浙大教授杨德仁：用铸造的方法结合单晶、多晶优点

10月19日，2016中国光伏大会在北京新国展开幕。20号上午，在E1馆创新剧场举行了以“高效电池技术进无止境”为主题的演讲，各国光伏行业前沿专家齐聚一堂，畅谈高效电池技术。浙江大学教授杨德仁表示，单晶硅和多晶硅的比较实质是低成本和高效率之间的平衡问题，取决于技术和成本的进步。今后主要晶体硅的一个方向是用铸造的方法，把单晶和多晶的优点结合起来。

以下是杨德仁演讲实录：

主持人：接下来有请杨德仁，浙江大学教授。题目是硅材料，单晶、多晶硅片性能综合评价。

杨德仁：我现在报告的题目是单晶多晶硅片性能综合性能比较，性能综合评价拿掉了，主要是想给大家讲讲，单晶跟多晶硅一些技术上面的一些问题。太阳能电池包括4大类。前面研究意匠提到CIGS，也是提到新概念的电池。但是，不论怎么讲，大家可以看到，这个图显示2013年整个太阳能市场的材料的分布情况，可以看到，大概晶体硅跟铸造硅加起来占了90%左右。到了去年，铸造多晶硅涨的更厉害，超过了70%。但是，两个加起来基本上就是在90%左右，你可以看到晶体硅依然是这个世界的太阳能市场的一个主宰。看一下晶体硅，来源就是硅石，通过金属硅，然后，通过西门子方法，还有就是硅的方法，可以制造出一些高层多晶硅，这个可以看到，我们可以分两种途径，第一种，我们称之为单晶硅，第二种就是铸造多晶硅。在两种不同的途径进行生长了以后，那么，进行电池的组件的制造。在后端也是有很多的相似的地方，也是有少量的不一样。因此，大量的主要的不同就是晶体生长的部分。

过去几年当中大家问这个问题，是单晶好？多晶好？有人说就是单晶好，有人说多晶好。我们看一下，究竟是哪一个好呢？这个是过去15年，多晶硅跟单晶硅的一个市场的比较。大家可以看到，红色的就是单晶硅，从2000年开始，单晶硅的市场份额就是逐渐的降低的。03年左右，也是逐渐上升，06年左右，到达顶点，然后，这个整体的份额就逐渐地降低。而多晶硅是相反的，从2000年开始到03年，到了一个小高峰。然后，又逐渐降低，从07年开始又逐渐升高，一直到现在，大概是占了70%左右。假如历史上面来讲，最早的电池是单晶硅。然后，一直是90年代的时候，多晶硅份额一直在增加，增加到06年才有一个低潮，然后，又在重新地增加。所以，你看一下历史的趋势，从市场份额来讲，很显铸造多晶硅是一个优势发展，是一个开心的一个材料。那么，我们问的是什么呢？在今后的未来是什么样子？很多人提出了问题，今后会有怎样的一个发展呢？

我们看一下，其实影响单晶硅跟多晶硅的市场的因素就是比较的多，我在这里举了几个例子。包括了资本的因素，市场的因素，政策的因素，还有成本和效率的因素，比如说，资本的因素，在06年为什么多晶硅的比例那么上升呢？大家可能就是注意到，那个时候在中国投资非常非常的多，因为投资比较的低，一台单晶炉人民币100万左右。当时的是需要500万左右。所以，当时05年，06年左右，在中国单晶硅的投资非常非常的快速。甚至在浙江省一个县，就有50多家的企业来生产单晶硅。有一些企业可能只有三台单晶炉就可以。因为那个时候供不应求，因为做出来就是可以挣钱。所以，那个时候有这样一段资本的投入起了重要的作用。然后，分布式的电站对于效率要求高一点。对于地面电站，假如对于地面面积不那么敏感，铸造多晶硅要的多一点。有政策的计划，我们中国正在实现了领跑者计划，领跑者计划，今年达到5.5个GW，占的很大一个比例。有什么要求呢？单晶组件要求17%以上，多晶硅组件要求16.5%以上，假如直接转化成太阳电池效率，单晶硅要求19.6%以上，多晶硅的电池18.9%以上。按照我们现在比较好的企业，生产线的一个生产的实际的情况，你可以知道，对于单晶硅，大概做出来的80%以上的电池可以满足领跑者计划的要求。但是，18.9%，对于多晶硅电池而言，只有30%以上做出来的，大概可以满足计划的要求。也就是说领跑者计划这个定下来了以后，对多晶硅是不利的。因此，你可以看到，大概目前安装领跑者计划当中60%是担惊组件，单晶硅由于政策的原因又走到了前面。

今天呢？我给大家报告一下，就是关于成本和效率，是从材料和技术角度分析一下，我们单晶硅和多晶硅究竟哪一个有一些优势呢？哪一个有弱点呢？大家都是知道，就是我们太阳能电池追求什么？就是低成本，高效率，这个是我们的目标，也就是我们围绕它来谈论的。首先谈论一下，就是材料的成本，我们可以看到，熔化下来，这个是一个直拉技术。制造多晶硅比起来比较的复杂，制造多晶硅更简单一点，利用一个干锅，我们把原材料放进去控制生长的界面最后可以长成了。

我们看这两个生长技术成本什么样子？我们假设一下，这个电力，人工原材料成本相同的。我们比较了目前晶体生长在国内处与比较领先的技术水平两种技术状态，一个是利用了重复加料的技术。还有一个，就是G6铸造多晶炉。对于单晶炉而言，每一炉的投量300公斤，而铸造多晶硅一炉850公斤。那么，假如说，对于直拉多晶硅而言，我们用重复投料的方式，也就是说，同一个干锅经过三次投料，可以达到700公斤量。尽管如此，依然是低于铸造多晶硅的，投量的问题。

第二，就是材料沉成晶的问题，从直拉这个技术来看一下，有少量的硅尾料留在里面了，这个是方法决定的。假如说，一个干锅只生长一个晶体，那么这个时候剩下来尾料占所有原料20%左右，我们现在用了比较好的技术，可以生长出来3根晶体，这个时候这个尾料占了大概5%左右。我们就说一下，材料的沉积率就是95%，而铸造多晶硅可以看一下就是100%。

我们再看一下，材料的利用率，一个晶体以后，这个是单体。这个首先切掉头部，尾部，切掉四边，材料利用率大概只有65%，也就是说35%材料在这个过程当中去除掉，这个是单晶。

我们把两种材料做一个比较，假如说1000公斤多晶硅原料，对于直拉多晶硅来讲，用最好的技术，有了投料情况下，大概是95%乘以65%，可以得到617公斤，对于铸造多晶硅而言，可以得到700公斤，材料利用率铸造多晶硅显然是高一点。

我们再看一下能耗和晶体生长的时间，对于单晶生长的能耗，大概是每一公斤硅棒需要15度，这个是不同的经济场得到的。多晶的能耗，大概只有7到9度，假如我们把辅助动力的能耗加起来，这个总能耗一公斤就是70度左右，而单晶总能耗70度左右，多晶的总能耗只有13度左右。而我们多晶的生长时间是多少？大概就是70个小时，三天左右。我们一根单晶就是在2000多，三根700公斤，需要8天到9天，从能耗到时间的角度可以看一下，单晶是比较的有弱点的。所以，晶体生长，你们计算一下，这个成晶率，利用率，时间，哪一个方面相比，铸造多晶硅都是有这个优势的，这个就是铸造多晶硅比较好的地方。

这个是材料的制被成本。

第二个谈的成本，就是材料的加工成本，也就是说，无论是单晶棒，还是多晶棒都是切片，我们都是用线切割，现在的线切割两种技术。第一种砂浆切割，还有就是金刚线切割，前几天，无论是单晶硅还是多晶硅都是砂浆切割，因此，这个成本都是一样的。但是，近几年了，单晶切割开始采用了金刚线的切割技术。金刚线的切割技术带来了成本上面的大幅度的优势。

金刚线切割，造成了什么一样了？左边这个图可以看一下，砂浆切割的表面，右面这个图显示的是金刚线切割的表面损伤。可以看到，两者的表面损伤是不一样的。同时，可以看到这个状态，红色的这个是金刚线切割的，黑色就是砂浆切割的，这个成分状态也是不一样的。而这个表面切割的状态，从红色的金刚线，还有普通的也是显示了不一样，导致了这样一些问题。

因为切割技术的改变，可以看到什么呢？金刚线切割可以增加50%以上的切割速度，也增加了15%到20%以上的出片率，最好的状态下面，一公斤可以切60片。但是，假如用砂浆切割，只可以切50片。相差10片到11片，也没有冷却液，这个容易回收。因此直拉多晶硅切割带来了非常好的优势。这切片成本降低了大概50%左右，在目前的这个状态下，切片总成本省了8毛钱一片，这个对于晶体硅是一个巨大的优势。

为什么多晶硅不可以做好？这个金刚线切割目前遇到几个困难。第一个，碎片率高，因为这个机械强度稍微弱一点。第二个，易断线，有炭化硅，最重要一个问题，就是什么呢？电池的绒面制被困难。这样一个情况在现代的工艺条件下是不可以允许的，这是最大的困难，现在的研究正在进展。这个切割已经在部分企业里面进行小批量的试验，有可能在今后的两年当中取得了突破。但是，就在目前状况下面，多晶硅只有30块钱一公斤，这个单晶硅75块钱时候，这个电价已经比多晶硅便宜了一半情况下计算出来的。单晶硅切片成本8毛钱一片就是这个样子。然后，比多晶硅多出来11片，多晶硅成本就是1块一毛5一片，这个是两者相差的地方。

目前的技术水平情况下，会是两者的成本的比较，这个怎么样？多晶硅原料每公斤140块钱的时候，多晶硅跟单晶硅的加工和制作成本差不多。这个单晶硅成本降低。假如小于140块钱，多晶硅成本优势。目前多晶硅售价是多少？每公斤80块，很显然，目前多晶硅的制造成本是具有那个优势的。这个是成本，成本是一个方面，效率是关注另外一个方面。对于效率而言，我们硅材料有曲线大概几个方面影响到效率的东西，一个是氧，过度金属。另外，很多都是有影响电池性能。简单介绍一下，这些曲线如何影响电池效率的。

这个氧来源于干锅，融体当中是什么呢？在直拉单晶硅当中就是10乘17次方左右，铸造多晶硅，1乘10的17次方。第二，由于氧造成黑芯片的问题。这个是氧最早的报道。大家可以看到左边图我们自己做的，随着光照的时间的增长，这个效率，这个相关参数都是有衰减。大概导致电池效率3%到5%的衰减，这个是一个弱点。而且铸造多晶硅只有1%左右，这个是直拉多晶硅切片，从电池到组件都是可以看到这个效率有明显的衰减。而炭杂质。炭是来自于炭化硅涂层，这个直拉硅炭都是小于这个的。这个就是引来了两个问题。第一个，在铸造多晶硅，晶体上面出现了碳化硅，在碳化硅沉淀会导致前面的产品生成率。

第三个，金属杂质。这个来源主要是以原料，干锅，涂层。这个当中进入杂质影响比较小，这个量比较少。多晶硅当中，这个大于一乘10的13次方，导致了两个大的问题。第一个问题，就是寿命降低，影响寿命。第二个，形成了光衰减。这个是早期的一张图片，简单说明什么呢？随着金属杂质浓度增加，相关效率的降低的一个情况。我们把它做一个简单的一个总结，可以看到对于不同的技术元素，从有开始影响的浓度，从10个PPMA，一个PPDT到一个PPMA，甚至会使得效率减少50%以上。

可以看到铸造多晶硅周边，上面是炭，金属。边上是金属，下面是金属和氧。除了杂质之外还有缺陷，缺陷就是铸造多晶硅，自己挥之不去的痛，这个是没有办法避免的一个问题。我们看一下，这个是我们做的，随着10个4次方到5次方，这个寿命在降低，这个电池效率可以降低0.5%。再看一下这个什么呢？红色的线是这个部分，可以看到，靠晶界就降低，离开晶界就是升高。这个是他的模型，就不细讲了。

杂质和晶界影响，最终影响到效率。国际上面一个实际的效率，两个世界效率，直拉多晶硅25%就是马教授他们组做出来的。铸造多晶硅21.3%是我们的天合研究团队做出来的。当然，产业效益是多少呢？19.6%，铸造多晶硅18.5%左右，相差1%。所以，我要给大家指出一点，直拉单晶硅效率10多年，20年没有增加了。而铸造多晶硅效率在近几年，是在不断地往前进展。21.3是去年的，今年或者不久的将来我们希望天合还会有更多的新的进展出现。

所以，从晶体质量上面来讲，单晶硅占很多的优势。那么，我们究竟怎么来比较这样的呢？大家可以看到，实际上这个是一个低成本跟高效率之间的一个平衡的问题。铸造多晶硅成本低。但是，效率也是低。单晶硅效率高，但是，这个成本也是高。因此，取决于技术和成本的进步。所以，多晶硅现在努力减少这个，希望来提高它的效率，而单晶硅通过2次拉晶，连续加料，把单位从东部移到西部，降低能耗，希望来降低这个成本。因此，在今后的当中，这两种材料都是在市场当中出现。这个比例的生长高和低主要的取决于他们技术和成本降低的情况。

今后有没有方向呢？有方向，我们利用铸造的方法，利用纸巾，这个是制造单晶硅，我们利用铸造的方法涨出单晶材料来，如果克服现在内单晶却量。这个位错高一点，这样就是把单晶和多晶优点结合起来，这个或许是今后主要晶体硅发展的一个方向。好，谢谢大家。

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