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9英寸低含氧量太阳能单晶硅高效节能制备技术及其产业化可行性报告二O—二年三月9英寸低含氧量太阳能硅单晶高效节能制备技术及其产业化项目可行性研究报告一、立项的背景和意义本项目属于《浙江省十二五重大科技专项实施方案》中“重大科技专项重点工 业项目” / “新材料技术” / “高性能功能、智能材料” / “高能量密度和高功率电池、 太阳能光伏等能源材料产业化技术”领域；项冃通过对能源材料的工程化、规模化 生产关键技术及设备的研发，实现了大尺寸低氧太阳能单晶硅的高效节能产业化生 产，项目符合国家和浙江省产业政策随着经济的发展，能源越来越趋紧张，常规的燃料能源正在一天天减少，而且 常规的燃料能源对环境造成的危害也FI益突出根据有关材料显示，人类己确知石 油储备将用40多年，天然气60余年，煤大约200年另外，以化石能源为主体的 能源结构，对人类环境的破坏显而易见，每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上 升趋势，从而造成冰雪消融，冰川退缩，全球气候变暖同时全球还有20亿人得不 到正常的能源供应在这种情况下，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再 生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。

太阳能以其独有的优势 而成为人们重视的焦点丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取Z不尽、用Z不竭 的，无污染，廉价，人类能够自由利用的能源太阳能每秒钟到达地面的能量高达 80万千瓦，如果把地球表面0. 1%的太阳能转换为电能，按转换率为5%计，每年发 电量可达5.6X1012千瓦时，相当于目前卅界上能耗的40倍左右对于太阳能的利 用，最具潜力的是各种太阳能电池的开发与应用太阳能电池是利用“光生伏打效 应”原理制成的，实际上就是把光能变成电能的能量转换器太阳能光伏发电具有许多其它发电方式无法比拟的优点：不消耗燃料、不受地 域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单、寿命较长等等，所以自从实用 性硅太阳能电池问世以来，世界上很快就开始了太阳能光伏发电的应用近儿年来, 硅片、电池片、组件厂都有了很大的发展，年增幅在30%以上，专业机构预测硅片 市场缺口达30%以上，今后十年这一行业仍将呈供不应求的局面我国受地理位置的影响，蕴藏着丰富的太阳能资源，然而太阳能资源的开发滞 后，如何把阳光留住，催生邙H光经济〃，是我国科学发展面临的一个严峻课题我 国目前太阳电池和组件一年的生产水平仅仅相当于徳国四门子公司一个月的产量。

由于缺乏技术，我国的太阳能产品元件大多需要进口，生产成本很高因此，开发 生产太阳电池的基础材料：太阳能级单晶硅是十分迫切、十分必要能源短缺和环境保护成为21世纪经济发展和能源领域最重要的课题开发太阳能级单晶硅，是太阳能电池所必须的基础材料，项目符合“国家发展 和改革委员会第40号令《产业结构调整指导目录第一类鼓励类》”中“二十四、信 息产业3&6英寸及以上单晶硅、多晶硅及晶片制造”条目也符合《浙江省制造 业产业发展导向目录》鼓励类中“十七、有色金属冶炼及压延加工业4.太阳能电 池用低成木多晶硅、单晶硅”、“二十三、通信设备、计算机及其他电子设备制造业 （三）集成电路设计制造1・8英寸及以上单晶硅、抛光片、外延片”条目同时， 国家发改委、科技部、商务部编制的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》 中“……新型太阳能电池及制造装备，…”位于其中项FI属国家、省和地方重点 鼓励发展的新兴产业，是会得到大力扶持另外，我国《可再生能源法》的实施， 太阳能、风能等可再牛能源作为“十一五”期间国家能源重点发展方向，将在政策、 税收等享有优惠同时，《可再生能源法》中明确指出，到2020年，我国可再生能 源的构成比例要占到10%以上。

国家鼓励和支持可再生能源并网发电，也大大推进 了太阳能开发利用随着人类社会的进步和科技的发展，一方面，传统的燃料能源碳排放量日益增 加，导致人类牛活环境不断恶化；另一方面，资源日渐衰竭，发展新能源，低碳经 济和节能减排已成为了人类社会可持续发展和迈向文明的必由之路光伏产业是卅 界上发展最快的新能源产业之一近年取得了更加迅速的发展在我国“十二五” 期间，全面建设资源节约型、环境友好型社会的背景下，太阳能产业正面临前所未 有的发展机遇当时，国内单晶硅牛产厂家水平普遍低于国际先进企业，存在以下诸多问题：（1）缺乏自主创新能力，自主知识产权少；缺乏专业技术人才，技术力量不足；大部 分生产厂家研究创新能力差，原创技术少，测绘模仿多，在原有技术基础上徘徊， 技术进步缓慢，设备不能上档次，在一定程度上减缓了行业的提升和快速发展；（2） 设备的设计和单晶硅生长工艺脱节，盲目的追求直径的犬小，但是单晶硅的质量方 面比如氧含量，电阻分布率等都无法满足太阳能电池厂家要求；（3）国产拉晶设备和 工艺耗能过高，单位用电量过大，从而导致单位成本过高本项冃通过对国产单晶炉FZ2008-AE进行技术解剖，优化了单晶炉热场、扩大 了内容量，提高出晶速率20%,年节约用电24万度/台，实现了 8-12英寸级硅单晶 的国产化。

设计出新型控制熔体对流、氧含量等工艺技术和循环料与原料配制比例 值，再提高大直径硅片性能的同时，降低了成本，减小了对环境的影响可见项目 对提高国产设备技术进步和光伏行业健康发展具有重大意义太阳能是一种最环保、最卫生、最方便的可再生能源，世界上研究太阳能利用 也已有近70年历史，1941年出现有关硅太阳能电池的报道；1954年研制成效率为 6%的单晶硅太阳能电池；1958年太阳能电池用于卫星供电长期来由于太阳能利用 效率低、价格昂贵，主要用于在空间，上卅纪70年代后虽然在提高效率和降低成本 方面取得较大进展，但从大规模利用太阳能而言，与常规发电相比，成本仍太高， 致使太阳能应用长期得不到有效推广，制约了太阳能商业化产业化发展项冃实施 将单位能耗降低30%,使太阳能光伏产业在材料环节成本降低，对于未来太阳光伏 发电大规模利用，全面替代煤炭等不可再牛能源又向前迈进了坚实的一步二、国内外研究现状和发展趋势(-)国内外研究现状太阳能光伏发电系统大致可分为三类：第一代晶硅发电(单晶硅、多晶硅)、第 二代非晶硅薄膜发电、第三代高倍聚光发电业界之前将目光主要集中在改进多晶 硅和太阳能电池的生产工艺上，已经取得一定的成果。

进入21卅:纪，卅:界太阳能 光伏发电产业发展速度迅速增大，在国际市场的拉动下，我国太阳能光伏发电产业 发展迅速，近年来，我国太阳能电池年产量不断上升截止2011年年底我国太阳能电 池总产量约占了世界总产量的50%,这些与太阳能光伏产业链上各环节工程技术人 员的辛勤工作，辛苦创业密不可分，做出了卓越的贡献，而作为材料制备关键设备 的国产化单晶硅生长设备-单晶炉更是起到了非常显著的贡献但是从成本和产能 问题，己经成为制约企业乃至行业发展的根本性问题国内太阳能级单晶硅材料直径大多数停留在6-8英寸，8-12英寸的太阳能级单 晶硅材料生产厂家基本上在国外，口不能最犬经济地拉制，成本和效率不如人意， 12英寸的高质量太阳能级单晶硅材料国内非常少见，究其原因一是单晶炉设备制约, 二是配套的生产工艺国外能止常生产12英寸的高效能太阳能单品硅片及其相关 真空单晶炉,主要代表企业有日本的Tokuyama公司、美国的MEMCHemlocks Asimi 等公司，相关高效能太阳能单晶硅片技术已经形成了技术垄断国内能稳定拉制高 质量的8英寸以上太阳能级单晶硅材料的企业均是进口国外机器，其成木投入非常 之大，因此不能最大经济拉制，且由于技术保密性，限制的晶炉使用效率，即使采 用国内单品炉拉制出的单品硅片，质量不稳定。

这就暴露出了国内单晶硅厂家存在的诸多问题：⑴缺乏自主创新能力，自主知 识产权少；缺乏专业技术人才，技术力量不足；大部分生产厂家研究创新能力差， 原创技术少，测绘模仿多，在原有技术基础上徘徊，技术进步缓慢，设备不能上档 次，在一定程度上减缓了行业的提升和快速发展；（2）设备的设计和单晶硅生长工艺 脱节，盲目的追求直径的大小，但是单品硅的质量方面比如氧含量，电阻分布率等 都无法满足太阳能电池厂家要求；（3）国产拉晶设备和工艺耗能过高，单位用电量过 犬，从而导致单位成本过高太阳能单晶硅是太阳能发电行业的基础，随着太阳能发电往高转化率、低成木、 普及化方向发展的趋势，未来太阳能单晶硅需要具备成本低、低氧碳、大尺寸、氧 分布均匀等特性在加工工艺方面，开发高加工效率、高成品率、环保节能、全自 动控制、高精度加工等工艺工装对于改善单晶硅品质、降低太阳能发电成本有促进 意义，这也是目前太阳能单晶硅行业各犬企业的主要研究方向三、研究开发内容、技术关键及创新点（一）主要研究开发内容1、对现有FZ-2008AE单晶炉热场改造，降低生产成本，增加投料量，从而提高产能1）改变材质在原有热场底部及上部加入固化毡增加保温性能，并增加热屏内壁和侧壁碳毡 厚度。

炉底固化毡仿照炉底软毡的厚度和直径替换掉原来的软毡；在保温盖上部增 加固化毡保温盖，降低能耗图1热屏及侧壁碳毡改进前改进后对比图(2) 热场改造增大热场：通过加大热屏和石英堵堀，使热屏外表面与石英圮堀侧面形成锥度, 将拉晶炉的保温热场由C526mm增加到C 738mm热场梯度优化：在炉底压片上增加炉底反射板，将炉底热量反射至炉中加热区 域，同时由于热场增人了，热对流空间也跟着增人，温度梯度变化变缓，应力降低图2改进前后的温场、流场、等温线和固液界面对比(3) 增加装置利用悬挂导流筒式装置，将导流筒暂时性抬高这样可以充分利用石英圮垠的 容量增加投料量等原料由固体熔融为液态后再将导流筒降下，实施拉晶过程2、针对改造后FZ-2008AE单晶炉，开发了相适用的如导流筒的吊装工艺等流程工艺，调整拉晶时的液面位置达到最佳成晶区域，增加成品率，保证高效产能3、FZ-2008AE单晶炉热场改造保持FZ-2008AE单晶炉外形不变，保温性能不变的情况下，对热场直径进行加 人设计，形成适合9英寸高效太阳能级单晶硅材料生长的热场系统，进一步提高公 司产能，并为改造FZ-2008AE真空单晶炉做前期技术和实践铺垫，提高企业的市场 竞争力和科研能力。

4、 研究循环料低含氧加工工艺通过配方和各工序参数的改进达到所制单晶硅棒低含氧量、氧分布均匀的n的5、 研究控氧技术，保证9英寸大直径单晶质量稳定高成品率的同时，其性能保 持在国内同类产品领先水平1) 研究头部电阻变高原因总的来说品棒头部出现高阻一直被公认为是氧的施主作用引起的假象氧是 VIA族元素分凝系数大于1.0、扩散体是分子氧CZ生长法硅单晶的氧杂质在低温 热处理吋，会产生施主效应，使得N型晶体的电阻率下降，P型晶硅体的电阻率上 升，施主效应严重时，能使P型转化为N型氧在CZ生长法单晶硅棒中是非均匀 分布与电阻率是一致的，单晶棒头部含氧量高，尾部含氧量低；在一片硅材料中， 硅片中央含氧量高，片子边缘含氧量低所以说要解决品棒头部电阻率过高的问题, 控氧是关键2) 研究CZ生长法硅溶液中氧的主要来源氧混入硅溶液归结于硅牛长过程中坦埸的腐蚀由于石英坦坍(SiO2)表面与 硅溶液接触部分，在高温环境下，会慢慢溶解，导致大量的氧进入硅溶液通常， 硅单品棒头部氧的含量较高，那是因为在圮埸充满时，硅熔融液与圮埸壁的接触面积最大, 从坦埸进入硅溶液的氧也就最多英坦埸微量溶解后生成氧公式如下：SiO2(S)-Si (1) +20进入硅溶液的氧原子由于热对流的影响，会均匀的分布在溶液内。

并以SiO的 形态被挥发掉超过95%的氧将会被挥发掉，而在固液界面前端扩散边界层的氧原 子，借由分凝现象进入晶硅棒中从以上分析我们可以得出结论，CZ生长法中的 高阻现象，是氧的存在造成的假象。