中國粉體網訊 目前，光伏產業中用于大規模光伏發電的材料主要是硅基太陽能電池，占整個太陽能電池材料市場的90%以上。硅基太陽能電池又分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池以及非晶硅太陽能電池。其中單晶硅太陽能電池的光電轉換效率較高，多晶硅太陽能電池制備簡便，總的生產成本較低，因此，單晶硅和多晶硅太陽能電池是目前全球大面積使用的主要硅基光伏發電設備。
光伏級硅（多晶硅和單晶硅）生產過程最重要的為結晶環節，其中單晶硅結晶過程主要采用直拉法工藝，而多晶硅結晶過程多采用定向凝固工藝。兩種工藝中硅料熔化及結晶過程均不可避免使用石英坩堝作為容器。
光伏級硅的光電轉換效率與硅錠的純度密切相關，因此在結晶過程中需盡可能避免引入雜質元素。光伏級硅結晶過程中，雜質主要來源于坩堝、硅料以及環境氣氛等，其中，坩堝作為與硅熔體直接接觸的材料，對光伏級硅結晶影響最為顯著，相對而言比較容易控制。坩堝對光伏級硅生產的影響主要體現在兩個方面：一方面，坩堝的雜質元素向硅熔體中擴散，必然會形成一定的濃度梯度，由于靠近坩堝內壁的部分雜質含量較高，在實際生產過程會切割去除四周雜質含量較多的硅錠，僅留下中心的高品質硅方。因此，坩堝中雜質通過影響硅錠純度進而對高品質硅方的切出率產生影響。另一方面，對于光伏級硅中的多晶硅而言，在硅錠完全凝固后，需要與坩堝分離取出，但硅熔體與大多數耐火材料之間呈現潤濕狀態，這意味著硅錠與坩堝材料之間容易發生粘連，導致硅錠中缺陷的產生甚至硅錠破裂，影響光伏級硅的光電轉換效率以及切出率。
熔融石英陶瓷在化學成分上與硅熔體較為相近，具有良好的化學相容性，對硅熔體污染較小，且其優異的熱性能滿足光伏級硅結晶過程所需要求。然而由于熔融石英坩堝本身為非晶態，不可避免面會產生析晶問題，在升溫過程中，熔融石英會由非晶態轉變為晶態的β-方石英，而在隨后的降溫過程中，β-方石英又進一步發生相變形成α-方石英。在相變過程中會產生約6.2%的體積變化，從而導致坩堝中裂紋形成甚至坩堝破裂，導致石英坩堝目前無法重復使用，成為光伏級硅結晶過程中關鍵耗材。此外，在長時間的高溫服役過程中，熔融石英材料容易發生軟化，為了避免軟化帶來的不可預測風險，通常會在石英坩堝外面加裝石墨護板，以防止坩堝高溫變形。而在坩堝內部，為了避免硅熔體與石英坩堝的直接接觸，同時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部設置涂層材料，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相結構為針棒狀，與坩堝結合牢固，而β相為六方柱狀結構，與坩堝結合力弱。
2023年9月15日，中國粉體網將在江蘇東海舉辦“2023全國集成電路及光伏用高純石英材料產業發展大會”。屆時，中國科學院理化技術研究所李江濤研究員將帶來題為《光伏用石英基新材料的探索》的報告，屆時，李江濤研究員將詳細分析α-Si3N4/SiO2復合材料的高溫析晶行為及機制，并探討如何解決傳統石英陶瓷坩堝存在的問題。
參考來源：
劉俊.氮化硅-熔融石英復合材料析晶過程及其與硅熔體的界面行為研究
黃金亮等.β-Si3N4涂層抗脫落性及對高效多晶硅性能的影響
（中國粉體網編輯整理/初末）
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