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            EpiWafer“一躍”成為TOPCon、HJT最佳材料!

            欄目:行業動態 發布時間:2022-05-09

            近日有報道,德國Fraunhofer ISE所屬的NexWafe GmbH正在通過EpiWafer工藝開發單晶硅片,無需熔融、結晶,無需鑄錠、切割,厚度低達120um,已實現23-24%的電池效率。EpiWafer不僅顯著降低生產成本,還極為匹配n型單晶技術,將是未來TOPCon和異質結技術的最佳材料。

            EpiWafer到底是個什么“GUI”?竟然有如此魅力?

            1.兩輪融資

            2015年,初創公司NexWafe GmbH從德國FraunHofer ISE分離出來,致力于將研究所用無切口EpiWafer工藝制造太陽能硅片產品的技術推向市場并快速商業化。

            2017年2月,NexWafe從Wermuth Asset Management、Saudi Aramco Energy、Lynwood AG獲得1000萬歐元(合1100萬美元)作為首輪融資,用于在德國弗萊堡試運行一條生產“EpiWafer”基板的試驗線,以供潛在的太陽能制造客戶進行驗證和認證。NexWafe表示,首筆融資主要是用于外延反應器等工業量產設備以及硅片驗證和資格認證期間產生的費用。

            2021年10月,NexWafe從印度信實工業集團子公司Reliance New Energy Solar獲得2500萬歐元融資,加上InnoEnergy、Lynwood、Saudi Aramco Energy的1400萬歐元,合計獲得3900萬歐元的C輪融資支持。

            而Reliance還計劃通過此次融資,能夠簽署戰略合作協議,使用NexWafe的工藝和技術在印度建立一個大型太陽能硅片制造廠,這也將是NexWafe技術的首次量產化嘗試。該協議不僅讓印度實現硅片制造零突破,還將是世界上最先進的硅片技術。而僅4個月前,另一家不按套路做硅片的美國公司1366 Technologies剛宣布在印度投資3億美元建設2GW硅片工廠。

            而Reliance在2021年還從藍星集團收購了REC,擁有了REC的電池和組件產能。與NexWafe合作生產出EpiWafer產品后,根本無需擔心該硅片的后續市場應用。

            EpiWafer是個什么“GUI”,竟然獲得眾多資本青睞,并即將進入量產?

            2.別出心裁

            EpiWafer獲得眾多資本青睞的其中一點,便是NexWafe講了一個超乎想象的故事:不用熔融、長晶、切片的傳統套路生產硅片,而是別出心裁地從多晶硅的原材料氯硅烷直接生產硅片。

            傳統的硅片生產工藝是,首先將工業硅提純為高純度的多晶硅,然后再熔融、拉晶生產出硅錠,再將硅錠切割為方形的硅片。

            而從工業硅到高純多晶硅,并不是你想象的通過熔融去除雜質再提純的物理過程,而是將工業硅轉化為氯硅烷,再還原為多晶硅。這里的氯硅烷,不僅易爆,還是劇毒的氣體,這就是為什么你看到的多晶硅工廠就像是個化工廠。


            圖1:多晶硅生產工廠


            此外后續的熔融、長晶、成錠、切片過程都需要消耗大量的電能,還有將圓柱型硅棒切割成方形硅片會產生的大量邊角料,切割過程中會產生大量硅粉(與冷卻液一起成為低價值的硅泥)。4月5日云南宣布根據發改委要求取消電價優惠,直接導致4月6日隆基股價大跌5.51%。

            而此前美國1366 Technologies就講了一個不按套路出牌的故事。1366的想法是將熔融的多晶硅直接在硅片的模具中結晶,一步成型為硅片,省去了拉棒長晶、切割等多余步驟,大大降低了原材料的損耗。但該工藝由于成本高,并且單晶已經對多晶形成絕對替代,因而沒有得到推廣。

            在Fraunhofer ISE看來,1366的工藝也太復雜,從工業硅到硅片還可以進一步簡化,就像讀杜牧的“清明時節雨紛紛,路上行人欲斷魂。借問酒家何處有?牧童遙指杏花村”一樣,實在太啰嗦,完全可以簡化成“清明雨,人斷魂。酒何處?杏花村”

            Fraunhofer ISE的想法是:將由工業硅生產出的氯硅烷,直接生產出標準厚度的獨立硅片。

            由于制造價值鏈中無需生產出多晶硅料,也無需再將多晶硅料熔融后拉晶,更無需此后的切片、削邊,既節省了能源,又減少了廢料,還簡化了工藝,這個價值鏈發生了根本性的變化,與傳統的晶圓制造工藝相比,生產成本肯定會明顯降低。

            這就是EpiWafer,一種別出心裁的工藝制作的硅片。


            圖2:外延晶圓(右)與可重復使用的種子晶圓(左)分離。


            3.可行性如何?

            想法可以天馬行空,但終究要用實踐來檢驗。Fraunhofer ISE的創意,能夠生產出太陽能硅片嗎?

            不用擔心,其實Epiwafer技術并非Fraunhofer ISE的發明,在電子工業中,Epiwafer工藝已經是制造晶圓的成熟方法。

            Epiwafer翻譯成中文就是“硅外延片”。自上世紀50年代末,硅外延片便成功地應用于制造高頻大功率晶體管,為了滿足各種半導體器件的需要,相應地也產生了各樣的硅外延技術。從器件制造的角度可分為正外延和反外延,從化學組成可分為同質外延和異質外延。

            制備硅外延片的方法有氣相外延、液相外延、分子束外延等。其中以化學氣相淀積(CVD)為基礎的氣相外延是現在生產硅外延片的主流方法,常用的氣源有SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2和SiH44種,目前以SiCl4源應用最廣泛。

            在EpiWafer技術中,制造硅片可以通過將氯硅烷氣體外延沉積為厚的晶體硅層,然后在生長后將其分離,以生產標準厚度的獨立晶片,不管是n型或p型摻雜硅單晶晶片都能生產。

            這么好的技術,怎么還沒有用在太陽硅片呢?很簡單,效率和成本。既然EpiWafer是一直用于半導體電子行業,想想也知道半導體電子行業的成本是太陽能的多少倍。

            2012年全球第二大半導體硅片廠日本SUMCO公司就因為成本太高關閉了其12吋主流硅外延片的生產。SUMCO也有太陽能硅片,但也因成本太高而退出。盡管SUMCO掌握硅外延片的生產技術,但并未用于太陽能硅片的生產。

            從技術上說,太陽能行業用的硅片還需要解決一個發電的問題,和電子行業還是有區別的,而且太陽能行業需要用的硅片數量,是半導體行業的幾個數量級倍數,如何量產也是一個問題。

            這就是Fraunhofer ISE要解決的問題。

            4.從實驗室到量產

            2015年,Fraunhofer ISE報告其EpiWafers的開發取得了實質性進展,通過吸雜以充分利用外延生長晶片,消除長晶缺陷并消除缺陷的來源,制造出新型n摻雜外延晶片。分析表明,該硅片平均少數載流子壽命高于1000μs,表明與n型Cz晶片的質量相同。在這些EpiWafers上處理的太陽能電池產生了20%的光電轉化效率,太陽能電池的短路電流為39.6 mA/cm 2,這一結果被Fraunhofer ISE的CalLab實驗室獨立證實。

            2015年,Fraunhofer ISE宣布成立初創公司NexWafe GmbH,從FraunHofer ISE分離出來,致力于將用EpiWafer工藝制造太陽能硅片產品的技術推向市場并快速商業化。

            推向市場,意味著要開始用試驗線中試并量產;商業化代表著要讓客戶檢驗并得到資本市場的加持。2017年2月,NexWafe成功完成了1000萬歐元(合1100萬美元)的首輪融資。

            EpiWafer被視為傳統Cz直拉法晶圓的直接替代品。Fraunhofer ISE的研究團隊與NexWafe合作優化了EpiWafer的所有生產步驟,成功證明了EpiWafer的快速進展,創造了外延生長硅太陽能電池的世界效率紀錄。在NexWafe看來,一項改變游戲規則的技術正在誕生,它將通過以極具競爭力的價格提供高質量的插入式單晶外延晶片,加速了市場向高效組件的轉變。

            量產目的還需要實現降本。從氯硅烷中直接沉積晶體硅層對于光伏來說是一種有吸引力的選擇,可以節省大量的超純硅材料和能源。因此,基于CVD工藝和系統的長期經驗,Fraunhofer ISE開發并構建了“ProConCVD”系統,用于在大氣壓下進行高通量涂層,在層質量、層均勻性和系統正常運行時間方面優化硅基涂層工藝,并檢查它們在光伏中的可用性。


            圖:ProConCVD系統用于在大氣壓下以連續工藝沉積無切口硅基層


            在HighVolEpi項目中,NexWafe通過廣泛的模擬和設計改進措施對現有工藝進行了優化,主要是在低金屬污染和表面均勻性方面。優化措施將重組過程從實驗室規模轉移到在線系統,并生產出面積為156×156mm2的外延片(“EpiWafer”)。

            該過程重新組織了多孔層堆疊,創建了一個分離層,允許將EpiWafer從基板上提起。除此之外,在氧化物表面上沉積厚度為幾微米的多晶硅的工藝在層厚均勻性方面得到了改進。

            5.最新進展

            由于無需切割,EpiWafer在減薄、減少雜質、減少缺陷等方面取得了卓越的效果。目前EpiWafer能夠實現120-140um的硅片厚度,常規n型電池效率達到23-24%,2022年將量產M6尺寸硅片。

            NexWafe已成功展示了打破世界紀錄的分離50微米晶圓的能力——大約是人類頭發的直徑,厚度不到傳統工藝的三分之一,并計劃到2024年開始大批量生產厚度小于90微米的超薄晶圓。而超薄的硅片讓它們的電壓比傳統的Czochralski(Cz)工藝硅片更高,因而電池效率也更高。


            圖3:EpiWafer 60um超薄硅片


            面對大尺寸的潮流,NexWafe正在努力開發210mm硅片,計劃在2023年前利用NexWafe外延工藝在2×2種子晶圓上實現均勻沉積,制造廠Epinex G12。

            NexWafe的生產流程為低碳未來做準備,可減少70%的二氧化碳排放。這意味著每年每生產10GW的硅片可以節省超過600萬噸的二氧化碳。

            6.前途無量

            提高效率,減少能源和資源消耗是當今光伏發展的主要驅動力。外延生長硅片“EpiWafer外延片”,通過剝離在襯底上外延生長的硅層重組多孔硅模板,過程中僅浪費5%的硅,而傳統多晶硅片制程要浪費45%左右的硅材料。EpiWafer工藝為減少硅和能源消耗提供了可能性,在保持高效率的同時降低生產成本。

            Fraunhofer ISE和NexWafe不斷優化工藝,將太陽能級EpiWafer成為現實,并且開發出了高吞吐量的設備,實現了將一項半導體產業的技術轉移到光伏產業的低成本生產。NexWafe認為,不久的將來,Epiwafer外延晶片便將成為標準單晶硅片的一種經濟高效的替代品。

            由于不存在切割工藝便可生產出任意厚度的硅片,對于不斷減薄的硅片來說,切割缺陷就不再存在,對于提升電池的效率也是重大的推動。NexWafe預期使用單片純硅電池工藝,有望實現26%的光電效率。而其n型特性確保了它可替代當下的硅片匹配高效HJT、Topcon和IBC電池,未來還可與砷化鎵、鈣鈦礦等一起制作疊層電池。

            (文章來源:全球光伏)

             


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