中國粉體網訊 受全球光伏裝機量持續高增長的帶動，光伏用石英砂的需求量也穩步增加。同時，我國目前面臨著石英坩堝內層砂依賴進口、光伏玻璃超白砂大規模供應瓶頸等一些痛點難題。為了與行業攜手破解這些難題，2024年3月29日，由中國粉體網主辦的第二屆光伏行業用石英砂技術與市場交流大會在安徽蕪湖隆重召開，會議期間，我們邀請到了業內專家、學者，優秀企業家代表做客對話欄目，進行訪談交流。本期為您分享的是資深石英材料技術專家韓東博士的專訪。
中國粉體網：石英坩堝是光伏硅片生產環節的核心耗材，那么，石英坩堝是如何影響單晶硅棒性能和質量的？
韓博士：石英坩堝有幾個核心性能，其最核心最基礎的性能就是內表層顯微氣泡的含量，石英坩堝的顯微氣泡是在石英坩堝內表面1~2mm處密集存在的直徑幾μm到幾十μm的微氣泡，由于在拉晶過程中，這種微氣泡要直接與硅液接觸，同時在高溫和低氣壓的作用下，微氣泡會不斷的長大，向內表面的硅液中不斷溶解，最終氣泡會破裂釋放，釋放的氣泡大部分掛在坩堝內表面，對單晶影響比較少，但是顆粒會隨著硅液的液流流到單晶的固液交界面，最后粘在單晶的固液交界面，最終引起單晶的斷線，從單晶變成多晶，直接影響到單晶的成晶率，這是決定單晶的成本的最關鍵的因素。因此內表層顯微氣泡性能是坩堝的一個核心性能。
另外，石英坩堝的另一個比較基礎的性能，是坩堝的內表層是否充分純凈。因為內表層的雜質會擴散到硅液當中，進而影響到單晶的性能，如Li、Na、Ka、Ca這些雜質都會影響到單晶的電性能指標。
中國粉體網：高純石英砂是石英坩堝的核心原料，那么光伏用石英坩堝對其原料石英砂的性能要求是怎樣的？
韓博士：剛才我們提到了坩堝的兩個性能，一個是內表層顯微氣泡的性能，另一個是坩堝內表層的雜質含量，還有一個就是坩堝的強度能夠保持其相應的結構形狀，不要在長時間的拉晶過程中變形。那么，內表層顯微氣泡性能與石英砂的關系是什么呢？內表層顯微氣泡取決于兩個因素，一個是坩堝的工藝，或者是設備與工藝的配合最終能否充分地將石英砂顆粒之間的氣體收走，使內表層的顯微氣泡含量較少。
另外，所用的石英砂是基礎，僅憑工藝無法抽走石英顆粒里面的每一個氣泡，因為石英原礦內本身就存在氣液包裹體，在石英砂破碎過程中，有一部分氣液包裹體會釋放出去，但也有相當一部分是很難釋放出去的。由于高溫下石英的粘度非常高，因此工藝只能抽出石英顆粒之間的氣體，而無法抽出顆粒內部的氣液包裹體。對于石英坩堝內層砂來講，氣液包裹體的含量是其非常核心的性能，如果氣液包裹體含量很高，那么在高溫熔制下，這些氣液包裹體會膨脹，長成微小的氣泡，像滿天星一樣密密麻麻的存在于石英坩堝的內表面，大幅增加石英坩堝內表層顯微氣泡的含量，進而增加單晶的斷線率，降低單產和成晶率，這是石英砂的一個關鍵性能即石英砂的雜質含量。尤其是堿金屬和堿土金屬，如含有許多Li、Na、K、Ca、Fe雜質含量的石英砂用在石英坩堝內層，雜質會遷移擴散到硅液當中，如果它在內表面濃度較高，會形成異常的破壞性析晶，產生的顆粒進入到硅液中也會產生嚴重的斷線，如果濃度更高，則會形成一個腐蝕坑，一旦形成腐蝕坑，硅液會順著坑和縫隙不斷向外腐蝕，最終產生漏硅的風險。上面我們說的是內層砂，對于中外層砂來講，我們仍然要重視這幾種雜質含量，對于擴散比較快的雜質，中外層砂對其要求比較高，接近于內層。對于其他擴散速度慢的雜質，要求則相對低一點。
中國粉體網：石英坩堝有時會出現許多微氣泡，這些氣泡是如何產生的？對拉晶質量的影響如何？要如何去除？
韓博士：氣泡的去除一方面是要用高質量的、氣液包裹體含量少的石英砂，其次是熔制過程中各個參數的配合，在坩堝的熔制過程中，其有六七個參數都是可以調整的，通過各個參數的精密調整和配合，能夠進一步減少石英砂之間的氣體被包裹在透明層中。
中國粉體網：您認為石英坩堝在熔制過程中容易出現的質量缺陷有哪些？如何解決?
韓博士：微觀層面的缺陷是剛才我們提到的微氣泡，現在各家坩堝廠商也都在把控微氣泡，通過顯微鏡等方式做微氣泡的檢測，一旦微氣泡含量高，則石英坩堝產品不合格。宏觀的肉眼可見的缺陷，比如石英坩堝上幾毫米到十幾毫米的大氣泡，小到零點幾mm到大到十幾個mm黑點的迸濺，另外還有析晶，內表面會有晶紋結構的出現，它的形成有許多原因，很難用一兩句話解釋清楚。
舉幾個例子，石英坩堝的很多大氣泡是由于石英砂里的礦物類雜質沒有被剔除干凈，它在高溫下是一個受熱分解的過程，產生大的氣泡或者氣泡群，比如石英砂往往伴隨著長石礦物，長石礦在提純不干凈時，它在高溫下會產生大量的氣體的釋放，這些氣體產生氣泡之后，把氣泡拿去做檢測的話，除了一些空氣的成分，往往還有大量氧氣成分的存在，因為長石是由Li、Na、K、Ca等元素結合許多個氧原子的結構，高溫下氧釋放出去了，最終會產生比較大的膨脹的氣泡。關于黑點，有的是石英砂里面產生的黑點，即石英砂沒有充分進行提純，也有可能是石英砂加工設備的金屬殘留在里面，反倒對石英砂產生污染，從而造成的黑點。另外還可能在高溫下，設備的一些迸濺進入坩堝里面，還有可能是在石英坩堝上料成型過程當中，人工的操作的不規范，將外界的一些雜質帶入到了坩堝里面，產生黑點。
中國粉體網：近年來，光伏硅片行業不斷向高效能，大尺寸方向發展，這對石英坩堝技術提出了哪些新的要求？
韓博士：對于石英坩堝來說，大尺寸并不是一件難事，設備、構架和承重足夠大的話，石英坩堝基本能夠做大，但是隨著尺寸的加大，這種顯微氣泡降低的難度則變得越來越大。也就是想做一個更大的坩堝，除了要保證它的尺寸之外，最主要的還是看大尺寸坩堝有沒有做成，并不是你把這個結構做出來，一個大的東西做出來就行了，最主要的還是要保證它有一個充分低的顯微氣泡水平，要不差于小尺寸石英坩堝的顯微氣泡水平，甚至比其更低。因為大尺寸石英坩堝盛放的硅料更多，拉晶時間更長，因此要求其顯微氣泡的性能要更好。從這個角度來講的話，石英坩堝行業的工藝技術人員面臨非常巨大的挑戰。
對于坩堝行業未來的發展來講，自動化的不斷提升，是一個非常強烈的要求。現在石英砂尤其是坩堝內層用高純石英砂處于非常緊缺的狀態，那我們如何去解決這個問題呢？我們可以對石英坩堝采取多層上料的方式，內中外層分別用什么樣的石英砂都是極其考究的，從這個角度來講，對于石英坩堝上料成型的要求是非常高的。國內目前上料成型的步驟大部分還是靠人工來實現的，可能有個別企業有半自動設備和自動化程度較低的設備輔助人工來做，這樣無法生產品質穩定的產品，因此，上料成型工藝需要更智能的自動化設備。
另外，會上我們也一起探討過，國外的一些智能化的方案能不能拿到光伏級石英坩堝行業來做？電子級的石英坩堝的方案能不能拿到光伏行業來做？我個人認為這是很困難的，因為電子級石英坩堝可能是2到3層石英砂，而光伏級石英坩堝可能是5層、6層、7層甚至更多層，因此相同的工藝技術是不能完全平移的拿過來，而想做光伏級石英坩堝，在目前需要使用多層石英砂的條件下還是需要更具有顛覆性的方案。
（中國粉體網編輯整理/初末）
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