EpiWafer“一躍”成為TOPCon、HJT最佳材料！

近日有報(bào)道，德國Fraunhofer ISE所屬的NexWafe GmbH正在通過EpiWafer工藝開發(fā)單晶硅片，無需熔融、結(jié)晶，無需鑄錠、切割，厚度低達(dá)120um，已實(shí)現(xiàn)23-24%的電池效率。EpiWafer不僅顯著降低生產(chǎn)成本，還極為匹配n型單晶技術(shù)，將是未來TOPCon和異質(zhì)結(jié)技術(shù)的最佳材料。

EpiWafer到底是個(gè)什么“GUI”?竟然有如此魅力?

1.兩輪融資

2015年，初創(chuàng)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(chǎn)品的技術(shù)推向市場(chǎng)并快速商業(yè)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(yùn)行一條生產(chǎn)“EpiWafer”基板的試驗(yàn)線，以供潛在的太陽能制造客戶進(jìn)行驗(yàn)證和認(rèn)證。NexWafe表示，首筆融資主要是用于外延反應(yīng)器等工業(yè)量產(chǎn)設(shè)備以及硅片驗(yàn)證和資格認(rèn)證期間產(chǎn)生的費(fèi)用。

2021年10月，NexWafe從印度信實(shí)工業(yè)集團(tuán)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(jì)獲得3900萬歐元的C輪融資支持。

而Reliance還計(jì)劃通過此次融資，能夠簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，使用NexWafe的工藝和技術(shù)在印度建立一個(gè)大型太陽能硅片制造廠，這也將是NexWafe技術(shù)的首次量產(chǎn)化嘗試。該協(xié)議不僅讓印度實(shí)現(xiàn)硅片制造零突破，還將是世界上最先進(jìn)的硅片技術(shù)。而僅4個(gè)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(shè)2GW硅片工廠。

而Reliance在2021年還從藍(lán)星集團(tuán)收購了REC，擁有了REC的電池和組件產(chǎn)能。與NexWafe合作生產(chǎn)出EpiWafer產(chǎn)品后，根本無需擔(dān)心該硅片的后續(xù)市場(chǎng)應(yīng)用。

EpiWafer是個(gè)什么“GUI”，竟然獲得眾多資本青睞，并即將進(jìn)入量產(chǎn)?

2.別出心裁

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

傳統(tǒng)的硅片生產(chǎn)工藝是，首先將工業(yè)硅提純?yōu)楦呒兌鹊亩嗑Ч?，然后再熔融、拉晶生產(chǎn)出硅錠，再將硅錠切割為方形的硅片。

而從工業(yè)硅到高純多晶硅，并不是你想象的通過熔融去除雜質(zhì)再提純的物理過程，而是將工業(yè)硅轉(zhuǎn)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(gè)化工廠。

圖1：多晶硅生產(chǎn)工廠

此外后續(xù)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(huì)產(chǎn)生的大量邊角料，切割過程中會(huì)產(chǎn)生大量硅粉(與冷卻液一起成為低價(jià)值的硅泥)。4月5日云南宣布根據(jù)發(fā)改委要求取消電價(jià)優(yōu)惠，直接導(dǎo)致4月6日隆基股價(jià)大跌5.51%。

而此前美國1366 Technologies就講了一個(gè)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(jié)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(jīng)對(duì)多晶形成絕對(duì)替代，因而沒有得到推廣。

在Fraunhofer ISE看來，1366的工藝也太復(fù)雜，從工業(yè)硅到硅片還可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，就像讀杜牧的“清明時(shí)節(jié)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(shí)在太啰嗦，完全可以簡(jiǎn)化成“清明雨，人斷魂。酒何處？杏花村”

Fraunhofer ISE的想法是：將由工業(yè)硅生產(chǎn)出的氯硅烷，直接生產(chǎn)出標(biāo)準(zhǔn)厚度的獨(dú)立硅片。

由于制造價(jià)值鏈中無需生產(chǎn)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(jié)省了能源，又減少了廢料，還簡(jiǎn)化了工藝，這個(gè)價(jià)值鏈發(fā)生了根本性的變化，與傳統(tǒng)的晶圓制造工藝相比，生產(chǎn)成本肯定會(huì)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(fù)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(shí)踐來檢驗(yàn)。Fraunhofer ISE的創(chuàng)意，能夠生產(chǎn)出太陽能硅片嗎?

不用擔(dān)心，其實(shí)Epiwafer技術(shù)并非Fraunhofer ISE的發(fā)明，在電子工業(yè)中，Epiwafer工藝已經(jīng)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(jì)50年代末，硅外延片便成功地應(yīng)用于制造高頻大功率晶體管，為了滿足各種半導(dǎo)體器件的需要，相應(yīng)地也產(chǎn)生了各樣的硅外延技術(shù)。從器件制造的角度可分為正外延和反外延，從化學(xué)組成可分為同質(zhì)外延和異質(zhì)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(xué)氣相淀積(CVD)為基礎(chǔ)的氣相外延是現(xiàn)在生產(chǎn)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(yīng)用最廣泛。

在EpiWafer技術(shù)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(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)厚度的獨(dú)立晶片，不管是n型或p型摻雜硅單晶晶片都能生產(chǎn)。

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

2012年全球第二大半導(dǎo)體硅片廠日本SUMCO公司就因?yàn)槌杀咎哧P(guān)閉了其12吋主流硅外延片的生產(chǎn)。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(chǎn)技術(shù)，但并未用于太陽能硅片的生產(chǎn)。

從技術(shù)上說，太陽能行業(yè)用的硅片還需要解決一個(gè)發(fā)電的問題，和電子行業(yè)還是有區(qū)別的，而且太陽能行業(yè)需要用的硅片數(shù)量，是半導(dǎo)體行業(yè)的幾個(gè)數(shù)量級(jí)倍數(shù)，如何量產(chǎn)也是一個(gè)問題。

這就是Fraunhofer ISE要解決的問題。

4.從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)

2015年，F(xiàn)raunhofer ISE報(bào)告其EpiWafers的開發(fā)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)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(shù)載流子壽命高于1000μs，表明與n型Cz晶片的質(zhì)量相同。在這些EpiWafers上處理的太陽能電池產(chǎn)生了20%的光電轉(zhuǎn)化效率，太陽能電池的短路電流為39.6 mA/cm 2，這一結(jié)果被Fraunhofer ISE的CalLab實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立證實(shí)。

2015年，F(xiàn)raunhofer ISE宣布成立初創(chuàng)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(chǎn)品的技術(shù)推向市場(chǎng)并快速商業(yè)化。

推向市場(chǎng)，意味著要開始用試驗(yàn)線中試并量產(chǎn)；商業(yè)化代表著要讓客戶檢驗(yàn)并得到資本市場(chǎng)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(tǒng)Cz直拉法晶圓的直接替代品。Fraunhofer ISE的研究團(tuán)隊(duì)與NexWafe合作優(yōu)化了EpiWafer的所有生產(chǎn)步驟，成功證明了EpiWafer的快速進(jìn)展，創(chuàng)造了外延生長硅太陽能電池的世界效率紀(jì)錄。在NexWafe看來，一項(xiàng)改變游戲規(guī)則的技術(shù)正在誕生，它將通過以極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格提供高質(zhì)量的插入式單晶外延晶片，加速了市場(chǎng)向高效組件的轉(zhuǎn)變。

量產(chǎn)目的還需要實(shí)現(xiàn)降本。從氯硅烷中直接沉積晶體硅層對(duì)于光伏來說是一種有吸引力的選擇，可以節(jié)省大量的超純硅材料和能源。因此，基于CVD工藝和系統(tǒng)的長期經(jīng)驗(yàn)，F(xiàn)raunhofer ISE開發(fā)并構(gòu)建了“ProConCVD”系統(tǒng)，用于在大氣壓下進(jìn)行高通量涂層，在層質(zhì)量、層均勻性和系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間方面優(yōu)化硅基涂層工藝，并檢查它們?cè)诠夥械目捎眯浴?/span>

圖：ProConCVD系統(tǒng)用于在大氣壓下以連續(xù)工藝沉積無切口硅基層

在HighVolEpi項(xiàng)目中，NexWafe通過廣泛的模擬和設(shè)計(jì)改進(jìn)措施對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行了優(yōu)化，主要是在低金屬污染和表面均勻性方面。優(yōu)化措施將重組過程從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模轉(zhuǎn)移到在線系統(tǒng)，并生產(chǎn)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(chuàng)建了一個(gè)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(jìn)。

5.最新進(jìn)展

由于無需切割，EpiWafer在減薄、減少雜質(zhì)、減少缺陷等方面取得了卓越的效果。目前EpiWafer能夠?qū)崿F(xiàn)120-140um的硅片厚度，常規(guī)n型電池效率達(dá)到23-24%，2022年將量產(chǎn)M6尺寸硅片。

NexWafe已成功展示了打破世界紀(jì)錄的分離50微米晶圓的能力——大約是人類頭發(fā)的直徑，厚度不到傳統(tǒng)工藝的三分之一，并計(jì)劃到2024年開始大批量生產(chǎn)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(tǒng)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(duì)大尺寸的潮流，NexWafe正在努力開發(fā)210mm硅片，計(jì)劃在2023年前利用NexWafe外延工藝在2×2種子晶圓上實(shí)現(xiàn)均勻沉積，制造廠Epinex G12。

NexWafe的生產(chǎn)流程為低碳未來做準(zhǔn)備，可減少70%的二氧化碳排放。這意味著每年每生產(chǎn)10GW的硅片可以節(jié)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(dāng)今光伏發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)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(fèi)5%的硅，而傳統(tǒng)多晶硅片制程要浪費(fèi)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(shí)降低生產(chǎn)成本。

Fraunhofer ISE和NexWafe不斷優(yōu)化工藝，將太陽能級(jí)EpiWafer成為現(xiàn)實(shí)，并且開發(fā)出了高吞吐量的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了將一項(xiàng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)移到光伏產(chǎn)業(yè)的低成本生產(chǎn)。NexWafe認(rèn)為，不久的將來，Epiwafer外延晶片便將成為標(biāo)準(zhǔn)單晶硅片的一種經(jīng)濟(jì)高效的替代品。

由于不存在切割工藝便可生產(chǎn)出任意厚度的硅片，對(duì)于不斷減薄的硅片來說，切割缺陷就不再存在，對(duì)于提升電池的效率也是重大的推動(dòng)。NexWafe預(yù)期使用單片純硅電池工藝，有望實(shí)現(xiàn)26%的光電效率。而其n型特性確保了它可替代當(dāng)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）