中國(guó)粉體網(wǎng)訊 目前，光伏產(chǎn)業(yè)中用于大規(guī)模光伏發(fā)電的材料主要是硅基太陽(yáng)能電池，占整個(gè)太陽(yáng)能電池材料市場(chǎng)的90%以上。硅基太陽(yáng)能電池又分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池以及非晶硅太陽(yáng)能電池。其中單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率較高，多晶硅太陽(yáng)能電池制備簡(jiǎn)便，總的生產(chǎn)成本較低，因此，單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池是目前全球大面積使用的主要硅基光伏發(fā)電設(shè)備。
光伏級(jí)硅（多晶硅和單晶硅）生產(chǎn)過(guò)程最重要的為結(jié)晶環(huán)節(jié)，其中單晶硅結(jié)晶過(guò)程主要采用直拉法工藝，而多晶硅結(jié)晶過(guò)程多采用定向凝固工藝。兩種工藝中硅料熔化及結(jié)晶過(guò)程均不可避免使用石英坩堝作為容器。
光伏級(jí)硅的光電轉(zhuǎn)換效率與硅錠的純度密切相關(guān)，因此在結(jié)晶過(guò)程中需盡可能避免引入雜質(zhì)元素。光伏級(jí)硅結(jié)晶過(guò)程中，雜質(zhì)主要來(lái)源于坩堝、硅料以及環(huán)境氣氛等，其中，坩堝作為與硅熔體直接接觸的材料，對(duì)光伏級(jí)硅結(jié)晶影響最為顯著，相對(duì)而言比較容易控制。坩堝對(duì)光伏級(jí)硅生產(chǎn)的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，坩堝的雜質(zhì)元素向硅熔體中擴(kuò)散，必然會(huì)形成一定的濃度梯度，由于靠近坩堝內(nèi)壁的部分雜質(zhì)含量較高，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程會(huì)切割去除四周雜質(zhì)含量較多的硅錠，僅留下中心的高品質(zhì)硅方。因此，坩堝中雜質(zhì)通過(guò)影響硅錠純度進(jìn)而對(duì)高品質(zhì)硅方的切出率產(chǎn)生影響。另一方面，對(duì)于光伏級(jí)硅中的多晶硅而言，在硅錠完全凝固后，需要與坩堝分離取出，但硅熔體與大多數(shù)耐火材料之間呈現(xiàn)潤(rùn)濕狀態(tài)，這意味著硅錠與坩堝材料之間容易發(fā)生粘連，導(dǎo)致硅錠中缺陷的產(chǎn)生甚至硅錠破裂，影響光伏級(jí)硅的光電轉(zhuǎn)換效率以及切出率。
熔融石英陶瓷在化學(xué)成分上與硅熔體較為相近，具有良好的化學(xué)相容性，對(duì)硅熔體污染較小，且其優(yōu)異的熱性能滿足光伏級(jí)硅結(jié)晶過(guò)程所需要求。然而由于熔融石英坩堝本身為非晶態(tài)，不可避免面會(huì)產(chǎn)生析晶問(wèn)題，在升溫過(guò)程中，熔融石英會(huì)由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的β-方石英，而在隨后的降溫過(guò)程中，β-方石英又進(jìn)一步發(fā)生相變形成α-方石英。在相變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生約6.2%的體積變化，從而導(dǎo)致坩堝中裂紋形成甚至坩堝破裂，導(dǎo)致石英坩堝目前無(wú)法重復(fù)使用，成為光伏級(jí)硅結(jié)晶過(guò)程中關(guān)鍵耗材。此外，在長(zhǎng)時(shí)間的高溫服役過(guò)程中，熔融石英材料容易發(fā)生軟化，為了避免軟化帶來(lái)的不可預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，通常會(huì)在石英坩堝外面加裝石墨護(hù)板，以防止坩堝高溫變形。而在坩堝內(nèi)部，為了避免硅熔體與石英坩堝的直接接觸，同時(shí)也為了避免凝固后硅錠與坩堝粘連，通常需要在石英坩堝內(nèi)部設(shè)置涂層材料，如定向凝固工藝中噴涂α-氮化硅涂層作為脫模劑。目前以α-Si3N4為主晶相的氮化硅涂層是多晶硅鑄錠中常用的涂層材料，其原因是α相結(jié)構(gòu)為針棒狀，與坩堝結(jié)合牢固，而β相為六方柱狀結(jié)構(gòu)，與坩堝結(jié)合力弱。
2023年9月15日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在江蘇東海舉辦“2023全國(guó)集成電路及光伏用高純石英材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)”。屆時(shí)，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所李江濤研究員將帶來(lái)題為《光伏用石英基新材料的探索》的報(bào)告，屆時(shí)，李江濤研究員將詳細(xì)分析α-Si3N4/SiO2復(fù)合材料的高溫析晶行為及機(jī)制，并探討如何解決傳統(tǒng)石英陶瓷坩堝存在的問(wèn)題。
參考來(lái)源：
劉俊.氮化硅-熔融石英復(fù)合材料析晶過(guò)程及其與硅熔體的界面行為研究
黃金亮等.β-Si3N4涂層抗脫落性及對(duì)高效多晶硅性能的影響
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/初末）
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