原生大尺寸籽晶對(duì)高效多晶硅鑄錠質(zhì)量的影響

湖南紅太陽光電科技有限公司■黃美玲 明亮 段金剛 劉福剛 邱昊 黃俊

0 引言

2017年，我國光伏發(fā)電新增裝機(jī)量為52.83 GW，同比增長3.7倍，全國光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)量達(dá)到130.25 GW。光伏市場發(fā)展迅速，高效多晶硅光伏組件仍是市場主流的光伏產(chǎn)品，其襯底材料——多晶硅錠的制備主要采用定向凝固鑄造法[1-2]。目前，主流的高效多晶硅鑄錠技術(shù)是同質(zhì)籽晶輔助外延生長制備工藝與異質(zhì)籽晶形核生長制備工藝[3-6]。同質(zhì)籽晶輔助外延生長制備工藝是指在裝料時(shí)先將硅料鋪設(shè)于石英坩堝底部，并保留硅料不被完全熔化，以未熔化的硅料籽晶為形核點(diǎn)生長多晶晶粒，再定向凝固生長出多晶硅錠。硅料籽晶在晶體生長初期能夠降低或避免在形核階段由坩堝底部直接形核的概率，降低甚至消除了晶體形核生長所需克服的勢(shì)壘，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鑄造多晶硅初始生長階段晶粒形貌的有效控制。生長晶粒大小均勻的鑄造多晶硅，有利于降低鑄造晶體的位錯(cuò)密度，提高鑄造多晶硅的質(zhì)量。

根據(jù)籽晶粒徑和形貌的不同，可以充當(dāng)籽晶材料的物質(zhì)包括顆粒料、碎多晶、碎硅片和多晶硅塊等，其中，較常用的是碎多晶籽晶。籽晶的差異對(duì)多晶硅錠質(zhì)量的影響已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注[7-8]。本文以籽晶輔助生長多晶硅技術(shù)為基礎(chǔ)，分析了原生大尺寸籽晶對(duì)高效多晶硅鑄錠質(zhì)量的影響，并同常規(guī)碎多晶籽晶制備的多晶硅錠進(jìn)行了對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)使用的多晶硅鑄錠爐為中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所研發(fā)生產(chǎn)的R13680-1/UM型G6多晶硅鑄錠爐，其加熱器為頂側(cè)5面加熱結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備與儀器的名稱、型號(hào)及供應(yīng)商如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備與儀器的名稱、型號(hào)及供應(yīng)商

硅錠投料重量約為850 kg，實(shí)驗(yàn)分別選取了原生大尺寸硅料和碎多晶硅料作為籽晶；石英坩堝裝料后送入多晶硅鑄錠爐，經(jīng)過抽空、加熱和熔化，再定向凝固生長成多晶硅錠。多晶硅錠經(jīng)過多線開方機(jī)加工成36塊硅方，用紅外探傷儀、少子壽命測試儀對(duì)硅方進(jìn)行檢測，分析多晶晶粒生長和硅方的位錯(cuò)分布情況。多晶硅方經(jīng)過切片后，按不同高度各選取硅片，利用光致發(fā)光(Photoluminescence，PL)設(shè)備觀察硅片的位錯(cuò)分布，最后對(duì)比了兩種籽晶形核生長的多晶硅片的光電轉(zhuǎn)換效率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 原生大尺寸籽晶的加工與裝料

實(shí)驗(yàn)使用的碎多晶籽晶來源于原生硅料，經(jīng)過破碎后加工成碎料，粒徑尺寸約為4～10 mm。實(shí)驗(yàn)使用的原生大尺寸籽晶是由原生棒狀硅料加工得到，原生棒狀硅料的形貌如圖1a所示；用帶鋸將原生棒狀硅料加工成直徑約120 mm、高度約30 mm的圓臺(tái)形狀，清洗后當(dāng)作籽晶使用。實(shí)驗(yàn)的裝料情況如圖1b所示，碎多晶籽晶放置于石英坩堝的左半部分，籽晶厚度約為30 mm，與原生大尺寸籽晶高度接近；原生大尺寸籽晶放置在石英坩堝的右半部分，相互拼接在一起，空隙部分用碎多晶籽晶填滿。籽晶裝好后，在其上面裝其他硅料和母合金，然后放入多晶硅鑄錠爐中；經(jīng)過多晶硅鑄錠工藝周期，生長出多晶硅錠。

圖1 原生棒狀硅料形貌和裝料示意圖

2.2 晶體質(zhì)量對(duì)比

多晶硅錠經(jīng)開方后，如圖2所示， 取其中一橫排 (編號(hào)為 B13、C14、C15、C16、C17、B18)進(jìn)行分析。圖3a為相鄰兩塊硅方(C15和C16)形核長晶初期的宏觀圖片，可以看出，未熔化的碎多晶籽晶(C15)有較多的孔洞，在初始形核界面處，孔洞引起的形核晶粒比較雜亂；原生大尺寸籽晶(C16)未出現(xiàn)明顯的孔洞，也未出現(xiàn)在孔洞上形核的現(xiàn)象。從晶粒形核和初期生長看，原生大尺寸籽晶形核晶粒的一致性相對(duì)較好，有利于生長高質(zhì)量的鑄造多晶硅。

圖2 硅錠編號(hào)示意圖

圖3b為多晶硅錠的紅外探傷圖，可以看出晶粒的生長情況。觀察圖片可以看出，碎多晶籽晶形核后，晶粒逐漸生長變大；在晶體的中上部，存在較大且較為雜亂的晶粒。而使用原生大尺寸籽晶形核生長的晶粒生長出現(xiàn)改善，晶體生長方向較為統(tǒng)一，晶粒大小也趨向一致。從整體長晶情況來看，原生大尺寸籽晶形核生長的晶粒的一致性相對(duì)較好。

圖3c為多晶硅錠的少子壽命圖譜，圖中藍(lán)色/黑色區(qū)域表示少子壽命較高，晶體硅質(zhì)量較好；黃色/紅色區(qū)域代表由于雜質(zhì)、缺陷等引起的低少子區(qū)。從圖中可以看出，多晶硅錠的少子壽命分布是不均勻的，存在較多的低少子壽命區(qū)域，靠近坩堝壁的硅方(B13和B18)的低少子區(qū)域較多，這與坩堝側(cè)壁形核生長有關(guān)。位于坩堝中心區(qū)域(C14～C17)的硅方的少子壽命分布比較均勻，無大面積和較為嚴(yán)重的低少子壽命區(qū)域。對(duì)比碎多晶籽晶生長的多晶硅，原生大尺寸籽晶生長的多晶硅錠的少子壽命分布相對(duì)更好，且相對(duì)較為均勻。通過觀察發(fā)現(xiàn)，不管是碎多晶籽晶形核還是原生大尺寸籽晶形核，在長晶的中后期，低少子區(qū)域隨晶體的生長出現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)，其原因是隨著多晶硅的生長，固液界面前沿的雜質(zhì)溶度逐漸增加，導(dǎo)致少子壽命較低。

圖3 多晶硅錠性能圖

硅錠底部的紅色區(qū)域(簡稱為“紅區(qū)”)會(huì)影響鑄錠的成品率，籽晶剩余高度和底部紅區(qū)的高度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于本次實(shí)驗(yàn)是在同一個(gè)坩堝中進(jìn)行，所以，我們可以認(rèn)為兩種籽晶的剩余高度是一致的。觀察圖3c底部紅區(qū)的高度，兩種籽晶引起的底部紅區(qū)的高度也存在一定差異，碎多晶籽晶的紅區(qū)的高度明顯高于原生大尺寸籽晶，較高的紅區(qū)影響到鑄錠的成品率。碎多晶籽晶底部紅區(qū)較高的原因是籽晶的表面積較大，導(dǎo)致不容易清洗干凈，表面附著較多的雜質(zhì)，在高溫鑄造過程中，會(huì)導(dǎo)致底部紅區(qū)較高。

多晶硅方經(jīng)過多線切割機(jī)加工成200 μm的硅片，取相同高度的底部和頂部硅片檢測形成的PL圖，如圖4、圖5所示。圖中，綠色線條/區(qū)域代表晶界位錯(cuò)，紫色線條/區(qū)域代表位錯(cuò)團(tuán)或金屬雜質(zhì)富集。PL圖顯示，底部硅片的位錯(cuò)分布非常少，隨著晶體的生長，位錯(cuò)值在后期逐漸提高，這一趨勢(shì)與硅錠少子壽命分布趨勢(shì)圖相同。分別對(duì)比圖4、圖5的頂部硅片與底部硅片后發(fā)現(xiàn)，兩種籽晶形核生長的硅片在底部區(qū)域位錯(cuò)密度都較低，頂部硅片的位錯(cuò)密度存在輕微區(qū)別，碎多晶籽晶的位錯(cuò)密度略微高于原生大尺寸籽晶。

圖4 碎多晶籽晶生長的多晶硅片PL檢測圖

圖5 原生大尺寸籽晶生長的多晶硅片PL檢測圖

2.3 制備的電池的轉(zhuǎn)換效率對(duì)比

將兩種籽晶生長的多晶硅片制作成太陽電池，在電池制備工藝一致的條件下，通過碎多晶籽晶形核生長的多晶硅片制備的電池平均轉(zhuǎn)換效率為18.60%，通過原生大尺寸籽晶生長的多晶硅片制備的電池平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.63%，兩者相差0.03%。從圖6的電池轉(zhuǎn)換效率的檔位分布圖可以看出，原生大尺寸籽晶生長的硅片制備的電池轉(zhuǎn)換效率集中在高效檔位，說明其整體的晶體生長優(yōu)于碎多晶籽晶。

圖6 電池轉(zhuǎn)換效率分布對(duì)比

3 結(jié)論

本文以籽晶輔助生長多晶硅鑄錠技術(shù)為基礎(chǔ)，分析了原生大尺寸籽晶對(duì)高效多晶硅鑄錠質(zhì)量的影響，并同常規(guī)碎多晶籽晶制備的多晶硅鑄錠進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示，兩種籽晶形核生長的晶粒形貌存在一定差異，碎多晶籽晶中的孔洞會(huì)導(dǎo)致晶體形成雜亂的晶粒；原生大尺寸籽晶鑄錠的位錯(cuò)密度比碎多晶籽晶的略低，其制備的電池平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.63%，比碎多晶籽晶的高0.03%。另外，由于大尺寸籽晶表面積較小，有利于降低鑄錠底部紅色區(qū)域的高度，從而可提高鑄錠的成品率，降低生產(chǎn)成本。