SMM5月16日讯: 01  什么是硅片 在现代科技的浪潮中，硅片宛如一颗璀璨的明星，闪耀在电子信息产业的各个领域。屋顶常见的的太阳能板，就离不开硅片这个核心材料。 硅片是由硅元素组成的薄片，硅在元素周期表中位于第 14 族，原子序数为 14。 它是一种半导体材料，具有独特的电学性质，能够在导体和绝缘体之间发挥作用，这使得它成为制造各种电子器件的关键材料。 02  硅片的分类 单晶硅？多晶硅？他们有什么相似之处和不同之处，单晶硅与多晶硅最根本的区别在于其晶体结构不同。硅原子以 金刚石晶格 排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。 （一）单晶硅片 在太阳能光伏领域，硅片通常指单晶硅片，常见的单晶硅片其主要作用就是利用光伏太阳能发电，供热的原材料。 单晶硅片是由高纯度单晶硅棒切割而成，纯度通常要求达到5个9即99.999%纯度的硅。 单晶硅具有规则的原子排列，呈现出完美的晶体结构，这种结构使得单晶硅片具有优异的电学性能和机械性能。 目前单晶硅片主要分为两类即N型和P型硅片。N型与P型的硅片区分主要在于硅片在本征硅阶段掺杂的原子不同。如在本征硅中掺杂五价元素（如磷、砷）即形成N型的单晶硅，如果在本征硅中掺杂三价元素（如硼、镓）即形成P型单晶硅。下图为N型与P型单晶硅的晶格结构（左P右N）） 以高纯度的多晶硅为原料，采用 CZ（直拉法）或 FZ（区熔法）等拉晶技术，将多晶硅转化为单晶硅棒。直拉法是将籽晶浸入熔融的硅液中，缓慢旋转并向上提拉，使硅原子在籽晶上有序排列，形成单晶硅棒；区熔法则是通过高频感应加热，使硅棒局部熔化，利用晶体的生长特性，得到高纯度的单晶硅棒。得到单晶硅棒后，需要进行切割，将其切成薄片，然后经过研磨、抛光等工艺，得到表面光滑、尺寸精确的单晶硅片。 单晶硅片的主要规格有：N型183、N型210、N型210R、这三种硅片是市面上主流的大尺寸硅片，余下的P型主要有182、P型210两类P型硅片。其余的还有M6（166mm）的早期主流尺寸，现在已经逐步淘汰，还有G1（158.75mm）的过渡尺寸和M2（156.75mm）的过去历史主流。此外还有着其他型号的如M10D，M10L，M10DL等的矩形硅片、182.2×191.6mm 矩形硅片等硅片。 （二）多晶硅片 多晶硅片是由多晶硅锭切割而成。多晶硅的原子排列是无序的，由许多小晶粒组成，故多晶硅片也无N型P型的区分，且因排列无序其电学性能不如单晶硅片，但制备相对简单，成本较低。制备多晶硅锭通常采用铸造法，将高纯度的多晶硅料熔化后，倒入模具中，冷却凝固形成多晶硅锭。然后对多晶硅锭进行切割、研磨和抛光，得到多晶硅片。 多晶硅片主要用于太阳能电池领域。虽然其光电转换效率略低于单晶硅片，但由于成本优势明显，仍在大规模的光伏发电项目中得到了广泛应用。我们在一些太阳能发电厂、家庭太阳能发电系统中看到的太阳能电池板，很多都是由多晶硅片制成的。 （三）非晶硅片 非晶硅片，即 amorphous silicon，是一种非晶态半导体材料，其原子排列没有明显的周期性，呈现出无序的状态。制备非晶硅片常用的方法是气相沉积法，如辉光放电分解法、溅射法等。辉光放电分解法是在真空室中，将硅烷等气体在高频电场的作用下分解，使硅原子沉积在衬底上，形成非晶硅薄膜；溅射法是利用高能离子轰击硅靶材，使硅原子溅射到衬底上，形成非晶硅薄膜。 非晶硅片主要用于薄膜太阳能电池、传感器等领域。在薄膜太阳能电池中，它可以制成柔性太阳能电池，应用在一些特殊的场合，如太阳能背包、太阳能汽车等；在传感器领域，非晶硅片可以用于制造光敏传感器、温度传感器等。 03   硅片的制备方法 单晶硅片的制作工艺并不复杂，其中最主要的原料是高纯度的多晶硅，主要关键步骤是拉晶，切片，研磨，检测，封装。 （一）拉晶 首先需要将高纯度的多晶硅转变成单晶硅棒，这一步骤有两种生产方法即常说的直拉法（cz法）和区熔法（fz法），在光伏太阳能领域，通常采用直拉法。直拉法生产单晶硅占到85%。其原理是将籽晶浸入熔融的硅液中，缓慢旋转并向上提拉，使硅原子在籽晶上有序排列，形成单晶硅棒。 首先将多晶硅堆叠和掺杂剂（如硼、磷）放入石英坩埚，加热至 1420℃熔融。得到熔融状态的硅业，这一步加入的原料是区分N型与P型的关键步骤，籽晶（一小段单晶硅）缓慢下降接触熔体，通过控制拉速（约 1-5mm/min）和温度梯度，生长出单晶硅锭。目前常见的直径有6英寸（150毫米）、 8 英寸（200 毫米）、12 英寸（300 毫米）等。下图为拉晶过程演示图。 （二）切割与研磨抛光 在拉晶过程中，单晶硅棒的直径较难控制，图为单晶炉拉晶技术规格。 将拉制好的单晶硅棒去除头尾和边缘，得到圆柱体的硅棒，因此为得到标准直径的硅棒，如6寸、8寸、12寸，在拉晶后会将硅片进行外径滚摩，通常要求硅棒的同心圆率要小于1%。以此来消除生产过程中的直径偏差。完成后对单晶硅棒进行开方，将圆柱型的硅片加工成规则方形的硅锭如 （156mm×156mm、182mm×182mm等等），方锭的打磨表面，去除氧化层和毛刺，便于后续切割。 打磨完成后即可将硅锭固定在切割台上，将金刚线张紧（金刚线的线距取决于硅片的厚度），通过砂浆（切割液 + 碳化硅）循环，金刚线高速往复运动（线速 10-20m/s），将硅锭切割成薄片（厚度 150-200μm，N 型硅片更薄可达 130μm 以下），下图为拉晶后硅棒侧面结构示意图。 首次切割后的单晶硅片厚度通常为150~200μm（光伏），此时的单晶硅片并不能满足电池制造的需求，此时的单晶硅片表面存在一定的损伤和粗糙度，需要进行研磨，去除表面的损伤层，使硅片的厚度和平面度达到要求。使用研磨机，以碳化硅磨料和碱性溶液（如 NaOH）为介质，对硅片双面研磨，使表面平整度误差 < 5μm，边缘倒圆角最后进行抛光，要尤其注意对硅片边缘的抛光，要单独对硅片边缘抛光，消除锐角，减少电池片制备时的边缘漏电风险。使硅片表面变得光滑平整粗糙度 Ra≤0.1nm。此时硅片的表面可能还存在一些其他杂志，需要进一步进行清洗。 首先进行碱洗 ：用 NaOH 溶液去除表面切割残留的砂浆和金属离子。 第二步酸洗 ：用 HF/HNO₃混合液去除表面氧化层和重金属杂质。 去离子水冲洗 ：多次超声清洗，确保表面无颗粒残留（颗粒度 < 1μm）。完成清洗后硅片的生产基本就完成了，但生产出来的硅片品质还未可知，因此，最后还需要进行检测。 （三）检测与封装 硅片生产完成后要对硅片进行一系列的性能检测，以便于能够满足后续的电池制造。各家硅片厂商对硅片的品质有不同的标准，主要分为A级B级C级。 硅片的品质主要是以下几个方面：外观质量、尺寸精度、电阻率、少子寿命、晶体缺陷等几个方面。 首先对硅片进行物理尺寸的测量，包括长度、宽度及厚度，最后进行平整度及力学的相关性能测量。测量电学性能时，通常采用四探针法进行测量硅片的电阻率，N型硅片的电阻率范围通常为0.5-2Ω・cm。除此之外还需要进行少子测试，通常采用微波光电导衰减法，脉冲光注入载流子，微波传感器检测电导率衰减曲线，拟合得到少子寿命（τ），需要注意的是这种测试方法需要在暗室环境内进行。寿命越高，载流子复合越少，电池效率越高。N型硅片少子寿命通常在500μs。 除物理性能、电子性能外，硅片中的杂质含量也是判定硅片品质的重要因素、如含氧量等，通常硅的杂志分为金属杂质和非金属杂质两类。测定金属杂质通常采用ICP-MS（电感耦合等离子体质谱），通常需要抽样硅片将硅片酸溶后，通过质谱仪检测痕量金属元素。通常总金属杂质浓度要≤1×10¹⁵ atoms/cm³。对于碳含量和氧含量的测定红外光谱仪：利用硅 - 氧、硅 - 碳键的红外吸收特性，测量氧含量（Cz 硅片氧含量通常 1-1.5×10¹⁸ atoms/cm³）和碳含量（≤5×10¹⁶ atoms/cm³）。 批次硅片合格后还需要经过封装才能运往电池片的制造厂，其核心目标是保护硅片物理完整性和电学性能稳定性。通过精细化的包装设计（防静电、防潮、防震），减少硅片在流转中的损耗。硅片通常采用硅片包装盒进行包装运输。 （四）辅材介绍 单晶硅片的生产中有几样生产辅材是不可缺少的，会对硅片品质产生一定影响的生产才材料， 主要有坩埚、金刚线这两大辅材。 石英坩埚是硅片生产中单晶生长的核心耗材，石英坩埚的核心是耐高温，高纯度且无黑点、气泡等。内壁通常涂覆耐高温膜，以减少硅熔体的沾污和侵蚀。 石英坩埚通常分为三层，最内层是BaO涂层，（直接接触 1420℃以上的荣荣硅），需极致纯净（金属杂质＜5ppm），通常涂覆 厚度 5-10μm，其目的就是通过形成钡硅酸盐保护膜，抑制硅熔体对石英的侵蚀，中层主要起到结构的支撑作用，通常为纯度99.95%以上的SiO₂，外层主要是用于增强坩埚强度，承受热应力。 第二个关键辅材是切割线，即使用的金刚线。金刚线分为两类，一种是树脂基金刚石线，一种是电镀金刚石线。在光伏太阳能领域，切割单晶硅片通常使用树脂基金刚石线。 树脂基金刚石线由两部分组成，内部是高碳钢丝（50-150μm）外表是人造金刚石硅粉，组成一根直径 50-150μm 的金刚线。碳钢母线的（含 0.8-1.2% C，抗拉强度＞2500MPa），表面，通过树脂粘结剂（酚醛树脂 + 偶联剂）固定金刚石微粉（粒径 5-40μm，浓度 20-30 颗 /mm）。金刚石线在导轮带动下高速往复运动（线速 10-20m/s），同时金硅棒以 0.1-0.5mm/min 的速度垂直切入线网，就完成了硅棒切割成硅片的工作。 04   硅片的发展历史及未来趋势 （一）硅片厚度-薄片化 硅片的厚度随着行业技术的进步和成本降低的要求，呈现薄片化的趋势， 从2000年光伏企业初期，硅片厚度大多在300μm~400μm的范围，主要受限于砂浆切割技术的损耗和硅片机械强度要求，这时候硅料的损耗较大，但较厚的硅片相对来说更容易处理。 2000年-2010年是光伏技术的快速突破期，这十年间，硅片厚度从300μm~400μm降低到150μm~180μm。2010年-2020年是快速的减薄期。 这个阶段的厚度削减最主要的原因是金刚石线的使用，金刚石线逐步取代了砂浆的切割。 2010至今，金刚石线的切割的技术不断进步，金刚母线的直径也在不断降低，硅片强度的提升也是硅片薄片化的原因，边缘钝化、激光掺杂等技术增强硅片抗裂性，支持更薄硅片。总体而言，硅片厚度的发展从较厚的多晶硅片到单晶硅片，从最初的300μm~400μm到如今的100μm，技术在不断进步，厚度在不断变薄。 （二）硅片尺寸-大尺寸化 2012年之前硅片的尺寸在不断变大，在硅片生产的早期，收到半导体硅片技术影响，光伏硅片尺寸较小且分散。且当时的砂浆切割技术限制硅片厚度和尺寸，多晶硅片占主导，此时单晶硅片处于萌芽期。 2012年至2018年之间是标准化建立的阶段。此时头部企业联合推出了M2（156.75mm）的硅片，此后成为产业的统一标准。在2018年达到顶峰，同年占据85%的市场份额，此时多晶硅已经逐渐被单晶硅片替代。 2018年至今，硅片处于一个大尺寸的竞争阶段，2018年晶科推出G1（158.75mm）：2019年隆基推出 M6（166mm）面积比 M2 提升 15%，组件功率突破 400W。同年中环推出G12（210mm）面积比 M6 提升 60.8%，开启超高功率时代。2020年隆基联合晶科晶澳联合推出M10（182mm），平衡功率与产业链兼容性。 至今N型的单晶硅片多以183mm、210R、210尺寸的硅片已经占据主流，从图中能够看出，从早期多种芯片到中期标准画的独占市场，到如今的硅片以大尺寸为主，主流的剩下三种规格即182方片，微矩形及210系列。 （三）硅片产能集中化 2015年至今，硅片的产能总体趋势趋于集中化，从早期的百家争鸣到后期CR5的产能占据市场大部分份额。 2016–2020 年双寡头格局显著（CR2 超 50%），主要是由于此头部企业联合发布了M2型的硅片，成为行业统一标准，后续2021 年后新进入者（双良、高景）打破垄断，CR5 占比回落至 60% 左右。如今2024 年晶科、晶澳等一体化厂商产能提升，CR5 占比进一步下降。但硅片市场在整体上仍呈现出产业的集中化，小厂的数量明显减少。 05   硅片生产趋势及主要生产商 （一）光伏装机量逐年增长 2015年，国家能源局首次明确 “光伏扶贫” 政策，推动农村分布式项目落地。自此中国光伏装机量总体上呈现逐年上升的趋势，2018-2019年的装机量短暂下滑531政策及多晶硅向单晶硅的过渡阶段，且政策转向了市场化竞争，2019年同年，光伏的每度电承成本逼近煤电。自此，光太阳能光伏装机量呈现逐年快速上升的阶段。如今随着发展清洁能源的必然趋势，装机量仍保持在较高的水平，且随并网技术进步及产业规范化等，分布式的光伏仍又不俗的装机潜力。 （二）硅片的主要生产企业及其产能 以下是主要的硅片生产企业，这里主要标注的是有硅片外售的企业名单，其中隆基属于一体化企业，但由于隆基的硅片产能较大，所以也存在硅片外销的情况，但上文提到的晶科、晶澳等企业属于高一体化程度的企业，几乎不对外销售芯片，基本自用因此，不再列举。表中可以看到，各家的硅片主营规格存在一定差异，但多以N型，大尺寸的硅片能生产销售为主。 说明：对本文中提及细节有任何补充或修正随时联系沟通，联系方式如下 ： 电话021-20707850郭书昆（或加微信15006506817）郭书昆，谢谢！