單晶體和多晶體的性質(zhì)和區(qū)別 - 全文

　　什么是單晶體

　　單晶體是指樣品中所含分子（原子或離子）在三維空間中呈規(guī)則、周期排列的一種固體狀態(tài)。化學(xué)藥物中的原料藥（一般由單一成分組成）在合適的溶劑系統(tǒng)中經(jīng)重結(jié)晶可得到適合X射線衍射使用的單晶樣品，其大小約為0.5mm左右。例如：雪花、食鹽小顆粒等。單晶體是半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)上的重要材料。

　　單晶體簡介

　　固態(tài)物質(zhì)分為晶體和非晶體。晶體分為單晶體，多晶體。

　　晶體有三個特征：1、晶體有一定的幾何外形，2、晶體有固定的熔點(diǎn)，3、晶體有各向異性的特點(diǎn)。

　　單晶體是原子排列規(guī)律相同，晶格位相一致的晶體。例如：單晶硅

　　單晶體：整塊晶體由一顆晶粒組成，或是能用一個空間點(diǎn)陣圖形貫穿整個晶體。

　　多晶體是由很多排列方式相同但位向不一致的小晶粒組成。例如：常用的金屬。

　　多晶體：整塊晶體由大量晶粒組成，或是不能用一個空間點(diǎn)陣圖形貫穿整個晶體。

　　單晶體具有晶體的三個特征。

　　多晶體具有前兩項(xiàng)特征，但具有各向同性的特點(diǎn)。

　　什么是多晶體

　　整個物體是由許多雜亂無章的排列著的小晶體組成的，這樣的物體叫多晶體。

　　例如：常用的金屬。原子在整個晶體中不是按統(tǒng)一的規(guī)則排列的，無一定的外形，其物理性質(zhì)在各個方向都相同。

　　如：由許多食鹽單晶體粘在一起而成大塊的食鹽。

　　多晶體有確定熔點(diǎn)。

　　單晶與多晶有什么區(qū)別？

　　歷史上最早用于生產(chǎn)太陽能電池的硅片并不像今日使用專門的設(shè)備生產(chǎn)的單晶硅片或者多晶硅片，而是使用半導(dǎo)體晶圓的邊角余料或者殘次品，價格相當(dāng)昂貴。隨著半導(dǎo)體晶圓的合格率逐漸提高，市場可供應(yīng)的殘次品晶圓越來越少。當(dāng)人們希望普及硅基太陽能電池的時候，還沒有出現(xiàn)專門的太陽能單晶硅生產(chǎn)設(shè)備，半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)太陽能電池的成本令人望而生畏，人們轉(zhuǎn)而使用澆鑄、鑄錠、定向凝固的方法生產(chǎn)晶體硅錠，這就是所謂“多晶硅片”的來源，雖然品質(zhì)較差，但成本有了明顯下降。到上世紀(jì)80年代初期，專門用于生產(chǎn)太陽能單晶硅的技術(shù)逐漸成熟，這一時期，歐洲、美國、中國誕生了大量10KW以上、1MW以上的太陽能電站，這些電站上使用單晶硅生產(chǎn)的組件至今仍在穩(wěn)定發(fā)電，30年的累計(jì)衰減還不到20%，足見單晶功率的穩(wěn)定性。

　　單晶電池和多晶電池的初始原材料都是原生多晶硅，類似于微晶狀態(tài)存在。要具備發(fā)電能力，就必須將微晶狀態(tài)的硅制成晶體硅，而晶體硅的晶向需要精確控制。單晶電池和多晶電池在制程上唯一無法輕易互換的就是晶體生長環(huán)節(jié)。在這個環(huán)節(jié)，原生多晶硅在單晶爐內(nèi)會生產(chǎn)成單一晶向、無晶界、位錯缺陷和雜質(zhì)密度極低的單晶硅棒，如下圖所示：

　　多晶晶體的生長工藝本身決定了它無法生長出大面積單一晶向的晶體（單晶），多晶的本質(zhì)就是大量的小單晶的集合體，如下圖所示：

　　多晶鑄錠的小單晶顆粒之間的晶界會降低電池的發(fā)電能力，多晶鑄錠本身簡單粗暴的工藝使得它更容易大規(guī)模擴(kuò)張，但是卻無法將位錯缺陷和雜質(zhì)密度控制在較低水平，這些要素?zé)o一不在影響著多晶的少數(shù)載流子壽命。

　　組件功率衰減分為初始光衰和長期衰減兩類，單晶綜合性能優(yōu)異

　　在組件封裝材料可靠的前提下，影響單晶組件和多晶組件可靠性差異的關(guān)鍵因素就是功率衰減指標(biāo)。它分為初始光衰和長期衰減兩類。人類最早從1970年代前后研究組件衰減問題，經(jīng)過數(shù)十年探索發(fā)現(xiàn)，單晶和多晶在這兩類衰減上表現(xiàn)有很大差異。

　　目前的單晶電池以P型為主，這種電池在日照2-3周后會發(fā)生2%~3%的快速功率衰減，原因是晶體生長中使用硼作為摻雜劑，同時有較多的氧原子混雜，替位硼和間隙氧在光照下激發(fā)形成較深能級缺陷，引起載流子復(fù)合和電池性能衰退。但是，這種衰退在退火作用下是可以恢復(fù)的。太陽能電池的功率在4個月或更長時間（取決于日照強(qiáng)度和時間）內(nèi)會發(fā)生恢復(fù)，到1年后，累計(jì)衰減大約是2.5%~3%，并趨于穩(wěn)定。

　　多晶電池不存在上述問題，但是由于本身無法克服的高雜質(zhì)濃度和位錯缺陷的影響，在日照下電池性能會持續(xù)衰退到3%左右，并且不會出現(xiàn)恢復(fù)現(xiàn)象。

　　目前市場上多晶組件功率保證是第1年97%~97.5%，25年80%，也就是說，第一年初始光衰穩(wěn)定后，以后每年衰減0.71%~0.73%。單晶組件由于使用完美晶體結(jié)構(gòu)的硅材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，第1年功率保證是97%，25年保證83.8%，第2~25年平均每年衰減僅0.5%，這些指標(biāo)是組件廠商可以寫入合同的保證值，也是保險(xiǎn)公司愿意承保的指標(biāo)。如果多晶組件提出25年功率保證高于單晶，保險(xiǎn)公司也很難答應(yīng)。

　　單晶優(yōu)勢無法超越

　　在過去幾十年內(nèi)，無論單晶電池還是多晶電池，生產(chǎn)工藝都非常粗糙，沒有把晶體硅材料的性能充分發(fā)揮出來，轉(zhuǎn)換效率的差異也不太明顯。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，晶體硅材料的發(fā)電性能利用程度不斷被刷新，由于單晶材料本身的高品質(zhì)特征、多晶材料本身無法克服的高位錯密度和高雜質(zhì)缺陷，每一種新技術(shù)的導(dǎo)入都必然引致單晶相對多晶的轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢擴(kuò)大。目前P型單晶相對多晶的平均轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢是1.5個百分點(diǎn)，當(dāng)PERC技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化時，單晶效率提升了0.8-1個百分點(diǎn)，多晶效率只能提升0.5-0.6個百分點(diǎn)。今后，IBC、HIT等更多高效技術(shù)會導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，單晶的優(yōu)勢還會進(jìn)一步擴(kuò)大。

　　個體優(yōu)勢與整體優(yōu)勢

　　單晶相對多晶的優(yōu)勢是整體優(yōu)勢。不排除個別企業(yè)在單晶領(lǐng)域技術(shù)落后，以3-5年之前的單晶技術(shù)和現(xiàn)在的多晶技術(shù)比較，在這種個體情況下，單晶的功率穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率可能會體現(xiàn)出一定的劣勢。如果放在同一基準(zhǔn)線上，在組件功率相差15瓦的情況下，單晶和多晶價格差異將被EPC成本差異所覆蓋，單晶電站投資成本低于多晶。不排除市面上能夠看到極少量的270W、275W或更高功率的多晶組件（60片電池封裝規(guī)格，下同），但是它的組件成本必然會高于275W單晶組件，并且1-2年內(nèi)必然無法批量供應(yīng)。簡而言之，光伏發(fā)電是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化供應(yīng)的、具有性價比優(yōu)勢的技術(shù)路線才是市場競爭中的王者，單純追求價格優(yōu)勢或者某一方面概念優(yōu)勢的技術(shù)只能作為一個特定時期的過渡。