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EpiWafer“一跃”成为TOPCon、HJT最佳材料!

栏目:行业动态 发布时间:2022-05-09

近日有报道,德国Fraunhofer ISE所属的NexWafe GmbH正在通过EpiWafer工艺开发单晶硅片,无需熔融、结晶,无需铸锭、切割,厚度低达120um,已实现23-24%的电池效率。EpiWafer不仅显著降低生产成本,还极为匹配n型单晶技术,将是未来TOPCon和异质结技术的最佳材料。

EpiWafer到底是个什么“GUI”?竟然有如此魅力?

1.两轮融资

2015年,初创公司NexWafe GmbH从德国FraunHofer ISE分离出来,致力于将研究所用无切口EpiWafer工艺制造太阳能硅片产品的技术推向市场并快速商业化。

2017年2月,NexWafe从Wermuth Asset Management、Saudi Aramco Energy、Lynwood AG获得1000万欧元(合1100万美元)作为首轮融资,用于在德国弗莱堡试运行一条生产“EpiWafer”基板的试验线,以供潜在的太阳能制造客户进行验证和认证。NexWafe表示,首笔融资主要是用于外延反应器等工业量产设备以及硅片验证和资格认证期间产生的费用。

2021年10月,NexWafe从印度信实工业集团子公司Reliance New Energy Solar获得2500万欧元融资,加上InnoEnergy、Lynwood、Saudi Aramco Energy的1400万欧元,合计获得3900万欧元的C轮融资支持。

而Reliance还计划通过此次融资,能够签署战略合作协议,使用NexWafe的工艺和技术在印度建立一个大型太阳能硅片制造厂,这也将是NexWafe技术的首次量产化尝试。该协议不仅让印度实现硅片制造零突破,还将是世界上最先进的硅片技术。而仅4个月前,另一家不按套路做硅片的美国公司1366 Technologies刚宣布在印度投资3亿美元建设2GW硅片工厂。

而Reliance在2021年还从蓝星集团收购了REC,拥有了REC的电池和组件产能。与NexWafe合作生产出EpiWafer产品后,根本无需担心该硅片的后续市场应用。

EpiWafer是个什么“GUI”,竟然获得众多资本青睐,并即将进入量产?

2.别出心裁

EpiWafer获得众多资本青睐的其中一点,便是NexWafe讲了一个超乎想象的故事:不用熔融、长晶、切片的传统套路生产硅片,而是别出心裁地从多晶硅的原材料氯硅烷直接生产硅片。

传统的硅片生产工艺是,首先将工业硅提纯为高纯度的多晶硅,然后再熔融、拉晶生产出硅锭,再将硅锭切割为方形的硅片。

而从工业硅到高纯多晶硅,并不是你想象的通过熔融去除杂质再提纯的物理过程,而是将工业硅转化为氯硅烷,再还原为多晶硅。这里的氯硅烷,不仅易爆,还是剧毒的气体,这就是为什么你看到的多晶硅工厂就像是个化工厂。


图1:多晶硅生产工厂


此外后续的熔融、长晶、成锭、切片过程都需要消耗大量的电能,还有将圆柱型硅棒切割成方形硅片会产生的大量边角料,切割过程中会产生大量硅粉(与冷却液一起成为低价值的硅泥)。4月5日云南宣布根据发改委要求取消电价优惠,直接导致4月6日隆基股价大跌5.51%。

而此前美国1366 Technologies就讲了一个不按套路出牌的故事。1366的想法是将熔融的多晶硅直接在硅片的模具中结晶,一步成型为硅片,省去了拉棒长晶、切割等多余步骤,大大降低了原材料的损耗。但该工艺由于成本高,并且单晶已经对多晶形成绝对替代,因而没有得到推广。

在Fraunhofer ISE看来,1366的工艺也太复杂,从工业硅到硅片还可以进一步简化,就像读杜牧的“清明时节雨纷纷,路上行人欲断魂。借问酒家何处有?牧童遥指杏花村”一样,实在太啰嗦,完全可以简化成“清明雨,人断魂。酒何处?杏花村”

Fraunhofer ISE的想法是:将由工业硅生产出的氯硅烷,直接生产出标准厚度的独立硅片。

由于制造价值链中无需生产出多晶硅料,也无需再将多晶硅料熔融后拉晶,更无需此后的切片、削边,既节省了能源,又减少了废料,还简化了工艺,这个价值链发生了根本性的变化,与传统的晶圆制造工艺相比,生产成本肯定会明显降低。

这就是EpiWafer,一种别出心裁的工艺制作的硅片。


图2:外延晶圆(右)与可重复使用的种子晶圆(左)分离。


3.可行性如何?

想法可以天马行空,但终究要用实践来检验。Fraunhofer ISE的创意,能够生产出太阳能硅片吗?

不用担心,其实Epiwafer技术并非Fraunhofer ISE的发明,在电子工业中,Epiwafer工艺已经是制造晶圆的成熟方法。

Epiwafer翻译成中文就是“硅外延片”。自上世纪50年代末,硅外延片便成功地应用于制造高频大功率晶体管,为了满足各种半导体器件的需要,相应地也产生了各样的硅外延技术。从器件制造的角度可分为正外延和反外延,从化学组成可分为同质外延和异质外延。

制备硅外延片的方法有气相外延、液相外延、分子束外延等。其中以化学气相淀积(CVD)为基础的气相外延是现在生产硅外延片的主流方法,常用的气源有SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2和SiH44种,目前以SiCl4源应用最广泛。

在EpiWafer技术中,制造硅片可以通过将氯硅烷气体外延沉积为厚的晶体硅层,然后在生长后将其分离,以生产标准厚度的独立晶片,不管是n型或p型掺杂硅单晶晶片都能生产。

这么好的技术,怎么还没有用在太阳硅片呢?很简单,效率和成本。既然EpiWafer是一直用于半导体电子行业,想想也知道半导体电子行业的成本是太阳能的多少倍。

2012年全球第二大半导体硅片厂日本SUMCO公司就因为成本太高关闭了其12吋主流硅外延片的生产。SUMCO也有太阳能硅片,但也因成本太高而退出。尽管SUMCO掌握硅外延片的生产技术,但并未用于太阳能硅片的生产。

从技术上说,太阳能行业用的硅片还需要解决一个发电的问题,和电子行业还是有区别的,而且太阳能行业需要用的硅片数量,是半导体行业的几个数量级倍数,如何量产也是一个问题。

这就是Fraunhofer ISE要解决的问题。

4.从实验室到量产

2015年,Fraunhofer ISE报告其EpiWafers的开发取得了实质性进展,通过吸杂以充分利用外延生长晶片,消除长晶缺陷并消除缺陷的来源,制造出新型n掺杂外延晶片。分析表明,该硅片平均少数载流子寿命高于1000µs,表明与n型Cz晶片的质量相同。在这些EpiWafers上处理的太阳能电池产生了20%的光电转化效率,太阳能电池的短路电流为39.6 mA/cm 2,这一结果被Fraunhofer ISE的CalLab实验室独立证实。

2015年,Fraunhofer ISE宣布成立初创公司NexWafe GmbH,从FraunHofer ISE分离出来,致力于将用EpiWafer工艺制造太阳能硅片产品的技术推向市场并快速商业化。

推向市场,意味着要开始用试验线中试并量产;商业化代表着要让客户检验并得到资本市场的加持。2017年2月,NexWafe成功完成了1000万欧元(合1100万美元)的首轮融资。

EpiWafer被视为传统Cz直拉法晶圆的直接替代品。Fraunhofer ISE的研究团队与NexWafe合作优化了EpiWafer的所有生产步骤,成功证明了EpiWafer的快速进展,创造了外延生长硅太阳能电池的世界效率纪录。在NexWafe看来,一项改变游戏规则的技术正在诞生,它将通过以极具竞争力的价格提供高质量的插入式单晶外延晶片,加速了市场向高效组件的转变。

量产目的还需要实现降本。从氯硅烷中直接沉积晶体硅层对于光伏来说是一种有吸引力的选择,可以节省大量的超纯硅材料和能源。因此,基于CVD工艺和系统的长期经验,Fraunhofer ISE开发并构建了“ProConCVD”系统,用于在大气压下进行高通量涂层,在层质量、层均匀性和系统正常运行时间方面优化硅基涂层工艺,并检查它们在光伏中的可用性。


图:ProConCVD系统用于在大气压下以连续工艺沉积无切口硅基层


在HighVolEpi项目中,NexWafe通过广泛的模拟和设计改进措施对现有工艺进行了优化,主要是在低金属污染和表面均匀性方面。优化措施将重组过程从实验室规模转移到在线系统,并生产出面积为156×156mm2的外延片(“EpiWafer”)。

该过程重新组织了多孔层堆叠,创建了一个分离层,允许将EpiWafer从基板上提起。除此之外,在氧化物表面上沉积厚度为几微米的多晶硅的工艺在层厚均匀性方面得到了改进。

5.最新进展

由于无需切割,EpiWafer在减薄、减少杂质、减少缺陷等方面取得了卓越的效果。目前EpiWafer能够实现120-140um的硅片厚度,常规n型电池效率达到23-24%,2022年将量产M6尺寸硅片。

NexWafe已成功展示了打破世界纪录的分离50微米晶圆的能力——大约是人类头发的直径,厚度不到传统工艺的三分之一,并计划到2024年开始大批量生产厚度小于90微米的超薄晶圆。而超薄的硅片让它们的电压比传统的Czochralski(Cz)工艺硅片更高,因而电池效率也更高。


图3:EpiWafer 60um超薄硅片


面对大尺寸的潮流,NexWafe正在努力开发210mm硅片,计划在2023年前利用NexWafe外延工艺在2×2种子晶圆上实现均匀沉积,制造厂Epinex G12。

NexWafe的生产流程为低碳未来做准备,可减少70%的二氧化碳排放。这意味着每年每生产10GW的硅片可以节省超过600万吨的二氧化碳。

6.前途无量

提高效率,减少能源和资源消耗是当今光伏发展的主要驱动力。外延生长硅片“EpiWafer外延片”,通过剥离在衬底上外延生长的硅层重组多孔硅模板,过程中仅浪费5%的硅,而传统多晶硅片制程要浪费45%左右的硅材料。EpiWafer工艺为减少硅和能源消耗提供了可能性,在保持高效率的同时降低生产成本。

Fraunhofer ISE和NexWafe不断优化工艺,将太阳能级EpiWafer成为现实,并且开发出了高吞吐量的设备,实现了将一项半导体产业的技术转移到光伏产业的低成本生产。NexWafe认为,不久的将来,Epiwafer外延晶片便将成为标准单晶硅片的一种经济高效的替代品。

由于不存在切割工艺便可生产出任意厚度的硅片,对于不断减薄的硅片来说,切割缺陷就不再存在,对于提升电池的效率也是重大的推动。NexWafe预期使用单片纯硅电池工艺,有望实现26%的光电效率。而其n型特性确保了它可替代当下的硅片匹配高效HJT、Topcon和IBC电池,未来还可与砷化镓、钙钛矿等一起制作叠层电池。

(文章来源:全球光伏)

 


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