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國產(chǎn)坩堝質(zhì)量不斷提升

最新版的《中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖（2024-2025年）》指出，拉棒單爐投料量是指一只坩堝用于多次拉棒生產(chǎn)的總投料量，其中坩堝使用時間為關(guān)鍵因素之一。2024年，拉棒單爐投料量約為3700kg，較2023年的3300kg有較大幅提升，主要是由于大尺寸熱場配置的增加及其穩(wěn)定性的提高、坩堝質(zhì)量不斷提升等原因。未來隨著坩堝制作工藝、拉棒技術(shù)的不斷提升以及坩堝使用的優(yōu)化，投料量仍有較大增長空間，或向著連續(xù)投料的方向發(fā)展。

2024-2030年拉棒單爐投料量變化趨勢（單位：kg）

但是在2023-2024年版的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖中，石英坩堝曾一度被點名，“由于坩堝品質(zhì)的不穩(wěn)定以及客戶對品質(zhì)要求的提高，2024年-2026年能耗預(yù)測數(shù)據(jù)較2022年預(yù)測數(shù)據(jù)略高。”也可能是由于“石英坩堝品質(zhì)的不穩(wěn)定”，2023年預(yù)測2024年的拉棒單爐投料量為3500kg，而實際上2024年的拉棒單爐投料量提升為3700kg，大幅超出了預(yù)測數(shù)據(jù)。

2023-2030年拉棒單爐投料量變化趨勢（單位：kg）

近幾年來，我國石英坩堝技術(shù)水平與國外企業(yè)產(chǎn)品的差距逐步縮小，在坩堝尺寸、純度、拉晶時間和拉晶次數(shù)等方面均取得顯著進(jìn)步。此外，國內(nèi)石英坩堝具有一定的成本優(yōu)勢，在質(zhì)量和性能等方面與進(jìn)口石英坩堝的差距正逐漸縮小。最新版的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖也認(rèn)可了國產(chǎn)“坩堝質(zhì)量不斷提升”。

技術(shù)瓶頸仍需改良突破

在單晶硅直拉過程中，石英坩堝是一次性使用的熔硅和承載單晶硅棒生長的關(guān)鍵材料，對單晶硅的生產(chǎn)成本和產(chǎn)品產(chǎn)量質(zhì)量都有直接的重要影響。

通常石英坩堝結(jié)構(gòu)是由無氣泡內(nèi)層和含氣泡外層共同組成，由于無氣泡內(nèi)層與硅熔體直接接觸，在整個過程中保持其沒有氣泡是十分重要的，以確保沒有氣泡釋放到熔體中。

石英坩堝內(nèi)含有許多氣泡，這些氣泡大部分是在坩堝制造過程中形成的，然而有一些會在結(jié)晶過程中生長。這些氣泡可能成為單晶硅中雜質(zhì)污染和位錯形成的原因。

事實上在直拉過程中，隨著坩堝的緩慢消耗，氣泡可能會釋放到熔體中，同時可能會有石英或結(jié)晶脫落。如果氣泡或雜質(zhì)到達(dá)凝固前沿，它們會干擾晶體生長并可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損失，這是光伏行業(yè)中的一個重要問題，而這些技術(shù)瓶頸也是各晶硅企業(yè)急需改良突破的。

在沒有實現(xiàn)連續(xù)拉晶工藝之前，每個石英坩堝都是一次性使用的，由于在連續(xù)拉晶下使用時間的大幅延長對石英坩堝的要求也有了明顯提高，更需要耐長時間的高溫。不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝克服引起氣泡、破裂和導(dǎo)致拉晶工藝生產(chǎn)過程中“斷線”等問題，才能降本增效。

因此，需要深入研究石英坩堝內(nèi)氣泡產(chǎn)生的機(jī)理及對晶體質(zhì)量的影響規(guī)律，為連續(xù)拉晶生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供建議，對于降低生產(chǎn)成本，提升單晶硅的生產(chǎn)效率和單晶硅棒的品質(zhì)，進(jìn)而提升光電轉(zhuǎn)換效率具有十分重要的工程意義。

拉晶過程中氣泡形成機(jī)制探究

熱傳導(dǎo)引發(fā)的氣泡形成

在連續(xù)拉晶過程中，熱傳導(dǎo)是導(dǎo)致石英坩堝內(nèi)氣泡形成的一個重要機(jī)制。

這一機(jī)制涉及到拉晶中的高溫條件，導(dǎo)致石英坩堝內(nèi)部溫度的不均勻分布。隨著晶棒的生長，坩堝內(nèi)不同區(qū)域的溫度梯度逐漸加大。在高溫區(qū)域，材料的熱傳導(dǎo)性會增加，而在低溫區(qū)域，熱傳導(dǎo)性則較低。這種溫度梯度會導(dǎo)致原有的氣體或雜質(zhì)在高溫區(qū)域聚集。當(dāng)這些氣體或雜質(zhì)在高溫區(qū)域逐漸升溫時，它們的擴(kuò)散性質(zhì)會增強(qiáng)，從而促使它們向著低溫區(qū)域移動。

在這個過程中，氣體或雜質(zhì)可能會聚集在某一局部區(qū)域，形成微小氣泡。這些微小氣泡隨后可能在晶棒生長的過程中逐漸擴(kuò)大，合并成較大的氣泡。因此，熱傳導(dǎo)引發(fā)的氣泡形成機(jī)制與溫度分布不均勻密切相關(guān)。研究這一機(jī)制可以幫助我們更好地了解拉晶過程中氣泡的形成和分布規(guī)律，從而有助于優(yōu)化晶棒的質(zhì)量和性能。

氣體擴(kuò)散引發(fā)的氣泡形成

氣體擴(kuò)散是另一個在拉晶過程中導(dǎo)致氣泡形成的重要機(jī)制。

在高溫條件下，石英坩堝內(nèi)的氣體或雜質(zhì)具有較高的擴(kuò)散性質(zhì)。當(dāng)晶棒生長過程中發(fā)生熱傳導(dǎo)或其他變化時，這些氣體或雜質(zhì)可能會從坩堝壁或其他區(qū)域擴(kuò)散到晶棒生長區(qū)域。在擴(kuò)散的過程中，氣體或雜質(zhì)可能會在晶棒內(nèi)聚集，形成氣泡。

這些氣泡的形成位置和數(shù)量會受到擴(kuò)散速率、溫度梯度和氣體性質(zhì)等因素的影響。因此，氣體擴(kuò)散引發(fā)的氣泡形成機(jī)制與氣體擴(kuò)散的性質(zhì)密切相關(guān)。研究氣體擴(kuò)散引發(fā)的氣泡形成機(jī)制有助于我們深入了解氣泡的生成和分布規(guī)律，以及如何通過控制氣體擴(kuò)散來改善晶棒的質(zhì)量和性能。

化學(xué)反應(yīng)引發(fā)的氣泡形成

除了熱傳導(dǎo)和氣體擴(kuò)散，化學(xué)反應(yīng)也可能在拉晶過程中引發(fā)氣泡的形成。

某些化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生氣體作為副產(chǎn)物，這些氣體可能在晶棒生長區(qū)域聚集并形成氣泡。化學(xué)反應(yīng)引發(fā)的氣泡形成機(jī)制的研究對于理解拉晶過程中的氣泡形成過程和化學(xué)反應(yīng)與氣泡生成之間的關(guān)聯(lián)至關(guān)重要。通過探究這一機(jī)制，我們可以更好地了解如何控制和調(diào)整化學(xué)反應(yīng)條件，以減少氣泡的生成，從而提高晶棒的質(zhì)量和性能。

氣泡對晶棒性能的影響及改善策略

氣泡的大小在很大程度上影響著晶棒的機(jī)械性能。較大的氣泡通常會在晶棒中形成微裂紋，降低了晶棒的強(qiáng)度和韌性。這可能導(dǎo)致晶棒在使用過程中更容易斷裂或變形，從而降低了其可靠性和耐久性。

此外，氣泡的分布也會對晶棒的機(jī)械性能產(chǎn)生影響。如果氣泡集中分布在晶棒的核心區(qū)域，這可能會導(dǎo)致晶棒在受力時容易發(fā)生斷裂。因此，研究氣泡大小與分布對晶棒的機(jī)械性能的影響是非常重要的，有助于優(yōu)化晶棒的設(shè)計和制備過程。

為了改善晶棒的性能，研究人員試驗了各種策略和技術(shù)。這些策略可能包括改變拉晶過程的參數(shù)、優(yōu)化坩堝材料、采用氣體保護(hù)等。與氣泡變化相關(guān)的研究可以為這些性能改善策略提供重要的指導(dǎo)。

通過深入了解氣泡的形成機(jī)制和影響因素，研究人員可以制定更有效的晶棒性能改善策略。例如，如果發(fā)現(xiàn)氣泡形成主要是由于熱傳導(dǎo)引發(fā)的，可以通過調(diào)整溫度分布來減少氣泡的生成；如果氣泡形成主要是由于氣體擴(kuò)散引發(fā)的，可以采取措施來限制氣體擴(kuò)散。

參考來源：

[1]張二東，連續(xù)拉晶下石英坩堝內(nèi)氣泡變化規(guī)律及晶棒的性能研究，雙良硅材料（包頭）有限公司

[2]石星宇，連續(xù)拉晶下石英坩堝內(nèi)氣泡變化規(guī)律及晶棒的性能研究，寧夏大學(xué)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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