基于定向凝固工藝的高效多晶硅錠制備技術

高明霞 朱遠國 張杰

摘 要：提高硅片質(zhì)量是提高太陽電池裝換效率的重要途徑之一。文章通過籽晶誘導形核，硅料融化過程中控制籽晶保留高度為20mm，長晶過程中控制固液界面形狀和長晶速率來改善硅晶體生長過程，提高晶粒尺寸的均勻性。研究表明，采用定向凝固技術制備粒徑大小均勻多晶硅錠，可使太陽電池的轉(zhuǎn)化效率提高0.3%。

關鍵詞：定向凝固；高效；溫度梯度；太陽電池

引言

硅片質(zhì)量和電池制備工藝是影響太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素，多晶硅片質(zhì)量的改善很大程度上取決于多晶硅定向凝固技術。從定向凝固技術的發(fā)展來看，最初是研究柱狀多晶硅的生長，后來發(fā)展到類單晶技術。類單晶技術在2006年由BPSolar研制成功，需要在坩堝底部平鋪一層晶向相同的單晶硅塊作籽晶使硅錠晶向與籽晶一致，而在實際生產(chǎn)過程中由于溫度梯度和凝固界面的缺陷，使得類單晶邊緣出現(xiàn)碎多晶而降低了硅錠產(chǎn)出率[1]。再后來研究大晶粒技術，即具有顯著大尺寸晶粒的多晶硅。該技術需在初始形核階段準確控制溫度梯度，且對提升電池效率效果不明顯而并沒有發(fā)展起來。近幾年又出現(xiàn)了高效多晶硅錠技術，用該類技術制備的多晶硅片制成太陽電池，其光電轉(zhuǎn)化效率比用普通多晶硅片制成的太陽電池要高0.5%左右。主要代表產(chǎn)品有賽維LDK高效多晶硅片M2、M3，其高效多晶硅片晶粒較小，位錯等缺陷較少，制成的太陽電池平均轉(zhuǎn)換率比用普通工藝高0.3%-0.5%；保利協(xié)鑫鑫多晶S2、S3硅片具有碳、氧及金屬雜質(zhì)濃度低、少子壽命高、摻雜分布均勻等特點。另外還有新日光的A+++硅片、鎮(zhèn)江環(huán)太硅科技有限公司的高效多晶硅片、臺灣中美晶研發(fā)出A4+整錠高效多晶硅片效率17.8%等等[2]。目前該工藝成為高效硅片發(fā)展的主要方向。

文章論述了一種基于定向凝固工藝的高效多晶硅的鑄錠方法，采用法國ECM公司生產(chǎn)的PV450多晶硅鑄錠爐，利用Semilab少子壽命測試儀（μ-PCD）及紅外探傷儀（IR）等測試手段，研究一種新高效鑄錠方法，利用此方法加工的太陽電池效率比普通電池要高0.4-0.6%。

1 實驗

1.1 坩堝準備

高溫熔化長晶過程中，熔融Si和石英坩堝主要成分SiO2的反應生成氣態(tài)SiO，高溫下逸出后與石墨制品反應形成CO氣體，CO進入硅熔體中，容易形成間隙氧和替位碳[3]，導致所制成的太陽能電池短路，電池效率急劇降低。為避免雜質(zhì)影響硅錠質(zhì)量，先在坩堝底部坩堝內(nèi)壁涂覆高純度的氮化硅涂層。

1.2 裝料

將硅片加工過程中產(chǎn)生的崩邊、線痕、缺角等不合格硅片，通過篩網(wǎng)加工分選得到粒徑大小為5mm左右碎硅片，將加工好的碎硅片均勻鋪在石英坩堝底部作為高效硅錠生長的籽晶誘導形核[4][5]，厚度約30mm，碎硅片上面用多晶邊皮料、頭尾料覆蓋，防止硅料在高溫融化過程中碎硅片上浮，將硅原料、摻雜元素按照級配標準共計540-550kg裝入840×840×480mm石英坩堝里，投入多晶硅鑄錠爐準備運行。

1.3 定向生長

在硅料融化過程中，控制加熱器頂部溫區(qū)溫度為1550℃、側(cè)面溫區(qū)溫度為1518℃，使硅料融化過程中從坩堝頂部向坩堝底部穩(wěn)定融化。在融化過程中，采用長晶速率測試裝置，實時監(jiān)測硅料融化情況，既要通過加熱對熔體進行均勻化處理，又要防止籽晶被完全融化。在底部籽晶高度剩20mm時鑄錠工藝由融化階段進入長晶階段，由籽晶進行誘導形核。在長晶初期熱門關閉，底部迅速成核，達到（100、110、112）晶向為主的效果。長晶過程中調(diào)節(jié)頂部加熱器的溫度在1435-1413℃，側(cè)部加熱器的調(diào)節(jié)溫度為1432-1400℃，同時底部散熱熱門打開比例范圍為0-85%，自下而上定向生長，具體工藝曲線圖如圖1所示。

在定向生長過程中通過加熱器溫度和熱門開度的配合，達到減少水平面溫差和熔化慣性的目的，使坩堝內(nèi)部形成穩(wěn)定縱向的溫度梯度、橫向等溫的溫度環(huán)境，保持硅錠以1.3±0.1cm/h的速率穩(wěn)定生長，從而獲得柱狀多晶硅錠。長晶速率測試結(jié)果如圖2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 普通工藝和高效工藝EL測試

普通工藝和高效工藝制備的多晶硅錠EL測試圖見圖3。是從底部形核并逐漸向上生長，不同的是添加籽晶的高效工藝制備的多晶硅錠相比普通工藝，晶粒在垂直于固液界面的方向自下而上生長、長大為柱狀晶體，切割后的硅片晶粒尺寸大小為1-2cm的“小花”，分布均勻（外觀圖如圖4所示），這種結(jié)構(gòu)Al、Ca等雜質(zhì)元素可以均勻分布在整個晶粒區(qū)域，從而顯著提高硅錠的強度，提高切片成品率；同時雜質(zhì)元素在晶界處不發(fā)生偏聚，可以降低少數(shù)載流子在晶界處的復合能力，有利于提高太陽電池的電性能。普通硅錠結(jié)晶過程中在側(cè)部、底部方向產(chǎn)生側(cè)向分支，支晶尖端進一步發(fā)展成枝晶而形成胞狀晶結(jié)構(gòu)的微小晶粒，導致出現(xiàn)細晶區(qū)域，相鄰晶體間發(fā)生雜質(zhì)元素的富集，在結(jié)晶面容易出現(xiàn)位錯、層錯和亞晶界等結(jié)構(gòu)缺陷，其電性能較差，降低硅片質(zhì)量，從而降低太陽電池的電性能。

2.2 電池實驗

在同一條生產(chǎn)線采用高效硅片和普通硅片制備太陽電池。高效多晶硅片制成太陽電池后的電池性能參數(shù)見表1。電池效率集中分布在17.4%-17.8%，而用普通工藝制備的太陽電池的轉(zhuǎn)換效率為17.4%左右。

3 機理分析

高效多晶硅的特征主要體現(xiàn)在晶粒形貌和尺寸上，而多晶硅的晶粒形貌和尺寸除熱場結(jié)構(gòu)影響外，很大程度則取決于工藝過程，主要包括結(jié)晶界面形狀、界面前沿的溫度梯度、結(jié)晶速度等參數(shù)。

固液界面的形狀主要取決于以下公式：

（1）

式中，G為固液界面前沿液相中的實際溫度梯度；R為結(jié)晶速度；m為相圖中液相線斜率；D為液相中溶質(zhì)的擴散系數(shù)；k0為平衡分配系數(shù)[6][7]。

定向凝固過程中，通過加熱器三區(qū)控溫單元精確控制固液界面前沿處溫度梯度G，利用底部熱門開度配合三區(qū)控溫單元控制結(jié)晶速度R，使G/R的比值滿足公式（1）。從而抑制固液界面前沿產(chǎn)生成分過冷區(qū)，獲得柱狀晶組織；同時可使下凹狀固液界面向平面狀過渡。這也保證了柱狀晶生長方向垂直于凝固界面，得到適合制備太陽電池的高效多晶硅鑄錠[8]。

文章研究的重點是在硅料融化和長晶過程中精確控制固液界面的前沿溫度梯度和結(jié)晶速度，保證固液界面的平坦，減少細晶出現(xiàn)幾率，得到粒徑大小均勻的柱狀晶。即在熔化進入最高溫度后，減緩硅料融化速度，使固液界面盡量平整，中心、邊角部位的硅料同步熔化。同時硅料時間加長，熔融態(tài)的硅料中的雜質(zhì)有足夠的時間被氬氣帶到熔體表面，能有效減少硅料中的雜質(zhì)含量，提高定向凝固效率。在長晶初期用籽晶誘導形核，調(diào)整通過加熱器溫度和熱門打開比例，使硅晶體結(jié)晶溫度位于梯度區(qū)的一維溫度場中，形成一維的溶質(zhì)分凝條件，從而獲得理想的平面結(jié)晶界面，得到徑向無偏析的晶體而改善晶體生長過程和提高晶體質(zhì)量。另外從應力角度考慮，平面結(jié)晶界面有利于減少由于復雜的溫度場和熱應力場造成位錯等缺陷，從而減少隱裂和碎片的幾率。

4 結(jié)束語

在坩堝底部鋪設籽晶誘導形核，在融化過程中控制籽晶保留高度為20mm，長晶過程中精確控制結(jié)晶界面前沿溫度梯度，從而有效控制固液界面和長晶速度，制備晶粒大小均勻的高效多晶硅片，制得太陽電池轉(zhuǎn)換效率比普通硅片高0.3%左右。

參考文獻

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