中国粉体网讯 受全球光伏装机量持续高增长的带动，光伏用石英砂的需求量也稳步增加。同时，我国目前面临着石英坩埚内层砂依赖进口、光伏玻璃超白砂大规模供应瓶颈等一些痛点难题。为了与行业携手破解这些难题，2024年3月29日，由中国粉体网主办的第二届光伏行业用石英砂技术与市场交流大会在安徽芜湖隆重召开，会议期间，我们邀请到了业内专家、学者，优秀企业家代表做客对话栏目，进行访谈交流。本期为您分享的是资深石英材料技术专家韩东博士的专访。
中国粉体网：石英坩埚是光伏硅片生产环节的核心耗材，那么，石英坩埚是如何影响单晶硅棒性能和质量的？
韩博士：石英坩埚有几个核心性能，其最核心最基础的性能就是内表层显微气泡的含量，石英坩埚的显微气泡是在石英坩埚内表面1~2mm处密集存在的直径几μm到几十μm的微气泡，由于在拉晶过程中，这种微气泡要直接与硅液接触，同时在高温和低气压的作用下，微气泡会不断的长大，向内表面的硅液中不断溶解，最终气泡会破裂释放，释放的气泡大部分挂在坩埚内表面，对单晶影响比较少，但是颗粒会随着硅液的液流流到单晶的固液交界面，最后粘在单晶的固液交界面，最终引起单晶的断线，从单晶变成多晶，直接影响到单晶的成晶率，这是决定单晶的成本的最关键的因素。因此内表层显微气泡性能是坩埚的一个核心性能。
另外，石英坩埚的另一个比较基础的性能，是坩埚的内表层是否充分纯净。因为内表层的杂质会扩散到硅液当中，进而影响到单晶的性能，如Li、Na、Ka、Ca这些杂质都会影响到单晶的电性能指标。
中国粉体网：高纯石英砂是石英坩埚的核心原料，那么光伏用石英坩埚对其原料石英砂的性能要求是怎样的？
韩博士：刚才我们提到了坩埚的两个性能，一个是内表层显微气泡的性能，另一个是坩埚内表层的杂质含量，还有一个就是坩埚的强度能够保持其相应的结构形状，不要在长时间的拉晶过程中变形。那么，内表层显微气泡性能与石英砂的关系是什么呢？内表层显微气泡取决于两个因素，一个是坩埚的工艺，或者是设备与工艺的配合最终能否充分地将石英砂颗粒之间的气体收走，使内表层的显微气泡含量较少。
另外，所用的石英砂是基础，仅凭工艺无法抽走石英颗粒里面的每一个气泡，因为石英原矿内本身就存在气液包裹体，在石英砂破碎过程中，有一部分气液包裹体会释放出去，但也有相当一部分是很难释放出去的。由于高温下石英的粘度非常高，因此工艺只能抽出石英颗粒之间的气体，而无法抽出颗粒内部的气液包裹体。对于石英坩埚内层砂来讲，气液包裹体的含量是其非常核心的性能，如果气液包裹体含量很高，那么在高温熔制下，这些气液包裹体会膨胀，长成微小的气泡，像满天星一样密密麻麻的存在于石英坩埚的内表面，大幅增加石英坩埚内表层显微气泡的含量，进而增加单晶的断线率，降低单产和成晶率，这是石英砂的一个关键性能即石英砂的杂质含量。尤其是碱金属和碱土金属，如含有许多Li、Na、K、Ca、Fe杂质含量的石英砂用在石英坩埚内层，杂质会迁移扩散到硅液当中，如果它在内表面浓度较高，会形成异常的破坏性析晶，产生的颗粒进入到硅液中也会产生严重的断线，如果浓度更高，则会形成一个腐蚀坑，一旦形成腐蚀坑，硅液会顺着坑和缝隙不断向外腐蚀，最终产生漏硅的风险。上面我们说的是内层砂，对于中外层砂来讲，我们仍然要重视这几种杂质含量，对于扩散比较快的杂质，中外层砂对其要求比较高，接近于内层。对于其他扩散速度慢的杂质，要求则相对低一点。
中国粉体网：石英坩埚有时会出现许多微气泡，这些气泡是如何产生的？对拉晶质量的影响如何？要如何去除？
韩博士：气泡的去除一方面是要用高质量的、气液包裹体含量少的石英砂，其次是熔制过程中各个参数的配合，在坩埚的熔制过程中，其有六七个参数都是可以调整的，通过各个参数的精密调整和配合，能够进一步减少石英砂之间的气体被包裹在透明层中。
中国粉体网：您认为石英坩埚在熔制过程中容易出现的质量缺陷有哪些？如何解决?
韩博士：微观层面的缺陷是刚才我们提到的微气泡，现在各家坩埚厂商也都在把控微气泡，通过显微镜等方式做微气泡的检测，一旦微气泡含量高，则石英坩埚产品不合格。宏观的肉眼可见的缺陷，比如石英坩埚上几毫米到十几毫米的大气泡，小到零点几mm到大到十几个mm黑点的迸溅，另外还有析晶，内表面会有晶纹结构的出现，它的形成有许多原因，很难用一两句话解释清楚。
举几个例子，石英坩埚的很多大气泡是由于石英砂里的矿物类杂质没有被剔除干净，它在高温下是一个受热分解的过程，产生大的气泡或者气泡群，比如石英砂往往伴随着长石矿物，长石矿在提纯不干净时，它在高温下会产生大量的气体的释放，这些气体产生气泡之后，把气泡拿去做检测的话，除了一些空气的成分，往往还有大量氧气成分的存在，因为长石是由Li、Na、K、Ca等元素结合许多个氧原子的结构，高温下氧释放出去了，最终会产生比较大的膨胀的气泡。关于黑点，有的是石英砂里面产生的黑点，即石英砂没有充分进行提纯，也有可能是石英砂加工设备的金属残留在里面，反倒对石英砂产生污染，从而造成的黑点。另外还可能在高温下，设备的一些迸溅进入坩埚里面，还有可能是在石英坩埚上料成型过程当中，人工的操作的不规范，将外界的一些杂质带入到了坩埚里面，产生黑点。
中国粉体网：近年来，光伏硅片行业不断向高效能，大尺寸方向发展，这对石英坩埚技术提出了哪些新的要求？
韩博士：对于石英坩埚来说，大尺寸并不是一件难事，设备、构架和承重足够大的话，石英坩埚基本能够做大，但是随着尺寸的加大，这种显微气泡降低的难度则变得越来越大。也就是想做一个更大的坩埚，除了要保证它的尺寸之外，最主要的还是看大尺寸坩埚有没有做成，并不是你把这个结构做出来，一个大的东西做出来就行了，最主要的还是要保证它有一个充分低的显微气泡水平，要不差于小尺寸石英坩埚的显微气泡水平，甚至比其更低。因为大尺寸石英坩埚盛放的硅料更多，拉晶时间更长，因此要求其显微气泡的性能要更好。从这个角度来讲的话，石英坩埚行业的工艺技术人员面临非常巨大的挑战。
对于坩埚行业未来的发展来讲，自动化的不断提升，是一个非常强烈的要求。现在石英砂尤其是坩埚内层用高纯石英砂处于非常紧缺的状态，那我们如何去解决这个问题呢？我们可以对石英坩埚采取多层上料的方式，内中外层分别用什么样的石英砂都是极其考究的，从这个角度来讲，对于石英坩埚上料成型的要求是非常高的。国内目前上料成型的步骤大部分还是靠人工来实现的，可能有个别企业有半自动设备和自动化程度较低的设备辅助人工来做，这样无法生产品质稳定的产品，因此，上料成型工艺需要更智能的自动化设备。
另外，会上我们也一起探讨过，国外的一些智能化的方案能不能拿到光伏级石英坩埚行业来做？电子级的石英坩埚的方案能不能拿到光伏行业来做？我个人认为这是很困难的，因为电子级石英坩埚可能是2到3层石英砂，而光伏级石英坩埚可能是5层、6层、7层甚至更多层，因此相同的工艺技术是不能完全平移的拿过来，而想做光伏级石英坩埚，在目前需要使用多层石英砂的条件下还是需要更具有颠覆性的方案。
（中国粉体网编辑整理/初末）
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