中国粉体网讯 目前，光伏产业中用于大规模光伏发电的材料主要是硅基太阳能电池，占整个太阳能电池材料市场的90%以上。硅基太阳能电池又分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池以及非晶硅太阳能电池。其中单晶硅太阳能电池的光电转换效率较高，多晶硅太阳能电池制备简便，总的生产成本较低，因此，单晶硅和多晶硅太阳能电池是目前全球大面积使用的主要硅基光伏发电设备。
光伏级硅（多晶硅和单晶硅）生产过程最重要的为结晶环节，其中单晶硅结晶过程主要采用直拉法工艺，而多晶硅结晶过程多采用定向凝固工艺。两种工艺中硅料熔化及结晶过程均不可避免使用石英坩埚作为容器。
光伏级硅的光电转换效率与硅锭的纯度密切相关，因此在结晶过程中需尽可能避免引入杂质元素。光伏级硅结晶过程中，杂质主要来源于坩埚、硅料以及环境气氛等，其中，坩埚作为与硅熔体直接接触的材料，对光伏级硅结晶影响最为显著，相对而言比较容易控制。坩埚对光伏级硅生产的影响主要体现在两个方面：一方面，坩埚的杂质元素向硅熔体中扩散，必然会形成一定的浓度梯度，由于靠近坩埚内壁的部分杂质含量较高，在实际生产过程会切割去除四周杂质含量较多的硅锭，仅留下中心的高品质硅方。因此，坩埚中杂质通过影响硅锭纯度进而对高品质硅方的切出率产生影响。另一方面，对于光伏级硅中的多晶硅而言，在硅锭完全凝固后，需要与坩埚分离取出，但硅熔体与大多数耐火材料之间呈现润湿状态，这意味着硅锭与坩埚材料之间容易发生粘连，导致硅锭中缺陷的产生甚至硅锭破裂，影响光伏级硅的光电转换效率以及切出率。
熔融石英陶瓷在化学成分上与硅熔体较为相近，具有良好的化学相容性，对硅熔体污染较小，且其优异的热性能满足光伏级硅结晶过程所需要求。然而由于熔融石英坩埚本身为非晶态，不可避免面会产生析晶问题，在升温过程中，熔融石英会由非晶态转变为晶态的β-方石英，而在随后的降温过程中，β-方石英又进一步发生相变形成α-方石英。在相变过程中会产生约6.2%的体积变化，从而导致坩埚中裂纹形成甚至坩埚破裂，导致石英坩埚目前无法重复使用，成为光伏级硅结晶过程中关键耗材。此外，在长时间的高温服役过程中，熔融石英材料容易发生软化，为了避免软化带来的不可预测风险，通常会在石英坩埚外面加装石墨护板，以防止坩埚高温变形。而在坩埚内部，为了避免硅熔体与石英坩埚的直接接触，同时也为了避免凝固后硅锭与坩埚粘连，通常需要在石英坩埚内部设置涂层材料，如定向凝固工艺中喷涂α-氮化硅涂层作为脱模剂。目前以α-Si3N4为主晶相的氮化硅涂层是多晶硅铸锭中常用的涂层材料，其原因是α相结构为针棒状，与坩埚结合牢固，而β相为六方柱状结构，与坩埚结合力弱。
2023年9月15日，中国粉体网将在江苏东海举办“2023全国集成电路及光伏用高纯石英材料产业发展大会”。届时，中国科学院理化技术研究所李江涛研究员将带来题为《光伏用石英基新材料的探索》的报告，届时，李江涛研究员将详细分析α-Si3N4/SiO2复合材料的高温析晶行为及机制，并探讨如何解决传统石英陶瓷坩埚存在的问题。
参考来源：
刘俊.氮化硅-熔融石英复合材料析晶过程及其与硅熔体的界面行为研究
黄金亮等.β-Si3N4涂层抗脱落性及对高效多晶硅性能的影响
（中国粉体网编辑整理/初末）
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