材料是社會進步的重要物質條件，半導體產業近年來已成為材料產業中備受矚目的焦點。從沙子到晶片直至元器件的制造和創新，都需要應用不同的表征與檢測方法去了解其特殊的物理化學性能，從而為生產工藝的改進提供科學依據。儀器信息網策劃了“半導體檢測”專題，特別邀請到布魯克光譜中國區總經理趙躍就此專題發表看法。

布魯克光譜中國區總經理 趙躍

趙躍先生擁有超過20年科學分析儀器領域豐富的從業經歷，先后服務于四家跨國企業，對于科學分析儀器以及材料研發行業具有深刻理解，促進了快速引進國外先進技術服務于中國的科研創新和產業升級。

2020年9月，習近平主席在第75屆聯合國大會上，明確提出中國力爭在2030年前實現“碳達峰”，2060年前實現“碳中和”的目標。“雙碳”目標的直接指向是改變能源結構，即從主要依靠化石能源的能源體系，向零碳的風力、光伏和水電轉換。加快能源結構調整，大力發展光伏等新能源是實現“碳達峰、碳中和”目標的必然選擇。目前，光伏產業已成為我國少有的形成國際競爭優勢、并有望率先成為高質量發展典范的戰略性新興產業，也是推動我國能源變革的重要引擎。

太陽能光伏是通過光生伏特效應直接利用太陽能的綠色能源技術。2021年，全球晶硅光伏電池產能達到423.5GW，同比增長69.8%；總產量達到223.9GW，同比增長37%。中國大陸電池產能繼續領跑全球，達到360.6GW，占全球產能的85.1%；總產量達到197.9GW，占全球總產量的88.4%。

截止到2021年底，我國光伏裝機量為3.1億千瓦時。據全球能源互聯網發展合作組織預測，到2030、2050、2060年我國光伏裝機量將分別達到10、32.7、35.51億千瓦時，到2060年光伏的裝機量將是今天的10倍以上。從發電量來看，雖然其發電容量仍只占人類用電總量的很小一部分，不過，從2004年開始，接入電網的光伏發電量以年均60%的速度增長，是當前發展速度最快的能源。2021年我國光伏發電量3259億千瓦時，同比增長25.1％，全年光伏發電量占總發電量比重達4％。預計到2030年，我國火力發電將從目前的49%下降至28%，光伏發電將上升至27%。預計2030年之后，光伏將超越火電成為所有能源發電中最重要的能源，

光伏新能源作為一種可持續能源替代方式，經過幾十年發展已經形成相對成熟且有競爭力的產業鏈。在整個光伏產業鏈中，上游以晶體硅原料的采集和硅棒、硅錠、硅片的加工制作為主；產業鏈中游是光伏電池和光伏組件的制作，包括電池片、封裝EVA膠膜、玻璃、背板、接線盒、逆變器、太陽能邊框及其組合而成的太陽能電池組件、安裝系統支架；產業鏈下游則是光伏電站系統的集成和運營。

硅料是光伏行業中最上游的產業，是光伏電池組件所使用硅片的原材料，其市場占有率在90%以上，而且在今后相當長一段時期也依然是光伏電池的主流材料。在2011年以前，多晶硅料制備技術一直掌握在美、德、日、韓等國外廠商手中，國內企業主要依賴進口。近幾年隨著國內多晶硅料廠商在技術及工藝上取得突破，國外廠商對多晶硅料的壟斷局面被打破。我國多晶硅料生產能力不斷提高，綜合能耗不斷下降，生產管理和成本控制已達全球領先水平。2021年，全球多晶硅總產量64.2萬噸，其中中國多晶硅產量50.5萬噸，約占全球總產品的79%。全球前十硅料生產企業中中國有7家，世界多晶硅料生產中心已移至中國，我國多晶硅料自給率大幅提升。與此同時，在多晶硅直接下游硅片生產中，因單晶硅片純度更高，轉化效率更高， 消費占比也不斷走高，至 2020 年，單晶硅片占比已達 90%的水平。

用于光伏生產的太陽能級多晶硅料一般純度在6N～9N之間。無論對于上游的硅料生產，還是單晶硅片、多晶硅片生產，硅中氧含量、碳含量、III族、V族施主、受主元素含量、氮含量測量是硅材料界非常重要的課題，直接影響硅片電學性能。故準確測試上游硅料、單晶硅片中相應雜質元素含量顯得尤為必要、重要。在過去的十幾年中，ASTM International（前身為美國材料與試驗協會）已經對上述雜質元素的定量分析方法提出了國際普遍通行的標準，其中，分子振動光譜學方法因其相對低廉的設備成本、快速、無損、高靈敏度的測試過程，以及較低的檢測下限，倍受業內從事品質控制的機構和組織的青睞。值得一提的是，我國也在近幾年陸續制定和出臺了多個以分子振動光譜學為品控方法的相關行業標準 （見附錄）。這標志著我國硅料生產與品控規范進入了更成熟、更完善、更科學、更自主的新階段。

德國布魯克集團，作為分子振動光譜儀器領域的領軍企業，幾十年來堅持為工業生產和科學研究提供先進方法學的助力。由布魯克光譜（Bruker Optics）研發制造的CryoSAS全自動、高靈敏度低溫硅分析系統，基于傅立葉變換紅外光譜技術，專為工業環境使用而設計。順應ASTM及我國相關標準中的測試要求，此系統可以室溫和低溫下（＜15K）工作，通過測試中/遠紅外波段（1250-250cm-1）硅單晶紅外吸收光譜（此波段紅外吸光光譜涵蓋了硅晶體中間隙氧，代位碳，III-V族施主、受主元素以及氮氧復合體吸收譜帶。），可以直接或間接計算出相應雜質元素含量值。檢測下限可低至ppta(施主，受主雜質)和ppba量級(代位碳，間隙氧)，很好地滿足了上游硅料品控的要求，為中游光伏電池和光伏組件的制作打下了扎實的原料品質基礎。隨著硅晶原料產能的逐年提高，布魯克公司的 CryoSAS儀器作為光伏產業鏈上游的重要品控工具之一，已在全球硅料制造業中達到了極高的保有量。

隨著需求的提升，電子級硅的生產需求也在持續增加。布魯克公司紅外光譜技術也有成熟的方案和設備，目前國內已有多個用戶采用并取得了良好的效果。

低溫下(~12 K)，硅中碳測試結果（上圖），硅中硼、磷測試結果（下圖）

附錄：

產品國家標準：

《GB/T 25074 太陽能級多晶硅》

《GB/T 25076 太陽能電池用硅單晶》

測試方法國家標準：

《GB/T 1557 硅晶體中間隙氧含量的紅外吸收測量方法》

《GB/T 1558 硅中代位碳原子含量紅外吸收測量方法》

《GB/T 35306 硅單晶中碳、氧含量的測定 低溫傅立葉變換紅外光譜法》

《GB/T 24581 硅單晶中III、V族雜質含量的測定 低溫傅立葉變換紅外光譜法》