中國粉體網(wǎng)訊 受全球光伏裝機(jī)量持續(xù)高增長的帶動，光伏用石英砂的需求量也穩(wěn)步增加。同時(shí)，我國目前面臨著石英坩堝內(nèi)層砂依賴進(jìn)口、光伏玻璃超白砂大規(guī)模供應(yīng)瓶頸等一些痛點(diǎn)難題。為了與行業(yè)攜手破解這些難題，2024年3月29日，由中國粉體網(wǎng)主辦的第二屆光伏行業(yè)用石英砂技術(shù)與市場交流大會在安徽蕪湖隆重召開，會議期間，我們邀請到了業(yè)內(nèi)專家、學(xué)者，優(yōu)秀企業(yè)家代表做客對話欄目，進(jìn)行訪談交流。本期為您分享的是資深石英材料技術(shù)專家韓東博士的專訪。
中國粉體網(wǎng)：石英坩堝是光伏硅片生產(chǎn)環(huán)節(jié)的核心耗材，那么，石英坩堝是如何影響單晶硅棒性能和質(zhì)量的？
韓博士：石英坩堝有幾個(gè)核心性能，其最核心最基礎(chǔ)的性能就是內(nèi)表層顯微氣泡的含量，石英坩堝的顯微氣泡是在石英坩堝內(nèi)表面1~2mm處密集存在的直徑幾μm到幾十μm的微氣泡，由于在拉晶過程中，這種微氣泡要直接與硅液接觸，同時(shí)在高溫和低氣壓的作用下，微氣泡會不斷的長大，向內(nèi)表面的硅液中不斷溶解，最終氣泡會破裂釋放，釋放的氣泡大部分掛在坩堝內(nèi)表面，對單晶影響比較少，但是顆粒會隨著硅液的液流流到單晶的固液交界面，最后粘在單晶的固液交界面，最終引起單晶的斷線，從單晶變成多晶，直接影響到單晶的成晶率，這是決定單晶的成本的最關(guān)鍵的因素。因此內(nèi)表層顯微氣泡性能是坩堝的一個(gè)核心性能。
另外，石英坩堝的另一個(gè)比較基礎(chǔ)的性能，是坩堝的內(nèi)表層是否充分純凈。因?yàn)閮?nèi)表層的雜質(zhì)會擴(kuò)散到硅液當(dāng)中，進(jìn)而影響到單晶的性能，如Li、Na、Ka、Ca這些雜質(zhì)都會影響到單晶的電性能指標(biāo)。
中國粉體網(wǎng)：高純石英砂是石英坩堝的核心原料，那么光伏用石英坩堝對其原料石英砂的性能要求是怎樣的？
韓博士：剛才我們提到了坩堝的兩個(gè)性能，一個(gè)是內(nèi)表層顯微氣泡的性能，另一個(gè)是坩堝內(nèi)表層的雜質(zhì)含量，還有一個(gè)就是坩堝的強(qiáng)度能夠保持其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形狀，不要在長時(shí)間的拉晶過程中變形。那么，內(nèi)表層顯微氣泡性能與石英砂的關(guān)系是什么呢？內(nèi)表層顯微氣泡取決于兩個(gè)因素，一個(gè)是坩堝的工藝，或者是設(shè)備與工藝的配合最終能否充分地將石英砂顆粒之間的氣體收走，使內(nèi)表層的顯微氣泡含量較少。
另外，所用的石英砂是基礎(chǔ)，僅憑工藝無法抽走石英顆粒里面的每一個(gè)氣泡，因?yàn)槭⒃V內(nèi)本身就存在氣液包裹體，在石英砂破碎過程中，有一部分氣液包裹體會釋放出去，但也有相當(dāng)一部分是很難釋放出去的。由于高溫下石英的粘度非常高，因此工藝只能抽出石英顆粒之間的氣體，而無法抽出顆粒內(nèi)部的氣液包裹體。對于石英坩堝內(nèi)層砂來講，氣液包裹體的含量是其非常核心的性能，如果氣液包裹體含量很高，那么在高溫熔制下，這些氣液包裹體會膨脹，長成微小的氣泡，像滿天星一樣密密麻麻的存在于石英坩堝的內(nèi)表面，大幅增加石英坩堝內(nèi)表層顯微氣泡的含量，進(jìn)而增加單晶的斷線率，降低單產(chǎn)和成晶率，這是石英砂的一個(gè)關(guān)鍵性能即石英砂的雜質(zhì)含量。尤其是堿金屬和堿土金屬，如含有許多Li、Na、K、Ca、Fe雜質(zhì)含量的石英砂用在石英坩堝內(nèi)層，雜質(zhì)會遷移擴(kuò)散到硅液當(dāng)中，如果它在內(nèi)表面濃度較高，會形成異常的破壞性析晶，產(chǎn)生的顆粒進(jìn)入到硅液中也會產(chǎn)生嚴(yán)重的斷線，如果濃度更高，則會形成一個(gè)腐蝕坑，一旦形成腐蝕坑，硅液會順著坑和縫隙不斷向外腐蝕，最終產(chǎn)生漏硅的風(fēng)險(xiǎn)。上面我們說的是內(nèi)層砂，對于中外層砂來講，我們?nèi)匀灰匾曔@幾種雜質(zhì)含量，對于擴(kuò)散比較快的雜質(zhì)，中外層砂對其要求比較高，接近于內(nèi)層。對于其他擴(kuò)散速度慢的雜質(zhì)，要求則相對低一點(diǎn)。
中國粉體網(wǎng)：石英坩堝有時(shí)會出現(xiàn)許多微氣泡，這些氣泡是如何產(chǎn)生的？對拉晶質(zhì)量的影響如何？要如何去除？
韓博士：氣泡的去除一方面是要用高質(zhì)量的、氣液包裹體含量少的石英砂，其次是熔制過程中各個(gè)參數(shù)的配合，在坩堝的熔制過程中，其有六七個(gè)參數(shù)都是可以調(diào)整的，通過各個(gè)參數(shù)的精密調(diào)整和配合，能夠進(jìn)一步減少石英砂之間的氣體被包裹在透明層中。
中國粉體網(wǎng)：您認(rèn)為石英坩堝在熔制過程中容易出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷有哪些？如何解決?
韓博士：微觀層面的缺陷是剛才我們提到的微氣泡，現(xiàn)在各家坩堝廠商也都在把控微氣泡，通過顯微鏡等方式做微氣泡的檢測，一旦微氣泡含量高，則石英坩堝產(chǎn)品不合格。宏觀的肉眼可見的缺陷，比如石英坩堝上幾毫米到十幾毫米的大氣泡，小到零點(diǎn)幾mm到大到十幾個(gè)mm黑點(diǎn)的迸濺，另外還有析晶，內(nèi)表面會有晶紋結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，它的形成有許多原因，很難用一兩句話解釋清楚。
舉幾個(gè)例子，石英坩堝的很多大氣泡是由于石英砂里的礦物類雜質(zhì)沒有被剔除干凈，它在高溫下是一個(gè)受熱分解的過程，產(chǎn)生大的氣泡或者氣泡群，比如石英砂往往伴隨著長石礦物，長石礦在提純不干凈時(shí)，它在高溫下會產(chǎn)生大量的氣體的釋放，這些氣體產(chǎn)生氣泡之后，把氣泡拿去做檢測的話，除了一些空氣的成分，往往還有大量氧氣成分的存在，因?yàn)殚L石是由Li、Na、K、Ca等元素結(jié)合許多個(gè)氧原子的結(jié)構(gòu)，高溫下氧釋放出去了，最終會產(chǎn)生比較大的膨脹的氣泡。關(guān)于黑點(diǎn)，有的是石英砂里面產(chǎn)生的黑點(diǎn)，即石英砂沒有充分進(jìn)行提純，也有可能是石英砂加工設(shè)備的金屬殘留在里面，反倒對石英砂產(chǎn)生污染，從而造成的黑點(diǎn)。另外還可能在高溫下，設(shè)備的一些迸濺進(jìn)入坩堝里面，還有可能是在石英坩堝上料成型過程當(dāng)中，人工的操作的不規(guī)范，將外界的一些雜質(zhì)帶入到了坩堝里面，產(chǎn)生黑點(diǎn)。
中國粉體網(wǎng)：近年來，光伏硅片行業(yè)不斷向高效能，大尺寸方向發(fā)展，這對石英坩堝技術(shù)提出了哪些新的要求？
韓博士：對于石英坩堝來說，大尺寸并不是一件難事，設(shè)備、構(gòu)架和承重足夠大的話，石英坩堝基本能夠做大，但是隨著尺寸的加大，這種顯微氣泡降低的難度則變得越來越大。也就是想做一個(gè)更大的坩堝，除了要保證它的尺寸之外，最主要的還是看大尺寸坩堝有沒有做成，并不是你把這個(gè)結(jié)構(gòu)做出來，一個(gè)大的東西做出來就行了，最主要的還是要保證它有一個(gè)充分低的顯微氣泡水平，要不差于小尺寸石英坩堝的顯微氣泡水平，甚至比其更低。因?yàn)榇蟪叽缡③釄迨⒎诺墓枇细啵r(shí)間更長，因此要求其顯微氣泡的性能要更好。從這個(gè)角度來講的話，石英坩堝行業(yè)的工藝技術(shù)人員面臨非常巨大的挑戰(zhàn)。
對于坩堝行業(yè)未來的發(fā)展來講，自動化的不斷提升，是一個(gè)非常強(qiáng)烈的要求。現(xiàn)在石英砂尤其是坩堝內(nèi)層用高純石英砂處于非常緊缺的狀態(tài)，那我們?nèi)绾稳ソ鉀Q這個(gè)問題呢？我們可以對石英坩堝采取多層上料的方式，內(nèi)中外層分別用什么樣的石英砂都是極其考究的，從這個(gè)角度來講，對于石英坩堝上料成型的要求是非常高的。國內(nèi)目前上料成型的步驟大部分還是靠人工來實(shí)現(xiàn)的，可能有個(gè)別企業(yè)有半自動設(shè)備和自動化程度較低的設(shè)備輔助人工來做，這樣無法生產(chǎn)品質(zhì)穩(wěn)定的產(chǎn)品，因此，上料成型工藝需要更智能的自動化設(shè)備。
另外，會上我們也一起探討過，國外的一些智能化的方案能不能拿到光伏級石英坩堝行業(yè)來做？電子級的石英坩堝的方案能不能拿到光伏行業(yè)來做？我個(gè)人認(rèn)為這是很困難的，因?yàn)殡娮蛹壥③釄蹇赡苁?到3層石英砂，而光伏級石英坩堝可能是5層、6層、7層甚至更多層，因此相同的工藝技術(shù)是不能完全平移的拿過來，而想做光伏級石英坩堝，在目前需要使用多層石英砂的條件下還是需要更具有顛覆性的方案。
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