“双碳”目标下再看太阳能光伏电池—硅料、硅片杂质元素分析技术

2022-07-29 13:40:51 admin 0

材料是社会进步的重要物质条件,半导体产业近年来已成为材料产业中备受瞩目的焦点。从沙子到晶片直至元器件的制造和创新,都需要应用不同的表征与检测方法去了解其特殊的物理化学性能,从而为生产工艺的改进提供科学依据。仪器信息网策划了“半导体检测”专题,特别邀请到布鲁克光谱中国区总经理赵跃就此专题发表看法。

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布鲁克光谱中国区总经理 赵跃

赵跃先生拥有超过20年科学分析仪器领域丰富的从业经历,先后服务于四家跨国企业,对于科学分析仪器以及材料研发行业具有深刻理解,促进了快速引进国外先进技术服务于中国的科研创新和产业升级。

2020年9月,习近平主席在第75届联合国大会上,明确提出中国力争在2030年前实现“碳达峰”,2060年前实现“碳中和”的目标。“双碳”目标的直接指向是改变能源结构,即从主要依靠化石能源的能源体系,向零碳的风力、光伏和水电转换。加快能源结构调整,大力发展光伏等新能源是实现“碳达峰、碳中和”目标的必然选择。目前,光伏产业已成为我国少有的形成国际竞争优势、并有望率先成为高质量发展典范的战略性新兴产业,也是推动我国能源变革的重要引擎。

太阳能光伏是通过光生伏特效应直接利用太阳能的绿色能源技术。2021年,全球晶硅光伏电池产能达到423.5GW,同比增长69.8%;总产量达到223.9GW,同比增长37%。中国大陆电池产能继续领跑全球,达到360.6GW,占全球产能的85.1%;总产量达到197.9GW,占全球总产量的88.4%。

截止到2021年底,我国光伏装机量为3.1亿千瓦时。据全球能源互联网发展合作组织预测,到2030、2050、2060年我国光伏装机量将分别达到10、32.7、35.51亿千瓦时,到2060年光伏的装机量将是今天的10倍以上。从发电量来看,虽然其发电容量仍只占人类用电总量的很小一部分,不过,从2004年开始,接入电网的光伏发电量以年均60%的速度增长,是当前发展速度最快的能源。2021年我国光伏发电量3259亿千瓦时,同比增长25.1%,全年光伏发电量占总发电量比重达4%。预计到2030年,我国火力发电将从目前的49%下降至28%,光伏发电将上升至27%。预计2030年之后,光伏将超越火电成为所有能源发电中最重要的能源,

光伏新能源作为一种可持续能源替代方式,经过几十年发展已经形成相对成熟且有竞争力的产业链。在整个光伏产业链中,上游以晶体硅原料的采集和硅棒、硅锭、硅片的加工制作为主;产业链中游是光伏电池和光伏组件的制作,包括电池片、封装EVA胶膜、玻璃、背板、接线盒、逆变器、太阳能边框及其组合而成的太阳能电池组件、安装系统支架;产业链下游则是光伏电站系统的集成和运营。

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硅料是光伏行业中最上游的产业,是光伏电池组件所使用硅片的原材料,其市场占有率在90%以上,而且在今后相当长一段时期也依然是光伏电池的主流材料。在2011年以前,多晶硅料制备技术一直掌握在美、德、日、韩等国外厂商手中,国内企业主要依赖进口。近几年随着国内多晶硅料厂商在技术及工艺上取得突破,国外厂商对多晶硅料的垄断局面被打破。我国多晶硅料生产能力不断提高,综合能耗不断下降,生产管理和成本控制已达全球领先水平。2021年,全球多晶硅总产量64.2万吨,其中中国多晶硅产量50.5万吨,约占全球总产品的79%。全球前十硅料生产企业中中国有7家,世界多晶硅料生产中心已移至中国,我国多晶硅料自给率大幅提升。与此同时,在多晶硅直接下游硅片生产中,因单晶硅片纯度更高,转化效率更高, 消费占比也不断走高,至 2020 年,单晶硅片占比已达 90%的水平。

用于光伏生产的太阳能级多晶硅料一般纯度在6N~9N之间。无论对于上游的硅料生产,还是单晶硅片、多晶硅片生产,硅中氧含量、碳含量、III族、V族施主、受主元素含量、氮含量测量是硅材料界非常重要的课题,直接影响硅片电学性能。故准确测试上游硅料、单晶硅片中相应杂质元素含量显得尤为必要、重要。在过去的十几年中,ASTM International(前身为美国材料与试验协会)已经对上述杂质元素的定量分析方法提出了国际普遍通行的标准,其中,分子振动光谱学方法因其相对低廉的设备成本、快速、无损、高灵敏度的测试过程,以及较低的检测下限,倍受业内从事品质控制的机构和组织的青睐。值得一提的是,我国也在近几年陆续制定和出台了多个以分子振动光谱学为品控方法的相关行业标准 (见附录)。这标志着我国硅料生产与品控规范进入了更成熟、更完善、更科学、更自主的新阶段。

德国布鲁克集团,作为分子振动光谱仪器领域的领军企业,几十年来坚持为工业生产和科学研究提供先进方法学的助力。由布鲁克光谱(Bruker Optics)研发制造的CryoSAS全自动、高灵敏度低温硅分析系统,基于傅立叶变换红外光谱技术,专为工业环境使用而设计。顺应ASTM及我国相关标准中的测试要求,此系统可以室温和低温下(<15K)工作,通过测试中/远红外波段(1250-250cm-1)硅单晶红外吸收光谱(此波段红外吸光光谱涵盖了硅晶体中间隙氧,代位碳,III-V族施主、受主元素以及氮氧复合体吸收谱带。),可以直接或间接计算出相应杂质元素含量值。检测下限可低至ppta(施主,受主杂质)和ppba量级(代位碳,间隙氧),很好地满足了上游硅料品控的要求,为中游光伏电池和光伏组件的制作打下了扎实的原料品质基础。随着硅晶原料产能的逐年提高,布鲁克公司的 CryoSAS仪器作为光伏产业链上游的重要品控工具之一,已在全球硅料制造业中达到了极高的保有量。

随着需求的提升,电子级硅的生产需求也在持续增加。布鲁克公司红外光谱技术也有成熟的方案和设备,目前国内已有多个用户采用并取得了良好的效果。

浙江贤箭科学仪器有限公司

浙江贤箭科学仪器有限公司

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低温下(~12 K),硅中碳测试结果(上图),硅中硼、磷测试结果(下图)


附录:

产品国家标准:

《GB/T 25074 太阳能级多晶硅》

《GB/T 25076 太阳能电池用硅单晶》

测试方法国家标准:

《GB/T 1557 硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法》

《GB/T 1558 硅中代位碳原子含量红外吸收测量方法》

《GB/T 35306 硅单晶中碳、氧含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法》

《GB/T 24581 硅单晶中III、V族杂质含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法》


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