Noticias de SMM el 16 de mayo:
01 ¿Qué es una oblea?
En la ola de la tecnología moderna, las obleas brillan como estrellas brillantes en diversos campos de la industria de la información electrónica. Los paneles solares comunes que se ven en los techos no pueden prescindir de las obleas, un material central.
Una oblea es una delgada lámina compuesta de silicio, un elemento ubicado en el Grupo 14 de la tabla periódica con un número atómico de 14. Es un material semiconductor con propiedades eléctricas únicas, capaz de funcionar entre conductores y aislantes, lo que lo convierte en un material clave para la fabricación de diversos dispositivos electrónicos.
02 Clasificación de las obleas
¿Silicio monocristalino? ¿Polisilicio? ¿Cuáles son sus similitudes y diferencias? La diferencia fundamental entre el silicio monocristalino y el polisilicio radica en sus estructuras cristalinas. Los átomos de silicio se disponen en muchos núcleos cristalinos en una red de diamante. Si estos núcleos cristalinos crecen hasta formar granos con la misma orientación del plano cristalino, se forma silicio monocristalino. Si crecen hasta formar granos con diferentes orientaciones del plano cristalino, se forma polisilicio.
(I) Oblea de silicio monocristalino
En el campo de la energía solar fotovoltaica, las obleas suelen referirse a obleas de silicio monocristalino. La función principal de las obleas de silicio monocristalino comunes es utilizar la energía solar fotovoltaica para la generación de electricidad y como materia prima para la calefacción. Las obleas de silicio monocristalino se cortan de lingotes de silicio monocristalino de alta pureza, con un requisito de pureza que suele alcanzar las 5 nueves, es decir, silicio puro al 99,999 %. El silicio monocristalino tiene una disposición atómica regular, presentando una estructura cristalina perfecta. Esta estructura confiere a las obleas de silicio monocristalino excelentes propiedades eléctricas y mecánicas.
Actualmente, las obleas de silicio monocristalino se dividen principalmente en dos categorías: obleas de tipo N y obleas de tipo P. La distinción entre las obleas de tipo N y las de tipo P radica principalmente en los diferentes átomos dopados durante la etapa de silicio intrínseco. Por ejemplo, dopar elementos pentavalentes (como fósforo, arsénico) en el silicio intrínseco forma silicio monocristalino de tipo N, mientras que dopar elementos trivalentes (como boro, galio) en el silicio intrínseco forma silicio monocristalino de tipo P. La siguiente figura muestra las estructuras reticulares del silicio monocristalino de tipo N y tipo P (P a la izquierda, N a la derecha).
Utilizando polisilicio de alta pureza como materia prima, se emplean tecnologías de extracción de cristales como el método CZ (método de Czochralski) o FZ (método de zona flotante) para convertir el polisilicio en lingotes de silicio monocristalino. El método de Czochralski consiste en sumergir un cristal semilla en líquido de silicio fundido, girarlo lentamente y tirar de él hacia arriba para permitir que los átomos de silicio se organicen ordenadamente sobre el cristal semilla, formando un lingote de silicio monocristalino. El método de zona flotante utiliza calentamiento por inducción de alta frecuencia para fundir localmente el lingote de silicio, aprovechando las características de crecimiento de los cristales para obtener lingotes de silicio monocristalino de alta pureza. Una vez obtenidos los lingotes de silicio monocristalino, es necesario cortarlos en láminas delgadas, seguidas de procesos como el rectificado y el pulido para obtener obleas de silicio monocristalino con superficies lisas y dimensiones precisas.
Las principales especificaciones de las obleas de silicio monocristalino incluyen: tipo N 183, tipo N 210 y tipo N 210R. Estos tres tipos de obleas son las obleas grandes más comunes en el mercado. Las obleas restantes de tipo P incluyen principalmente 182 y tipo P 210. Otros tamaños comunes anteriores incluyen M6 (166 mm), que se ha ido eliminando gradualmente, así como el tamaño de transición G1 (158,75 mm) y el tamaño común anterior M2 (156,75 mm). Además, hay obleas de silicio rectangulares de otros modelos, como M10D, M10L, M10DL, etc., así como obleas de silicio rectangulares de 182,2×191,6 mm.
(II) Obleas de Polisilicio
Las obleas de polisilicio se cortan de lingotes de polisilicio. La disposición atómica del polisilicio es desordenada, compuesta por muchos cristalitos pequeños. Por lo tanto, las obleas de polisilicio no tienen distinciones de tipo N o tipo P. Debido a su disposición desordenada, su rendimiento eléctrico es inferior al de las obleas de silicio monocristalino, pero su preparación es relativamente simple y rentable. El método de fundición se utiliza comúnmente para preparar lingotes de polisilicio. El polisilicio de alta pureza se funde y se vierte en un molde, donde se enfría y solidifica para formar un lingote de silicio policristalino. Luego, el lingote se corta, se rectifica y se pulimenta para obtener obleas de silicio policristalino.
Las obleas de silicio policristalino se utilizan principalmente en el campo de las células solares. Aunque su eficiencia de conversión fotoeléctrica es ligeramente inferior a la de las obleas de silicio monocristalino, siguen siendo ampliamente utilizadas en proyectos de generación de energía fotovoltaica a gran escala debido a sus importantes ventajas en costos. Muchos de los paneles solares que se ven en algunas centrales solares y sistemas domésticos de generación de energía solar están hechos de obleas de silicio policristalino.
(III) Obleas de Silicio Amorfo
Las obleas de silicio amorfo, o silicio amorfo, son un tipo de material semiconductor amorfo. Su disposición atómica carece de una periodicidad obvia, presentando un estado desordenado. El método común para preparar obleas de silicio amorfo es la deposición en fase vapor, como la descomposición por descarga luminiscente y la pulverización catódica. La descomposición por descarga luminiscente implica descomponer gases como el silano en una cámara de vacío bajo la influencia de un campo eléctrico de alta frecuencia, lo que hace que los átomos de silicio se depositen en un sustrato y formen una película de silicio amorfo. La pulverización catódica implica bombardear un blanco de silicio con iones de alta energía, lo que hace que los átomos de silicio se pulvericen sobre un sustrato y formen una película de silicio amorfo.
Las obleas de silicio amorfo se utilizan principalmente en campos como las células solares de película delgada y los sensores. En las células solares de película delgada, se pueden fabricar células solares flexibles para su uso en aplicaciones especiales, como mochilas solares y automóviles solares. En el campo de los sensores, las obleas de silicio amorfo se pueden utilizar para fabricar sensores fotosensibles, sensores de temperatura, etc.
03 Métodos de Preparación de Obleas de Silicio
El proceso de fabricación de obleas de silicio monocristalino no es complejo. La materia prima principal es el polisilicio de alta pureza, y los pasos clave principales incluyen la extracción de cristales, el corte, el rectificado, la detección y el embalaje.
(I) Extracción de Cristales
En primer lugar, es necesario transformar el polisilicio de alta pureza en lingotes de silicio monocristalino. Este proceso implica dos métodos de producción: el método Czochralski (CZ) y el método de Zona Flotante (FZ). En el campo de la energía solar fotovoltaica, el método CZ es el más comúnmente utilizado, representando el 85 % de la producción de silicio monocristalino. El principio consiste en sumergir una semilla de cristal en silicio fundido, girarla y estirarla lentamente hacia arriba, permitiendo que los átomos de silicio se organicen ordenadamente sobre la semilla de cristal, formando un lingote de silicio monocristalino.
En primer lugar, se apilan y colocan polisilicio y dopantes (como boro y fósforo) en un crisol de cuarzo, calentándolos a 1420 °C para fundirlos. El silicio fundido obtenido es un paso crítico para distinguir entre materiales de tipo N y tipo P, ya que las materias primas añadidas en esta etapa determinan el tipo. Una semilla de cristal (una pequeña pieza de silicio monocristalino) se baja lentamente hasta entrar en contacto con el fundido. Al controlar la velocidad de estirado (aproximadamente 1-5 mm/min) y el gradiente de temperatura, se cultiva un lingote de silicio monocristalino. Los diámetros comunes incluyen 6 pulgadas (150 mm), 8 pulgadas (200 mm) y 12 pulgadas (300 mm). La siguiente figura muestra una demostración del proceso de estirado de cristal.
(II) Corte, Rectificación y Pulido
Durante el proceso de estirado de cristal, es difícil controlar el diámetro del lingote de silicio monocristalino. La figura muestra las especificaciones técnicas para el estirado de cristal en un horno monocristalino.
Al lingote de silicio monocristalino estirado se le eliminan la cabeza, la cola y los bordes para obtener un lingote de silicio cilíndrico. Para lograr diámetros estándar como 6 pulgadas, 8 pulgadas y 12 pulgadas, la oblea de silicio se somete a un laminado de diámetro exterior después del estirado de cristal, lo que generalmente requiere que la tasa de concentricidad del lingote de silicio sea inferior al 1 %. Esto se hace para eliminar las desviaciones de diámetro durante la producción. Después de esto, el lingote de silicio monocristalino se cuadra, transformando la oblea de silicio cilíndrica en un lingote cuadrado regular (por ejemplo, 156 mm×156 mm, 182 mm×182 mm, etc.). La superficie del lingote cuadrado se pule para eliminar la capa de óxido y las rebabas, facilitando el corte posterior. Después del pulido, el lingote de silicio se fija en una mesa de corte. El alambre de diamante se tensa (la separación entre los alambres depende del grosor de la oblea de silicio). A través de la circulación de mortero (fluido de corte + carburo de silicio), el alambre de diamante se mueve hacia adelante y hacia atrás a alta velocidad (velocidad del alambre de 10-20 m/s), cortando el lingote de silicio en rodajas delgadas (grosor de 150-200 μm, siendo las obleas de silicio de tipo N más delgadas, alcanzando menos de 130 μm). La siguiente figura muestra un diagrama esquemático de la estructura lateral de un lingote de silicio después de la extracción del cristal.
El espesor de la oblea de silicio monocristalino después del corte inicial suele ser de 150-200 μm (para aplicaciones fotovoltaicas). En esta etapa, la oblea de silicio monocristalino no cumple con los requisitos para la fabricación de células. La superficie de la oblea de silicio monocristalino tiene cierto daño y rugosidad, por lo que es necesario realizar un rectificado para eliminar la capa superficial dañada y lograr el espesor y la planicidad requeridos de la oblea de silicio. Se utiliza una rectificadora, con abrasivo de carburo de silicio y una solución alcalina (como NaOH) como medio, para rectificar ambos lados de la oblea de silicio, garantizando que el error de planicidad superficial sea < 5 μm. Los bordes se redondean y, finalmente, se realiza un pulido. Se debe prestar especial atención al pulido de los bordes de la oblea de silicio por separado para eliminar las esquinas afiladas y reducir el riesgo de fugas en los bordes durante la preparación de las células. La superficie de la oblea se vuelve lisa y plana, con una rugosidad (Ra) ≤ 0,1 nm. En este punto, es posible que aún haya algunas otras impurezas en la superficie de la oblea, que requieren una limpieza adicional.
Primero, realizar un lavado alcalino: Utilizar una solución de NaOH para eliminar los residuos de corte (mortero) y los iones metálicos de la superficie. Paso 2: Lavado ácido: Utilizar una mezcla de HF/HNO₃ para eliminar la capa de óxido superficial y las impurezas de metales pesados. Enjuague con agua desionizada: Se realizan múltiples limpiezas por ultrasonido para garantizar que no queden residuos de partículas en la superficie (tamaño de partícula < 1 μm). Después de la limpieza, la producción de la oblea está básicamente terminada. Sin embargo, aún se desconoce la calidad de la oblea producida. Por lo tanto, se requiere una detección final.
(III) Detección y embalaje
Una vez finalizada la producción de la oblea, se llevan a cabo una serie de detecciones de rendimiento en la oblea para garantizar que cumpla con los requisitos posteriores de fabricación de células. Cada productor de obleas tiene diferentes estándares para la calidad de las obleas, que se clasifican principalmente en grado A, grado B y grado C. La calidad de la oblea se evalúa principalmente en los siguientes aspectos: calidad de la apariencia, precisión dimensional, resistividad, vida útil de las portadoras minoritarias, defectos cristalinos, etc. Primero, medir las dimensiones físicas de la oblea, incluidos la longitud, el ancho y el espesor. Por último, se mide la planicidad y las propiedades mecánicas relacionadas. Al medir las propiedades eléctricas, el método de la sonda de cuatro puntos se utiliza comúnmente para medir la resistividad de la oblea. El rango de resistividad de las obleas de tipo N suele ser de 0,5-2 Ω・cm. Además, también se requiere la prueba de portadores minoritarios, que generalmente se realiza mediante el método de decaimiento de la fotoconductancia por microondas. La luz pulsada inyecta portadores y un sensor de microondas detecta la curva de decaimiento de la conductividad para ajustar y obtener la vida útil de los portadores minoritarios (τ). Cabe señalar que este método de prueba debe realizarse en un entorno de cámara oscura. Cuanto mayor sea la vida útil, menor será la recombinación de portadores y mayor será la eficiencia de la célula. La vida útil de los portadores minoritarios de las obleas de tipo N suele ser de 500 μs.
Además de las propiedades físicas y eléctricas, el contenido de impurezas en la oblea también es un factor importante para determinar la calidad de la oblea, como el contenido de oxígeno. Por lo general, las impurezas en el silicio se clasifican en dos categorías: impurezas metálicas e impurezas no metálicas. Para determinar las impurezas metálicas, se utiliza comúnmente la espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS). Normalmente, se toma una muestra de la oblea, se disuelve en ácido y luego se detectan los elementos metálicos traza mediante un espectrómetro de masas. Normalmente, se requiere que la concentración total de impurezas metálicas sea ≤ 1×10¹⁵ átomos/cm³. Para la determinación del contenido de carbono y oxígeno, se utiliza un espectrómetro de infrarrojos: utilizando las características de absorción infrarroja de los enlaces silicio-oxígeno y silicio-carbono, se miden el contenido de oxígeno (el contenido de oxígeno de la oblea Cz suele ser de 1-1,5×10¹⁸ átomos/cm³) y el contenido de carbono (≤ 5×10¹⁶ átomos/cm³).
Una vez que un lote de obleas pasa la inspección, aún deben someterse a un proceso de embalaje antes de ser enviadas a la planta de fabricación de células solares. El objetivo principal es proteger la integridad física y la estabilidad del rendimiento eléctrico de la oblea. Mediante un diseño de embalaje refinado (antiestático, a prueba de humedad y a prueba de golpes), se reduce la pérdida de obleas durante la circulación. Las obleas generalmente se embalan y transportan en cajas de embalaje para obleas.
(IV) Introducción a los materiales auxiliares
Varios materiales auxiliares son indispensables en la producción de obleas de silicio monocristalino. Estos materiales, que pueden afectar la calidad de las obleas, incluyen principalmente crisoles y alambres de diamante.
Los crisoles de cuarzo son los consumibles centrales para el crecimiento monocristalino en la producción de obleas. Las características centrales de los crisoles de cuarzo son su resistencia a altas temperaturas, alta pureza y ausencia de manchas negras y burbujas. La pared interior suele estar recubierta con una película resistente a altas temperaturas para reducir la contaminación y la erosión del fundido de silicio.
Los crisoles de cuarzo suelen dividirse en tres capas. La capa más interna es un recubrimiento de BaO (en contacto directo con el polisilicio a temperaturas superiores a 1420 °C), que requiere una pureza extrema (impurezas metálicas <5 ppm) y suele recubrirse con un espesor de 5-10 μm. Su propósito es formar una película protectora de silicato de bario para inhibir la erosión del cuarzo por el fundido de silicio. La capa media proporciona principalmente soporte estructural y suele estar hecha de SiO₂ con una pureza superior al 99,95 %. La capa exterior se utiliza principalmente para mejorar la resistencia del crisol y resistir el estrés térmico.
El segundo material auxiliar clave es el alambre de corte, es decir, el alambre de diamante utilizado. Los alambres de diamante se clasifican en dos tipos: alambres de diamante aglomerados con resina y alambres de diamante galvanizados. En el campo de la energía solar fotovoltaica, los alambres de diamante aglomerados con resina se utilizan normalmente para cortar obleas de silicio monocristalino.
Los alambres de diamante aglomerados con resina constan de dos partes: un alambre interno de acero al carbono (50-150 μm) recubierto con polvo de silicio de diamante artificial, formando un alambre de diamante con un diámetro de 50-150 μm. El alambre de acero al carbono (que contiene 0,8-1,2 % de C, con una resistencia a la tracción >2500 MPa) tiene su superficie fijada con micro polvo de diamante (tamaño de partícula 5-40 μm, concentración 20-30 partículas/mm) mediante un adhesivo de resina (resina fenólica + agente de acoplamiento). El alambre de diamante se mueve a alta velocidad de ida y vuelta bajo la guía de la rueda guía (velocidad del alambre 10-20 m/s), mientras que el lingote de silicio se corta verticalmente en la malla de alambre a una velocidad de 0,1-0,5 mm/min, completando el proceso de corte del lingote de silicio en obleas.
04 Historia de desarrollo y tendencias futuras de las obleas
(I) Grosor de las obleas - Adelgazamiento
El grosor de las obleas ha mostrado una tendencia al adelgazamiento con el avance de la tecnología industrial y la necesidad de reducir costes. En los primeros días de las empresas fotovoltaicas, alrededor del año 2000, los grosores de las obleas se encontraban principalmente en el rango de 300 μm a 400 μm, limitados principalmente por las pérdidas de la tecnología de corte con pasta y los requisitos de resistencia mecánica de las obleas. En ese momento, las pérdidas de polisilicio eran relativamente altas, pero las obleas más gruesas eran relativamente más fáciles de manejar.
El período comprendido entre 2000 y 2010 fue un período de rápidos avances en la tecnología fotovoltaica. Durante estos diez años, el grosor de las obleas disminuyó de 300 μm a 400 μm a 150 μm a 180 μm. El período comprendido entre 2010 y 2020 se caracterizó por un rápido adelgazamiento de las obleas. La razón principal de la reducción del grosor de las obleas durante esta fase fue la adopción de la tecnología de corte con hilo de diamante, que reemplazó gradualmente al corte con pasta.
Desde 2010, la tecnología de corte con hilo de diamante ha seguido avanzando, con el diámetro del hilo de diamante disminuyendo continuamente. La mejora en la resistencia de las obleas también ha contribuido al adelgazamiento de las mismas. Tecnologías como la pasivación de bordes y el dopaje láser han mejorado la resistencia a las grietas de las obleas, lo que permite el uso de obleas más delgadas. En general, la evolución del grosor de las obleas ha pasado de obleas de silicio policristalino más gruesas a obleas de silicio monocristalino, pasando de los 300 μm a 400 μm iniciales a los 100 μm actuales. La tecnología ha avanzado continuamente y el grosor de las obleas ha disminuido constantemente.
(II) Tamaño de las obleas: tamaños más grandes
Antes de 2012, los tamaños de las obleas aumentaron continuamente. En las primeras etapas de la producción de obleas, influenciadas por la tecnología de obleas semiconductoras, los tamaños de las obleas fotovoltaicas eran relativamente pequeños y dispersos. Además, la tecnología de corte con pasta de ese momento limitaba tanto el grosor como el tamaño de las obleas, con las obleas de silicio policristalino dominando el mercado, mientras que las obleas de silicio monocristalino estaban en sus inicios.
El período comprendido entre 2012 y 2018 se caracterizó por el establecimiento de la estandarización. Durante este tiempo, las empresas de primer nivel presentaron conjuntamente la oblea M2 (156,75 mm), que posteriormente se convirtió en el estándar unificado de la industria. Alcanzó su punto máximo en 2018, capturando el 85 % de la cuota de mercado ese año. Para entonces, el polisilicio había sido gradualmente reemplazado por las obleas de silicio monocristalino.
Desde 2018, el mercado de obleas ha entrado en una fase de competencia por tamaños más grandes. En 2018, Jinko presentó la oblea G1 (158,75 mm). En 2019, LONGi lanzó la oblea M6 (166 mm), que aumentó el área en un 15 % en comparación con la M2, con una potencia de módulo superior a 400 W. Ese mismo año, TCL Zhonghuan presentó la oblea G12 (210 mm), que aumentó el área en un 60,8 % en comparación con la M6, marcando el inicio de una era de potencia ultraalta. En 2020, LONGi, en colaboración con Jinko y JA Solar Technology, presentaron conjuntamente la oblea M10 (182 mm), que equilibra la potencia y la compatibilidad de la cadena industrial.
Hasta la fecha, las obleas de silicio monocristalino de tipo N, principalmente en tamaños de 183 mm, 210R y 210, han dominado el mercado. Como se puede ver en la figura, el mercado ha evolucionado desde una variedad de tamaños de obleas en las primeras etapas hasta un mercado estandarizado dominado por un solo tamaño en la etapa intermedia, y ahora hasta un mercado dominado por obleas de mayor tamaño. Las tres especificaciones principales que permanecen son la serie 182 cuadrada, la micro rectangular y la 210.
(III) Concentración de la capacidad de producción de obleas
Desde 2015, la tendencia general de la capacidad de producción de obleas ha sido hacia la concentración, pasando de un mercado altamente competitivo con numerosos participantes en las primeras etapas a un mercado en el que las cinco principales empresas (CR5) representan la mayor parte de la cuota de mercado. De 2016 a 2020, se observó un patrón de duopolio (CR2 superior al 50 %), principalmente debido al lanzamiento conjunto de la oblea tipo M2 por parte de estas empresas de primer nivel, que se convirtió en el estándar unificado de la industria. Posteriormente, después de 2021, los nuevos participantes (Shuangliang y Gokin Solar) rompieron el monopolio, lo que hizo que la cuota de CR5 retrocediera hasta alrededor del 60 %. En 2024, con el aumento de la capacidad de producción de los productores integrados como Jinko y JA Solar Technology, la cuota de CR5 ha disminuido aún más. Sin embargo, el mercado de obleas aún muestra una concentración industrial general, con una disminución significativa en el número de pequeños productores.
05 Tendencias de producción de obleas y principales productores
(I) Crecimiento interanual de las instalaciones fotovoltaicas
En 2015, la Administración Nacional de Energía (NEA) definió claramente por primera vez la política de "Alivio de la Pobreza Fotovoltaica", promoviendo la implementación de proyectos fotovoltaicos distribuidos rurales. Desde entonces, las instalaciones fotovoltaicas de China han mostrado una tendencia general al alza interanual. Las instalaciones experimentaron una disminución temporal en 2018-2019 debido a la Política 531 y a la fase de transición del polisilicio al silicio monocristalino, con políticas que se orientaban hacia la competencia de mercado. En el mismo año, 2019, el coste nivelado de la electricidad (LCOE) de la energía fotovoltaica (FV) se acercó al de la energía generada con carbón. Desde entonces, las instalaciones fotovoltaicas han entrado en una fase de rápido crecimiento interanual. En la actualidad, con la tendencia inevitable hacia el desarrollo de energías limpias, las instalaciones se mantienen en un nivel elevado. Además, con los avances en la tecnología de conexión a la red y la estandarización industrial, la energía fotovoltaica distribuida aún tiene un importante potencial de instalación.
(II) Principales productores de obleas y sus capacidades de producción
A continuación, se presentan los principales productores de obleas. Esta lista incluye principalmente empresas que venden obleas a terceros. Entre ellas, LONGi es una empresa integrada, pero debido a su gran capacidad de producción de obleas, también se dedica a la exportación de obleas. Sin embargo, empresas como Jinko y JA Solar Technology, mencionadas anteriormente, están altamente integradas y rara vez venden chips a terceros, utilizándolos principalmente para uso interno. Por lo tanto, no se incluyen en esta lista. La tabla muestra que existen ciertas diferencias en las principales especificaciones de obleas ofrecidas por cada productor, pero la mayoría se centra en la producción y venta de obleas de tipo N y de gran tamaño.
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