一、国内的硅晶体生长行业：单晶欲独霸市场

2017年以后，随着PERC 、HIT等高效电池技术的推广使用，单晶硅电池的光电转换效率从原来的18~19%大幅提高到21~23%。单晶硅电池片效率的提升等于拉低了单晶电池光伏组件和光伏电站的成本单价。表1列出了2020年一季度多晶铸锭与单晶拉制的硅片在各环节的成本情况。

   由上表可见，虽然铸锭的多晶硅料便宜，铸锭成本也远比CZ法单晶拉制低，多晶硅片的成本也比单晶硅片低0.5元/片，但由于单晶效率的提升（上表是按照PERC工艺的22.2%计算的），导致按瓦计算的硅片成本只比单晶硅片低0.04元/瓦；但到电池片环节后，由于效率低于单晶，常规多晶电池片按照每瓦计算的话，已经与单晶电池片持平。到了组件环节，虽然每块组件的非电池片成本多晶电池工艺还低一些，但折合到每瓦，多晶组件成本为1.49元/瓦，比单晶组件的1.36元/瓦还高；到了电站安装环节，则常规多晶电池组件的光伏电站成本为3.75元/瓦，而单晶硅片电站的成本仅为3.16元/瓦。多晶组件电站比单晶组件电站高出18.6%。如果采用单晶硅建电站为1亿元，用常规多晶电池片制作的组件投资要多出1860万元。

简单的计算可以得知，即便常规多晶硅片免费赠送给电池厂，采用该多晶硅片加工的组件，最终的电站成本也达到3.32元/瓦，仍比单晶硅片的3.16元/瓦要高。这就是为什么没有人愿意要多晶硅片进行常规电池片生产的原因。

表１还列出了多晶黑硅电池片的数据。据协鑫公布的数据，多晶黑硅可达到21%的平均转换率，据此，采用多晶黑硅电池的光伏电站的成本为3.27元／瓦，比单晶PERC电池高出11.4%。进一步计算可知，当后续工序采用黑硅电池工艺时，多晶硅片售价在1.2元/片时，光伏电站的单价为3.16元/瓦，与单晶电池组件的电站成本持平。这就是为什么目前有的多晶硅片能够以1.2元/片进行销售，但这个价格下，硅片厂每片要亏损0.3 元。

据《光伏新闻》统计，到2020年4月份，全国共有6000余台多晶硅铸锭炉，开工的只有不到1500台（估计是为了完成之前签订的订单），其余全部停产。数年前单晶硅厂的命运，现在轮到了多晶硅厂家。有些财大气粗的多晶硅铸锭厂家为了生存，已经开始甩卖多晶硅铸锭炉，开始采购单晶炉；但更多的多晶硅铸锭厂家由于各种原因则只能停产观望。

多晶硅铸锭行业需要一个新的工艺革命，这个工艺革命就是铸锭单晶。

二、铸锭单晶的发展

铸锭单晶（Casting mono-Crystalline ）是指采用在常规的多晶硅铸锭工艺基础上，在坩埚的硅料底部加入单晶籽晶，通过定向凝固后形成方形单晶硅锭的工艺。由于铸锭单晶能够以略高于多晶硅铸锭的成本（比多晶硅铸锭成本高出约10~20%，但仍比直拉单晶低50%以上），达到接近直拉单晶的转换效率。由于铸锭单晶工艺与铸锭多晶工艺的设备比较接近，原多晶硅铸锭炉可以花少量投资即可将多晶铸锭炉改造为铸锭单晶炉，即便要更换设备，除了购买新的铸锭单晶炉，其余设备（开方、研磨、倒角等）可以全部沿用。更重要的是，铸锭单晶与直拉单晶相比，产量大、成本低，具有较大的竞争优势，因此铸锭单晶工艺能够使原来从事多晶硅铸锭的厂家绝处逢生，竞争优势将再度领先直拉单晶厂家。

铸锭单晶工艺其实并不是新的单晶生长工艺，金属单晶的铸造工艺从两百年前就开始使用，至今仍然在用。目前，有论文可查的较早的完成硅铸锭单晶是1974年美国可再生能源实验室的Ted Ciszek，他用一块五厘米见方的籽晶，通过铸造的方法长出了一块硅单晶，还对其中的缺陷进行了研究。但CZ法诞生后，由于其的简便和较高的晶体质量，迅速在半导体行业普及，占据了硅单晶生长的主流。在光伏产业的硅晶体生长环节，早期（从1970年到2005年）一直是直拉单晶独霸天下的。2006年以后，随着多晶硅电池技术的发展，多晶硅电池片也达到了接近单晶硅片的水平，由于市场对光伏发电成本下降的需求，多晶铸锭以自己的低成本得到迅速发展，并且仅用了三四年就占据了主导地位，最高时市场份额达到了80%之多，早期的多晶硅铸锭炉厂家美国GTSolar和德国ALD 开始都是试图进行铸造单晶的设备研制的，但后来发现多晶硅铸锭市场好，都转向了多晶硅铸锭。2012年到2015年间，很多直拉单晶硅厂停产，把单晶炉当废钢处理掉，好不凄凉！这与目前多晶硅厂家遇到的情况极为类似。想到数年前单晶硅厂家的这种现象，不知道现在的多晶硅厂家能否以“天道轮回”来安慰一下自己？

我国有不少多晶硅铸锭厂家于2010年到2012年间开展过铸锭单晶的试验。比如晶澳太阳能、英利等都进行了铸锭单晶的开发，进行了小批量生产。可能至今还存在现在业内人士记忆中“PANDA”、“MAPLE”等系列光伏组件，就是采用铸锭单晶制造的，当时这个时期的硅铸锭单晶也被称为“准单晶”工艺，准单晶工艺的在这个时期的复苏是由于市场要求光伏成本下降的需求而产生的，但因为当时多晶硅与单晶硅效率相差不大，且当时的“准单晶”工艺由于各厂家试验时间段短，因此在单晶质量方面还存在不少问题；随后由于小晶粒、黑硅等高效多晶技术的产生，使得铸锭单晶当时似乎失去了继续研究的意义，很多厂家对铸锭单晶技术浅尝辄止。

到了2018年，由于PERC、TOPCon、BSF 等工艺的应用，单晶硅电池效率大幅提高到21%以上，铸锭单晶工艺再次进入行业各企业的视线。协鑫硅材料、荣德、阿特斯等公司都开始再次进行铸锭单晶的实验，并取得一定的进展。2019年11月的CSPV会议上，保利协鑫的汪晨宣布了协鑫的G4铸锭单晶的转换效率达到了22.4%，而且，还发现铸锭单晶的电池组件在发电过程中，光致衰减要比直拉单晶电池的表现还要有优势；镇江环太集团的张志强则宣布了环太公司对于固液界面形状、热应力和热场温度梯度对于铸锭单晶的质量的影响；南通苏民新能源的马胜则发布了用铸锭单晶采用PERC、MBB、激光SE、黑硅、双面电池等电池工艺技术叠加（正泰太阳能也对类似工艺技术进行了研究）进行铸锭单晶光伏电池的效果，平均效率达到了24.2%；海宁正泰的殷涵玉、余浩则分别介绍了采用PERC工艺对铸锭单晶硅片制作电池的电学性能、效率分布、光学分析、光致衰减等进行了分析，以及在电池工艺中的工艺改进提高铸锭单晶效率的方法，其公布的铸锭单晶电池平均效率达到了22.4%以上；镇江荣德的常传波则介绍了荣德公司通过对铸锭单晶中的籽晶的晶向选择和拼接缝控制、功能晶界的引入、长晶速率的控制和固液界面的控制，大大降低了铸锭单晶中位错等缺陷的存在数量，从而提高铸锭单晶的质量；江西赛维的徐云飞、袁帅则分别介绍了其通过提高热场底部温度减少铸锭单晶中的阴影的研究工作以及铸锭单晶的缺陷阻挡研究工作；阿特斯公司的张达奇等则对铸锭单晶的LeTID（高温光致衰减）进行了研究。此外，浙江大学硅材料研究所的余学功、上海交大太阳能所的吕镱、西安交大的刘立军等、江苏大学的齐小方等也都从不同方面针对铸锭单晶进行了深入的理论性和基础性研究。

根据目前这些已经公布的关于铸锭单晶的进展，会给人感觉铸锭单晶在多晶硅铸锭的低成本下，质量已经与直拉单晶相差无几。鉴于铸锭单晶相对于直拉单晶的低成本，按说硅晶体生长企业应当全部向铸锭单晶转移，直拉单晶已经没有什么优势了。但是，2020年，中国新增的光伏产业硅晶体生长的产能中，产能扩充最大的几家公司如隆基、通威、晶科、爱旭等全部新增产能都是直拉单晶炉设备，而协鑫、天合这些过去以多晶硅铸锭为主的厂也在大量新增直拉单晶产能（尤其是协鑫，一面宣布铸锭单晶的大好局面，却又大量新增直拉单晶产能），现在只有苏州阿特斯一方面还有不少多晶铸锭炉在生产，另一方面也在积极进行铸锭单晶的研究，而大多数多晶硅铸锭厂则已经停产了。这种情况说明，铸锭单晶的研究进展虽然一派大好，但实际生产中一定还存在着的一些问题，这些问题严重影响着众多硅晶体生长企业对铸锭单晶的采用。

下面我们就来分析一下铸锭单晶在实际生产中存在的问题。

（未完待续，共上、中、下三部分）