近日有報道，德國Fraunhofer ISE所屬的NexWafe GmbH正在通過(guò)EpiWafer工藝開(kāi)發(fā)單晶硅片，無(wú)需熔融、結晶，無(wú)需鑄錠、切割，厚度低達120um，已實(shí)現23-24%的電池效率。EpiWafer不僅顯著(zhù)降低生產(chǎn)成本，還極為匹配n型單晶技術(shù)，將是未來(lái)TOPCon和異質(zhì)結技術(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(lái)，致力于將研究所用無(wú)切口EpiWafer工藝制造太陽(yáng)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(wàn)歐元(合1100萬(wàn)美元)作為首輪融資，用于在德國弗萊堡試運行一條生產(chǎn)“EpiWafer”基板的試驗線(xiàn)，以供潛在的太陽(yáng)能制造客戶(hù)進(jìn)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(yè)量產(chǎn)設備以及硅片驗證和資格認證期間產(chǎn)生的費用。

2021年10月，NexWafe從印度信實(shí)工業(yè)集團子公司Reliance New Energy Solar獲得2500萬(wàn)歐元融資，加上InnoEnergy、Lynwood、Saudi Aramco Energy的1400萬(wàn)歐元，合計獲得3900萬(wàn)歐元的C輪融資支持。

而Reliance還計劃通過(guò)此次融資，能夠簽署戰略合作協(xié)議，使用NexWafe的工藝和技術(shù)在印度建立一個(gè)大型太陽(yáng)能硅片制造廠(chǎng)，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2GW硅片工廠(chǎng)。

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(chǎn)能。與NexWafe合作生產(chǎn)出EpiWafer產(chǎn)品后，根本無(wú)需擔心該硅片的后續市場(chǎng)應用。

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(cháng)晶、切片的傳統套路生產(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(guò)熔融去除雜質(zhì)再提純的物理過(guò)程，而是將工業(yè)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(chǎng)就像是個(gè)化工廠(chǎng)。

圖1：多晶硅生產(chǎn)工廠(chǎng)

此外后續的熔融、長(cháng)晶、成錠、切片過(guò)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(guò)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日云南宣布根據發(fā)改委要求取消電價(jià)優(yōu)惠，直接導致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晶，一步成型為硅片，省去了拉棒長(cháng)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)對多晶形成絕對替代，因而沒(méi)有得到推廣。

在Fraunhofer ISE看來(lái)，1366的工藝也太復雜，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)節雨紛紛，路上行人欲斷魂。借問(wèn)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)出標準厚度的獨立硅片。

由于制造價(jià)值鏈中無(wú)需生產(chǎn)出多晶硅料，也無(wú)需再將多晶硅料熔融后拉晶，更無(wú)需此后的切片、削邊，既節省了能源，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(lái)檢驗。Fraunhofer ISE的創(chuàng )意，能夠生產(chǎn)出太陽(yáng)能硅片嗎?

不用擔心，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(mǎn)足各種半導體器件的需要，相應地也產(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)為基礎的氣相外延是現在生產(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源應用最廣泛。

在EpiWafer技術(shù)中，制造硅片可以通過(guò)將氯硅烷氣體外延沉積為厚的晶體硅層，然后在生長(cháng)后將其分離，以生產(chǎn)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(chǎn)。

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

2012年全球第二大半導體硅片廠(chǎng)日本SUMCO公司就因為成本太高關(guān)閉了其12吋主流硅外延片的生產(chǎn)。SUMCO也有太陽(yáng)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(yáng)能硅片的生產(chǎn)。

從技術(shù)上說(shuō)，太陽(yáng)能行業(yè)用的硅片還需要解決一個(gè)發(fā)電的問(wèn)題，和電子行業(yè)還是有區別的，而且太陽(yáng)能行業(yè)需要用的硅片數量，是半導體行業(yè)的幾個(gè)數量級倍數，如何量產(chǎn)也是一個(gè)問(wèn)題。

這就是Fraunhofer ISE要解決的問(wèn)題。

4.從實(shí)驗室到量產(chǎn)

2015年，Fraunhofer ISE報告其EpiWafers的開(kāi)發(fā)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，通過(guò)吸雜以充分利用外延生長(cháng)晶片，消除長(cháng)晶缺陷并消除缺陷的來(lái)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(zhì)量相同。在這些EpiWafers上處理的太陽(yáng)能電池產(chǎn)生了20%的光電轉化效率，太陽(yáng)能電池的短路電流為39.6 mA/cm 2，這一結果被Fraunhofer ISE的CalLab實(shí)驗室獨立證實(shí)。

2015年，Fraunhofer ISE宣布成立初創(chuàng )公司NexWafe GmbH，從FraunHofer ISE分離出來(lái)，致力于將用EpiWafer工藝制造太陽(yáng)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(zhù)要開(kāi)始用試驗線(xiàn)中試并量產(chǎn)；商業(yè)化代表著(zhù)要讓客戶(hù)檢驗并得到資本市場(chǎng)的加持。2017年2月，NexWafe成功完成了1000萬(wàn)歐元(合1100萬(wàn)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(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(cháng)硅太陽(yáng)能電池的世界效率紀錄。在NexWafe看來(lái)，一項改變游戲規則的技術(shù)正在誕生，它將通過(guò)以極具競爭力的價(jià)格提供高質(zhì)量的插入式單晶外延晶片，加速了市場(chǎng)向高效組件的轉變。

量產(chǎn)目的還需要實(shí)現降本。從氯硅烷中直接沉積晶體硅層對于光伏來(lái)說(shuō)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(cháng)期經(jīng)驗，Fraunhofer ISE開(kāi)發(fā)并構建了“ProConCVD”系統，用于在大氣壓下進(jìn)行高通量涂層，在層質(zhì)量、層均勻性和系統正常運行時(shí)間方面優(yōu)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(wú)切口硅基層

在HighVolEpi項目中，NexWafe通過(guò)廣泛的模擬和設計改進(jìn)措施對現有工藝進(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(guò)程從實(shí)驗室規模轉移到在線(xiàn)系統，并生產(chǎn)出面積為156×156mm2的外延片(“EpiWafer”)。

該過(guò)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(wú)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能夠實(shí)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(chǎn)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(lèi)頭發(fā)的直徑，厚度不到傳統工藝的三分之一，并計劃到2024年開(kāi)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(kāi)發(fā)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(shí)現均勻沉積，制造廠(chǎng)Epinex G12。

NexWafe的生產(chǎn)流程為低碳未來(lái)做準備，可減少70%的二氧化碳排放。這意味著(zhù)每年每生產(chǎn)10GW的硅片可以節省超過(guò)600萬(wàn)噸的二氧化碳。

6.前途無(wú)量

提高效率，減少能源和資源消耗是當今光伏發(fā)展的主要驅動(dòng)力。外延生長(cháng)硅片“EpiWafer外延片”，通過(guò)剝離在襯底上外延生長(cháng)的硅層重組多孔硅模板，過(guò)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(shí)降低生產(chǎn)成本。

Fraunhofer ISE和NexWafe不斷優(yōu)化工藝，將太陽(yáng)能級EpiWafer成為現實(shí)，并且開(kāi)發(fā)出了高吞吐量的設備，實(shí)現了將一項半導體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)轉移到光伏產(chǎn)業(yè)的低成本生產(chǎn)。NexWafe認為，不久的將來(lái)，Epiwafer外延晶片便將成為標準單晶硅片的一種經(jīng)濟高效的替代品。

由于不存在切割工藝便可生產(chǎn)出任意厚度的硅片，對于不斷減薄的硅片來(lái)說(shuō)，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(dòng)。NexWafe預期使用單片純硅電池工藝，有望實(shí)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(lái)還可與砷化鎵、鈣鈦礦等一起制作疊層電池。

（文章來(lái)源：全球光伏）