存在，也就对应着这样的边缘区域或者说对应的这样一个区域。这样一个导致了什么问题呢？工艺不一致，就是说这一部分你用单晶碱制也不行，必须用酸制，而用酸制又跟铸造单晶硅的工艺不一样了，而铸造了酸制以后，它出现了花片，单晶和多晶的反射不一样，同时这部分电池效率还低，甚至比高效多晶硅的效率还低。因此大家得出一个非常重要的结论，对它的应用有了难度，因此我们现在的挑战就是怎么样用现有的技术长出单晶，这个铸造单晶纯度能够达到100%，或者说我们尽量的要涨到95%以上，也就说你的单晶率能够覆盖了整个晶锭，只有角上的四个晶锭是多晶，只有这样的情况下，从产业上才有应用的前景和成本的优势。而这块大家做了很多的工作，比如说在日本一位教授，他提出一个方法，他们说用单籽晶，在这个地方放一个籽晶，仅仅在中心，然后控制固液界面，使它成蘑菇状逐渐的往上走，最后能够到这个地方，底下都是单晶，上面是多晶，这是一种方法。另外一种方法也是日本人提出来的，他说利用σ5的晶界，是在这个地方放一个籽晶，在这个地方放晶界，这个籽晶的晶界我们称为σ5晶界。这个晶界往上长，长到这里以后有一个好处，边缘所有的多晶都不能长进去，因此在这里面就是单晶了，这是多晶，而普通的铸造单晶，当籽晶长成单晶的时候，从边缘依然有多晶过来，这个多晶他们认为这就是现在造成不能全部单晶的重要原因。所以利用σ5晶界来阻挡多晶的生长这是另外一个途径。还有通过控制热场，我们知道法国人做了一定的工作，ECM公司经过日常的调整，长出了铸造单晶，单晶率也是比较高的，但是从现有图像上可以看到角上依然有多晶硅存在，因此对于我们来讲，在今后的下一步重要的一个挑战，不仅是研究上，在生产上能不能做到95%以上的单晶率，这是一个挑战，是必须要克服的。

 

　　第二个挑战在籽晶的成本。我们知道铸造多晶硅是在干锅的底部要铺设籽晶，这个籽晶是单晶，单晶的厚度有2毫米厚，而这块又增加了很多的成本，你可以看到，这是切割籽晶的过程，一个单晶底部去掉，边缘要去掉，然后做成方块的，再铺设上去，工艺又比较复杂，所以这块我不给大家细讲了，目前研究有几个方向，第一个是薄籽晶，第二个是籽晶从2毫米降低到1毫米，然后就是籽晶能否重复利用，或者说切下来的边皮料能不能做成籽晶，最后一个就是能不能做成单籽晶、无籽晶的生长。

 

　　第三个挑战的问题就是材料的利用率问题。这个是显示铸造单晶的界面的少子寿命图，上面是低少子寿命区的红边区，边缘有一点。最主要是底部，我们跟普通的高效多晶硅比，它底部的红边区大概有5厘米左右，比普通的多1到2厘米，这样以来就导致了它的材料的利用率比较低，降低了成本的竞争力，如何来降低底部红边区？也是我们目前所要做的一个重要内容。底部红边区和铸造多晶硅、高效多晶硅相比为什么高起来了？我们曾经做过一个分析，我们分析的是这样的，把红边区少子寿命做了一个详细分析，底部它有一个低的少子寿命区，逐渐升高，到这个地方又降低、又升高，所以即使在5厘米的地方，它实际上是分区域的，在这个种情况下我们测试了它的铁浓度，从底部铁浓度逐渐降低，在中部的地方，大概3厘米的地方，这一个高峰铁浓度区域，而这个浓度区域正好对应着低的少子寿命区，因此我们建议铁的扩散和污染是铸造单晶的主要的低少子寿命区比较高的原因。

 

　　我们做了一个理论的分析，主要指出这部分铁是从坩埚扩散而来的，而这部分铁浓度峰，主要是由于分凝而产生的。

 

　　我们做了一个模拟，你可以看到右面是实际测试的少子寿命，从底部低少子寿命区，中间有一个3厘米的低少子寿命区，我们模拟以后得出来的结果跟它非常的吻合，从而进一步证实了铁杂质浓度对于它的重要贡献。

 

　　第四个挑战就是位错，也就是另外一个重要的问题。在铸造环境当中位错的问题是很重要的，它有两种位错，一种是分散的，distributedislocation，还有一个是位错团。这两个位错都会造成太阳能电池效率的降低，我们可以看到这是铸造多晶硅的一个光学照片，这是腐蚀以后的照片，这是晶界，有各种各样的晶体，你可以看到晶界有位错，铸造单晶没有晶界只有位错了。在铸造单晶当中位错已经成为了最主要的缺陷，它制约着铸造单晶效率的提升。这也是为什么它与直拉单晶效率不一样的主要因素。

 

　　铸造单晶硅位错起源有四个原因。一个是晶体冷却时产生的热应力。第二是在晶体当中如果杂质和沉淀，杂质会引起位错。第三是因为大部分的杂质，也就是说分离稀释是比较小的，因此杂质往往沉积在上部沉淀，而沉淀上部会造成位错的繁衍。另外一个还有籽晶位错，或者说籽晶偏角位错的繁衍所造成的一个位错。而这些位错是相对来说比较难消除的。我们可以看到，这是底部的位错、中部、头部的，从底部到中部到头部，它的分散位错，位错密度是逐渐增加的，从10的4次方一致增加到10的5次方乃至10的6次方。对于这样的硅片，如果我们测量它的少子寿命，你可以看出到随着位错密度的增加，它的少子寿命逐渐下降，如果我们这样的硅片用相同的工艺做成太阳能电池，你可以看到在所有条件不变情况下，在低位错密度的和高位错密度会相差0.5%的效率，这就是铸造单晶位错对效率的影响。

 

　　我们可以看到利用铸造单晶和单晶，这是碱腐蚀的，这是酸腐蚀的，这是高效多晶的情况。我们仅仅用直拉单晶和铸造单晶的对比，你可以看到效率相差0.6%，这个主要的位错所造成的，当然，它比普通的多晶而言，能够提高1.0%的效率。除了刚才讲的单晶位错之外，它还有重要的就是之位错团，我们长晶体的时候，我们放更多的籽晶，但是在籽晶的拼接缝的地方，会产生新的位错团，在籽晶的拼接缝的地方，会产生新的位错团，从PL图谱中我们看不出曲线，它跟中部的单晶完全是一样的，但是你用少子寿命去设置的话，你会发现沿底部这个角上会出现一个三角形低少子寿命区，经过化学腐蚀之后，你会看到，往往会对应着一个高位错密度区，我们称为位错团或者位错网络，也有称为次晶界。这样的东西你如果把它单片纵向切割、腐蚀以后，你可以看到在它边缘有高密度的位错，这是它放大的，你可以看到在这个地方有位错团，你把它做成少子寿命，你会发现边缘它明显的有低少子寿命区，你把它做成电池，测它的IQE，内量子效率，你会发现在长波长方向它有明显降低。要做成一个电池以后，有这样的晶界，效率相对来说会有所降低。

 

　　在这个地方低位错的，这是有位错团的，你可以看到位错团的明显降低了1%，甚至比普通多晶的效率都低。为了解决这个问题，我们要做什么样的工作呢？我们和企业合作做了一个新的工作，这是普通的光学照片照到的单晶，铸造单晶没有任何的晶界，这个地方腐蚀了以后有位错，测试以后有低少子寿命的三角的一个区域，我们把它做了一件什么事呢？我们引进了一个晶界，这个晶界引入之后你会发现一个新的结果，腐蚀以后，这是晶界，但是这个地方的位错没有了，如果你设置少子寿命，这个地方就成为高少子寿命区了，低少子寿命区得到了明显的抑制，也就是说通过引入晶界可以抑制位错团在底部的产生，这是一个直接的对照图，这是普通的铸造单晶，这是引入晶界的铸造单晶，你可以看到位错密度明显降低，少子寿命有明显的改善。这是一个铸锭晶锭的少子寿命图，普通的你可以看到在这个地方有比较多的低少子寿命区，而引入晶界以后低少子寿命区基本上可以抑制，也就说我们引入晶界可以控制它的位错团的产生，这是它的PL图铺，这是底部的，这是晶界，这是普通的，这是位错的产生，到了中部位错大密度产生到底部几乎全都是位错了。而通过一个晶界引入一个清晰的晶界，你可以看到，到了中部位错都没有产生，到了顶部都没有位错。但在别的地方会有位错的产生，这进一步证明了晶界的作用。引入晶界以后电池的效果明显的增强了。这是IQE的比较，IQE的曲线效果明显的提高，没有晶界的效率只有17.5%，这是以前的数据，相对低一点。引入晶界的可以明显的看到增加了0.6%的效率。

 

　　但是这个有没有问题存在？依然有问题，主要的几个问题，一个是晶界引入的夹角的地方，在顶部依然还会有一定的位错会产生，另外假如晶界的地方有沉淀会产生，这是底部、中部，从沉淀的地方逐渐衍生出新的位错，能够导致位错有快速的增殖，这是另外的两个问题，目前还没有得到完全的解决。

 

　　所以我们说铸造单晶硅是目前光伏晶体硅的发展方向。但是它面临高位错的密度、单晶率、籽晶成本和材料利用率等问题的挑战。其中位错是起动制约单晶质量的最关键的因素。

 

　　在结束之前要感谢我们的博士生和我的合作伙伴，还有万跃鹏博士，最后感谢国家自然科学基金委的给钱，没有钱是不能干活的。谢谢大家