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光伏石英坩堝為何這么重要 復材云集|復合材料

放大字體  縮小字體 發布日期:2023-08-02 17:06:56    瀏覽次數:301    評論:0
導讀

光伏石英坩堝是硅片生產中的重要耗材,對硅片產量和品質有重要影響。石英坩堝是單晶爐內用于裝放高溫硅熔液的器皿,石英坩堝在多


光伏石英坩堝是硅片生產中的重要耗材,對硅片產量和品質有重要影響。

石英坩堝是單晶爐內用于裝放高溫硅熔液的器皿,石英坩堝在多次加熱拉晶完成后即報廢,需要重新購置新的石英坩堝用于下次拉晶,因此其是直拉法制造單晶硅片的重要耗材。

石英坩堝具有雙層結構:

內層與硅溶液直接接觸,其品質影響最終的硅片產量和質量,對原材料純度要求較高,一般采用進口石英砂;

外層主要用于散熱,一般采用國產石英砂。

石英坩堝產業上游為高純石英砂,下游應用領域廣泛,以半導體和光伏為主,其中光伏市場需求增長較為迅猛。

石英坩堝是裝放高溫狀態下的硅原料(工作中處于熔化狀態的硅液)的石英器件,是光伏硅片生產過程中的重要耗材,廣泛用于光伏及半導體硅片生產行業。

一只 36 寸坩堝有多重,需要消耗石英砂 100 公斤,使用壽命約 400 小時,一個爐子每個月用 2 個坩堝。

圖表:石英坩堝投料示意圖
石英坩堝可主要分為方形和圓形兩類,其中方形石英坩堝用于多晶硅錠鑄造環節,圓形石英坩堝則用在單晶硅棒拉制環節。
石英坩堝是拉制單晶硅棒不可或缺的耗材,且具有較強的消耗品屬性。
根據CPIA《中國光伏產業發展路線圖(2021年)》報告,2021年,單晶硅片市場占比約94.5%,CPIA預計未來多晶硅片市場份額將進一步下降。
光伏用硅片原料單晶硅生產有懸浮區熔法和直拉法,為了降低成本,大直徑的單晶硅(200mm以上)基本通過直拉法生產。
在直拉法中,將多晶硅原料放置于石英坩堝內加熱熔融狀硅熔體,拉桿帶動籽晶下降使其接觸硅熔體,然后緩慢地向上提拉籽晶從而形成硅單晶棒。
石英坩堝在硅片生產中消耗量大,石英坩堝在晶體拉制過程處于高溫作業,硅料融化后會侵蝕坩堝本身,因而坩堝具備較強的消耗品屬性特征,每拉制一爐單晶硅即需要更換一個石英坩堝。
圖表:石英坩堝在下游產業中的應用
石英坩堝具有多層結構,內外壁氣泡含量不同,石英坩堝的原材料純度、耐溫、耐久性等是單晶品質的重要影響因素。
石英坩堝為半透明狀,分為外層,也叫氣泡復合層(不透明層,氣泡含量較多),以及中內層,也叫氣泡空乏層(真空透明層,不含氣泡,3~5mm)兩層結構。
外層需要把來自加熱器的熱量均勻散射,所以需要規定數量和大小的氣泡,從而對硅熔體均勻加熱;中內層是一層3-5mm的透明層,成為氣泡空乏層,對高純石英砂高純、低鋁、低堿、抗析晶的要求更高。
石英坩堝的內壁因為與硅熔體接觸,在高溫狀態下,若內壁存在氣泡,氣泡會由于硅熔體侵蝕而破裂,破裂的碎片如果溶于硅熔體中,將直接影響到硅的成晶(整棒率、成晶率、加熱時間、直接加工成本等)以及單晶硅的質量(穿孔片、黑芯片等)。
圖表:石英坩堝雙層結構示意圖
作為唯一與硅溶液直接接觸的材料,石英坩堝的質量對硅單晶的品質有很大影響。譬如石英坩堝內壁氣泡的含量、石英坩堝的純度、石英坩堝的耐高溫變形性能等。
拉晶的過程中,石英坩堝內部的羥基、雜質元素和氣泡的含量將會影響硅棒的質量和石英坩堝的使用壽命,其中工藝路線能夠改善羥基的含量,但雜質與氣泡的含量更多依賴于石英砂本身的純度。
采用高純石英砂對于石英坩堝的性能至關重要,天然石英砂則雜質含量過多,會影響晶體的生長。
目前,石英坩堝的供給擴大受到上游原材料高純石英砂的限制,高純石英砂整體供應量遠不及全球光伏行業的發展速度。

高純石英砂緊缺會導致硅片企業逐步降低內層砂的使用比例,拉晶效率、硅片品質也會有所降低,同時坩堝的使用壽命有所下降將導致非硅成本上漲。

 
(文/小編)
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