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國產坩堝質量不斷提升

最新版的《中國光伏產業(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的總投料量，其中坩堝使用時間為關鍵因素之一。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、坩堝質量不斷提升等原因。未來隨著坩堝制作工藝、拉棒技術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，“由于坩堝品質的不穩(wěn)定以及客戶對品質要求的提高，2024年-2026年能耗預測數(shù)據(jù)較2022年預測數(shù)據(jù)略高�！币部赡苁怯捎凇笆�英坩堝品質的不穩(wěn)定”，2023年預測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，我國石英坩堝技術水平與國外企業(yè)產品的差距逐步縮小，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步。此外，國內石英坩堝具有一定的成本優(yōu)勢，在質量和性能等方面與進口石英坩堝的差距正逐漸縮小。最新版的光伏產業(yè)發(fā)展路線圖也認可了國產“坩堝質量不斷提升”。

技術瓶頸仍需改良突破

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鍵材料，對單晶硅的生產成本和產品產量質量都有直接的重要影響。

通常石英坩堝結構是由無氣泡內層和含氣泡外層共同組成，由于無氣泡內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，然而有一些會在結晶過程中生長。這些氣泡可能成為單晶硅中雜質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晶脫落。如果氣泡或雜質到達凝固前沿，它們會干擾晶體生長并可能導致結構損失，這是光伏行業(yè)中的一個重要問題，而這些技術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)化生產工藝克服引起氣泡、破裂和導致拉晶工藝生產過程中“斷線”等問題，才能降本增效。

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

拉晶過程中氣泡形成機制探究

熱傳導引發(fā)的氣泡形成

在連續(xù)拉晶過程中，熱傳導是導致石英坩堝內氣泡形成的一個重要機制。

這一機制涉及到拉晶中的高溫條件，導致石英坩堝內部溫度的不均勻分布。隨著晶棒的生長，坩堝內不同區(qū)域的溫度梯度逐漸加大。在高溫區(qū)域，材料的熱傳導性會增加，而在低溫區(qū)域，熱傳導性則較低。這種溫度梯度會導致原有的氣體或雜質在高溫區(qū)域聚集。當這些氣體或雜質在高溫區(qū)域逐漸升溫時，它們的擴散性質會增強，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大，合并成較大的氣泡。因此，熱傳導引發(fā)的氣泡形成機制與溫度分布不均勻密切相關。研究這一機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)化晶棒的質量和性能。

氣體擴散引發(fā)的氣泡形成

氣體擴散是另一個在拉晶過程中導致氣泡形成的重要機制。

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

這些氣泡的形成位置和數(shù)量會受到擴散速率、溫度梯度和氣體性質等因素的影響。因此，氣體擴散引發(fā)的氣泡形成機制與氣體擴散的性質密切相關。研究氣體擴散引發(fā)的氣泡形成機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散來改善晶棒的質量和性能。

化學反應引發(fā)的氣泡形成

除了熱傳導和氣體擴散，化學反應也可能在拉晶過程中引發(fā)氣泡的形成。

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

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，降低了晶棒的強度和韌性。這可能導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械性能產生影響。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械性能的影響是非常重要的，有助于優(yōu)化晶棒的設計和制備過程。

為了改善晶棒的性能，研究人員試驗了各種策略和技術。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、采用氣體保護等。與氣泡變化相關的研究可以為這些性能改善策略提供重要的指導。

通過深入了解氣泡的形成機制和影響因素，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引發(fā)的，可以通過調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散引發(fā)的，可以采取措施來限制氣體擴散。

參考來源：

[1]張二東，連續(xù)拉晶下石英坩堝內氣泡變化規(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)拉晶下石英坩堝內氣泡變化規(guī)律及晶棒的性能研究，寧夏大學

（中國粉體網編輯整理/平安）

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