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国产坩埚质量不断提升
最新版的《中国光伏产业发展路线图（2024-2025年）》指出，拉棒单炉投料量是指一只坩埚用于多次拉棒生产的总投料量，其中坩埚使用时间为关键因素之一。2024年，拉棒单炉投料量约为3700kg，较2023年的3300kg有较大幅提升，主要是由于大尺寸热场配置的增加及其稳定性的提高、坩埚质量不断提升等原因。未来随着坩埚制作工艺、拉棒技术的不断提升以及坩埚使用的优化，投料量仍有较大增长空间，或向着连续投料的方向发展。
2024-2030年拉棒单炉投料量变化趋势（单位：kg）
但是在2023-2024年版的光伏产业发展路线图中，石英坩埚曾一度被点名，“由于坩埚品质的不稳定以及客户对品质要求的提高，2024年-2026年能耗预测数据较2022年预测数据略高。”也可能是由于“石英坩埚品质的不稳定”，2023年预测2024年的拉棒单炉投料量为3500kg，而实际上2024年的拉棒单炉投料量提升为3700kg，大幅超出了预测数据。
2023-2030年拉棒单炉投料量变化趋势（单位：kg）
近几年来，我国石英坩埚技术水平与国外企业产品的差距逐步缩小，在坩埚尺寸、纯度、拉晶时间和拉晶次数等方面均取得显著进步。此外，国内石英坩埚具有一定的成本优势，在质量和性能等方面与进口石英坩埚的差距正逐渐缩小。最新版的光伏产业发展路线图也认可了国产“坩埚质量不断提升”。
技术瓶颈仍需改良突破
在单晶硅直拉过程中，石英坩埚是一次性使用的熔硅和承载单晶硅棒生长的关键材料，对单晶硅的生产成本和产品产量质量都有直接的重要影响。
通常石英坩埚结构是由无气泡内层和含气泡外层共同组成，由于无气泡内层与硅熔体直接接触，在整个过程中保持其没有气泡是十分重要的，以确保没有气泡释放到熔体中。
石英坩埚内含有许多气泡，这些气泡大部分是在坩埚制造过程中形成的，然而有一些会在结晶过程中生长。这些气泡可能成为单晶硅中杂质污染和位错形成的原因。
事实上在直拉过程中，随着坩埚的缓慢消耗，气泡可能会释放到熔体中，同时可能会有石英或结晶脱落。如果气泡或杂质到达凝固前沿，它们会干扰晶体生长并可能导致结构损失，这是光伏行业中的一个重要问题，而这些技术瓶颈也是各晶硅企业急需改良突破的。
在没有实现连续拉晶工艺之前，每个石英坩埚都是一次性使用的，由于在连续拉晶下使用时间的大幅延长对石英坩埚的要求也有了明显提高，更需要耐长时间的高温。不断优化生产工艺克服引起气泡、破裂和导致拉晶工艺生产过程中“断线”等问题，才能降本增效。
因此，需要深入研究石英坩埚内气泡产生的机理及对晶体质量的影响规律，为连续拉晶生产工艺改进提供建议，对于降低生产成本，提升单晶硅的生产效率和单晶硅棒的品质，进而提升光电转换效率具有十分重要的工程意义。
拉晶过程中气泡形成机制探究
热传导引发的气泡形成
在连续拉晶过程中，热传导是导致石英坩埚内气泡形成的一个重要机制。
这一机制涉及到拉晶中的高温条件，导致石英坩埚内部温度的不均匀分布。随着晶棒的生长，坩埚内不同区域的温度梯度逐渐加大。在高温区域，材料的热传导性会增加，而在低温区域，热传导性则较低。这种温度梯度会导致原有的气体或杂质在高温区域聚集。当这些气体或杂质在高温区域逐渐升温时，它们的扩散性质会增强，从而促使它们向着低温区域移动。
在这个过程中，气体或杂质可能会聚集在某一局部区域，形成微小气泡。这些微小气泡随后可能在晶棒生长的过程中逐渐扩大，合并成较大的气泡。因此，热传导引发的气泡形成机制与温度分布不均匀密切相关。研究这一机制可以帮助我们更好地了解拉晶过程中气泡的形成和分布规律，从而有助于优化晶棒的质量和性能。
气体扩散引发的气泡形成
气体扩散是另一个在拉晶过程中导致气泡形成的重要机制。
在高温条件下，石英坩埚内的气体或杂质具有较高的扩散性质。当晶棒生长过程中发生热传导或其他变化时，这些气体或杂质可能会从坩埚壁或其他区域扩散到晶棒生长区域。在扩散的过程中，气体或杂质可能会在晶棒内聚集，形成气泡。
这些气泡的形成位置和数量会受到扩散速率、温度梯度和气体性质等因素的影响。因此，气体扩散引发的气泡形成机制与气体扩散的性质密切相关。研究气体扩散引发的气泡形成机制有助于我们深入了解气泡的生成和分布规律，以及如何通过控制气体扩散来改善晶棒的质量和性能。
化学反应引发的气泡形成
除了热传导和气体扩散，化学反应也可能在拉晶过程中引发气泡的形成。
某些化学反应会产生气体作为副产物，这些气体可能在晶棒生长区域聚集并形成气泡。化学反应引发的气泡形成机制的研究对于理解拉晶过程中的气泡形成过程和化学反应与气泡生成之间的关联至关重要。通过探究这一机制，我们可以更好地了解如何控制和调整化学反应条件，以减少气泡的生成，从而提高晶棒的质量和性能。
气泡对晶棒性能的影响及改善策略
气泡的大小在很大程度上影响着晶棒的机械性能。较大的气泡通常会在晶棒中形成微裂纹，降低了晶棒的强度和韧性。这可能导致晶棒在使用过程中更容易断裂或变形，从而降低了其可靠性和耐久性。
此外，气泡的分布也会对晶棒的机械性能产生影响。如果气泡集中分布在晶棒的核心区域，这可能会导致晶棒在受力时容易发生断裂。因此，研究气泡大小与分布对晶棒的机械性能的影响是非常重要的，有助于优化晶棒的设计和制备过程。
为了改善晶棒的性能，研究人员试验了各种策略和技术。这些策略可能包括改变拉晶过程的参数、优化坩埚材料、采用气体保护等。与气泡变化相关的研究可以为这些性能改善策略提供重要的指导。
通过深入了解气泡的形成机制和影响因素，研究人员可以制定更有效的晶棒性能改善策略。例如，如果发现气泡形成主要是由于热传导引发的，可以通过调整温度分布来减少气泡的生成；如果气泡形成主要是由于气体扩散引发的，可以采取措施来限制气体扩散。
参考来源：
[1]张二东，连续拉晶下石英坩埚内气泡变化规律及晶棒的性能研究，双良硅材料（包头）有限公司
[2]石星宇，连续拉晶下石英坩埚内气泡变化规律及晶棒的性能研究，宁夏大学
（中国粉体网编辑整理/平安）
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