准单晶硅铸锭技术的成本分析

准单晶硅铸锭技术的成本分析
作者：吴新正张愿成朱旭，等
来源：《新材料产业》 2012年第1期
文/吴新正张愿成朱旭张滢清李红波上海太阳能工程技术研究中心有限公司
随着常规能源的日益枯竭，环境问题的不断加剧，世界各国对可再生能源进行了大量的研究，并把大力发展新能源和可再生能源作为重振经济的重要途径。

其中，太阳能光伏以其环保、高储量、安全及潜在的经济性而成为大家所关注的焦点，成为取代传统石化能源，支持人类可
持续发展的主要技术。

尤其在近几年获得了飞速地发展。

目前，晶体硅太阳能电池占据着光伏产业的主导地位，
而多晶硅太阳能电池由于成本优势又占据了晶体硅的绝大部分市场，晶体硅太阳能电池的成本
构成中硅片占到了一半以上，因此降低硅片的成本、提高硅片的质量，对于光伏行业的发展有
着极其重要的意义。

2006年，美国B P S o l a r公司宣布发明了一项新的太阳能电池用单晶硅生长技术，他
们将此单晶硅称为“M o n o2T M”。

他们用类似于制造多晶硅的方法生产出具有单晶硅特征的“准单晶”，这种技术制备的硅片在一定尺寸上表现为同一晶向的晶粒面积较大。

在铸锭技术
形成准单晶硅的能耗与普通多晶铸锭耗能相差不大的前提下，这种技术所生产的准单晶硅的质
量接近直拉单晶硅。

这种大晶粒多晶硅可以有效地降低材料中的晶界密度，基本消除了当前普通多晶铸造中由
于晶界导致电池效率降低的问题。

同时，取向相同的晶粒使高效的碱制绒技术能被应用，从而
提高了电池对光的吸收效率，在不明显增加硅片成本的前提下，使电池效率提高0.5%以上。

这
种技术既具有单晶硅材料低缺陷、高转换效率的优点，又具有铸锭技术的高产量、低能耗、低
光致衰减的优点。

因此，开发太阳能用的准单晶硅铸造技术既具有一定的科学价值又具有广阔
的市场前景。

准单晶硅铸锭技术因其对晶硅铸锭行业有着具大的商业意义，目前还处于研究初期，国内
外有很多机构都在进行这方面的研究，而且每家都对自己的研究进展和技术路线非常保密，所
以直到目前还没有机构对其成本及收益进行分析。

一、准单晶硅铸锭技术的制备流程
首先，将直拉法得到的晶向单晶棒进行开方，得到断面尺寸为156m m ×156m m的方柱，
将其切成30m m左右厚的块状籽晶25块，如图1和图2所示；另外，对于籽晶的循环利用，是将之前准单晶硅铸锭得到的硅锭进行开方、检测、带锯切断，将切除的底部硅块（主要为剩佘
籽晶）及顶部大晶粒硅块进行挑选及加工，切割成厚度为30m m左右的籽晶。

将通过以上2种
方法得到的25块籽晶按5×5的方式紧密排列平铺在内部尺寸为840m m ×840m m ×400m m (长宽高)的标准石英坩埚底部，放置时尽量使籽晶居中，即周边籽晶的最边沿面距坩埚内壁尺
寸相近；籽晶上面再放置原生多晶，包括籽晶在内共装料420kg ；装料后抽真空，控制功率和
温度对硅料进行加热、熔化、长晶和退火等阶段；将所得硅锭开方得25块小方锭，进行切片、清洗等流程制得准单晶硅片，然后按照同一晶相的面积分类、归档和包装。

对上述归档好的硅片进行制绒处理，目前将硅锭分为A、B、C区，A区为四角，B区为四边（除四角外）C区就是硅锭中央。

一般电池生产商对A区、B区进行酸制绒，C区进行碱制绒，也有采用酸碱混合制绒的技术，而其他的工序与正常的多晶硅片工序相近。

二、准单晶硅铸锭技术成本比较分析
制备晶硅硅片，主要成本包括以下几个部分：铸锭成本、头尾硅料循环利用成本和切片成本等。

1.铸锭成本比较
铸锭成本主要包括原材料、辅助材料、设备折旧费和人工费等。

由表1、表2、表3可以看出，由于准单晶硅铸锭需要单晶籽晶进行铺底，而籽晶相对原生硅料价格昂贵，这就导致了原材料费用有所上升，费用高出6000元以上；由于准单晶硅铸锭生产时间较普通多晶硅铸锭所花费的时间长，导致了辅助材料费、设备折旧费和人工费用有所提高；准单晶硅铸锭相对于普通多晶硅铸锭其铸锭成本有所增加，每锭增加了6500元左右，大概增加了4%左右。

2.头尾料循环利用
如表4所示，铸锭生产出的硅锭有低寿命区，而成品率是按少子寿命2us进行检测划线，
这样就会导致成品率低于100%，普通多晶硅铸锭成品率能达到69%，而准单晶硅铸锭的成品率
大概为64%左右。

经过挑选、清洗等工序，头尾料按照300元/kg进行折旧回收利用。

由于准单晶硅铸锭技
术其成品率较低，所以折旧料更多，从而导致处理费用有所增加；而循环后原料价值同样有所
增加，这样就导致总的成本费用较普通多晶硅铸锭成本有所降低，每锭能节省大约5000元左右。

3.切片成本分析
准单晶硅铸锭其成品率较低，其切片成本较普通多晶铸锭切片成本有所减少，大约每锭其
成本减少4000元左右。

由于欧洲债务危机，导致全球光伏市场不景气。

如表5所示，以目前不景气的市场行情，
硅料价格大约为350元/ k g，普通多晶硅片价格大概为15元/片；而准单晶硅片价格按大约16.5元/片来计算，准单晶硅铸锭相对于多晶铸锭其每锭成本增加了1500元左右，大概增加了1%左右；但准单晶硅铸锭技术能使收益大概增加到22 570元，相对于目前普通铸锭技术的收益已有很大提高。

三、未来准单晶硅铸锭技术的收益改善方向
1.增加籽晶循环利用次数
目前，对于准单晶硅铸锭，其籽晶一般利用一次，每次籽晶可能要熔化掉5 ～10m m。

由
于籽晶相对于硅料价格贵很多，如果能增加籽晶循环利用次数，必定能进一步节约成本，改善
收益。

2.减少籽晶厚度
由于一些特殊原因，某些铸锭炉生产准单晶硅锭后，其籽晶少子寿命很低，不适合作为下
次铸锭的籽晶，无形中增加了铸锭成本，所以可以采用减少籽晶厚度来节约成本，使在生产中
用到的籽晶能得到最大限度的利用。

同时，对于可以循环利用的籽晶，减少籽晶厚度也可以节
约成本。

3.缩短铸锭时间
准单晶硅铸锭技术较普通铸锭时间有所增加，时间增加就会导致生产成本的上升，比如水
电费、人工费等，同时也会造成铸锭生产周期的延长。

通过缩短铸锭时间、缩短生产周期，可
减少能耗等成本。

4.提高成品率
目前，准单晶硅铸锭成品率较普通铸锭成品率有所降低，提高准单晶硅铸锭的成品率也是
未来节省成本的一个方向。

通过我们的分析，一个硅锭每增加1%的成品率，收益大概能增加1300元左右。

5.增加硅锭尺寸
通过我们的分析，在保持成品率不变的情况下，铸造450k g的硅锭相对于铸造420k g的
硅锭其收益大概增加3000元左右。

所以，铸造大尺寸的准单晶硅锭也是未来提高收益的一个重大方向。

四、结语
本文简单地论述了准单晶硅铸锭技术工艺流程，以及在工艺环节中对准单晶铸锭技术同普
通多晶硅铸锭技术进行了成本比较，得出了以下结论：①由于准单晶硅铸锭需要昂贵的单晶籽
晶进行铺底，且准单晶硅铸锭的生产时间较普通多晶硅铸锭所花费的时间要长，导致了辅助材
料费、设备折旧费和人工费用有所提高。

相对于普通多晶硅铸锭，准单晶硅铸锭成本有所增加，每锭增加了6500元左右，大概增加了4%左右。

②由于准单晶硅铸锭技术其成品率较低，所以
折旧料更多，从而导致处理费用有所增加，而循环后原料价值同样有所增加，这样就导致总的
成本费用较普通多晶硅铸锭成本有所降低，每锭能节省大约5000元左右。

③由于准单晶硅铸锭成品率较低，其切片成本较普通多晶铸锭切片成本有所减少，大约每锭其成本减少4000元左右。

④准单晶硅铸锭技术能使收益大概增加到22 570元，相对于目前普通铸锭技术收益有很大的提高，但准单晶铸锭技术能使收益大概增加到22 570元，相对于目前普通铸锭技术收益已有很大的提高。

致谢：相关研究的得到上海市科委《太阳能用单晶硅铸锭技术研究》项目资助。