沈永華 夏小江 高 強(qiáng) 袁志鐘

（1.浙江省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310002；2.江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

多晶硅太陽(yáng)電池由于產(chǎn)量大、性?xún)r(jià)比高，占據(jù)著超過(guò)50%的光伏產(chǎn)品市場(chǎng)份額[1]。多晶硅太陽(yáng)電池所用多晶硅片由鑄錠在經(jīng)過(guò)開(kāi)方、切片制備而得到。多晶硅鑄錠一般由定向凝固法（Directional solidification，DS）生長(zhǎng)得到，代替了單晶硅的拉制過(guò)程，能耗少、產(chǎn)量大，因而成本大大降低。另外，多晶硅鑄錠本身是方形的，所以也減少了開(kāi)方時(shí)的材料損失，因而增加了其競(jìng)爭(zhēng)力。

1 多晶硅鑄錠技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

傳統(tǒng)的多晶硅鑄造方法，將化料和結(jié)晶放在兩個(gè)不同的坩堝完成，二次污染嚴(yán)重，設(shè)備復(fù)雜。而后發(fā)展了熱交換法及布里奇曼法，這兩種方法都是把熔化及凝固置于同一坩堝中，從而避免了坩堝二次污染。兩者的主要區(qū)別是：布里奇曼法在晶體生長(zhǎng)時(shí)固/液界面的位置基本保持不變，坩堝向下移動(dòng)，從而保證在結(jié)晶過(guò)程中界面上溫度梯度基本維持穩(wěn)定，此方法的固液界面略向下凹，這有利于擴(kuò)大晶粒尺寸和減小晶體缺陷。目前，通過(guò)布里奇曼法可生產(chǎn)出橫截面尺寸大于600 mm×600 mm的重量超過(guò)300 kg的多晶硅錠；而熱交換法在結(jié)晶過(guò)程中坩堝不動(dòng)，從坩堝的底部進(jìn)行主動(dòng)散熱，造成溫度梯度，從而實(shí)現(xiàn)多晶硅結(jié)晶，該方法坩堝與加熱器在硅料的熔化過(guò)程及整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中均無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且結(jié)晶完成后一直保持在高溫區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)“原位”退火，降低了晶體內(nèi)部熱應(yīng)力，進(jìn)而減少晶體內(nèi)位錯(cuò)密度。缺點(diǎn)是隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行，固/液界面位置逐漸升高，溫度梯度隨結(jié)晶高度的增加而逐漸減小，生長(zhǎng)速率逐漸減少為零，因而硅錠生長(zhǎng)高度受到限制。

技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，以GT Advanced Technology公司為代表的定向凝固方法成為主流，占據(jù)市場(chǎng)的絕對(duì)領(lǐng)先份額。它與熱交換法的區(qū)別在于，它不需要底部籽晶，也沒(méi)有底部的主動(dòng)冷卻。它與布里奇曼法的區(qū)別在于，坩堝并不移動(dòng)，僅是通過(guò)隔熱籠的移動(dòng)以及不同加熱器之間的功率變化而實(shí)現(xiàn)從底部到頂部的定向凝固。多晶硅的定向凝固方法的突出優(yōu)勢(shì)有兩個(gè)，第一，多晶硅晶粒呈現(xiàn)柱狀生長(zhǎng)，與定向凝固方向平行，而硅片的切割方向與定向凝固防線(xiàn)垂直，這樣，硅片中的多晶硅晶界就會(huì)垂直于硅片表面，將晶界的影響降到最低；第二，定向凝固方法，將元素的分凝原理，充分利用起來(lái)，將主要雜質(zhì)集中在底部和頂部，中間的多晶硅的純度得到了很好的保證，利于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)硅片，從而提高太陽(yáng)電池的效率。

從定向凝固技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，首先是以GT Advanced Technology為代表的廠(chǎng)商向市場(chǎng)提供了多晶硅定向凝固鑄錠爐，從而將多晶硅太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)起來(lái)，成為與單晶太陽(yáng)電池相抗衡進(jìn)而超越單晶硅電池的重要產(chǎn)品。

其次，多晶硅定向凝固鑄錠爐的投爐量不斷增大，從最初的240kg一直依次發(fā)展為450kg、480kg、650kg以及目前最先進(jìn)的G6系統(tǒng)，裝爐量可以達(dá)到1000kg。隨著投爐量的增加，鑄錠成本得到了大幅降低，受坩堝污染的區(qū)域所占比例減少，多晶硅的整體質(zhì)量得到了大幅提升。

最后，多晶硅定向凝固技術(shù)不斷發(fā)展變化。從最初實(shí)現(xiàn)定向凝固，得到柱狀生長(zhǎng)的多晶硅，到后來(lái)發(fā)展到類(lèi)單晶（或稱(chēng)準(zhǔn)單晶技術(shù)），即利用在坩堝底部鋪設(shè)＜100＞晶向的單晶板作為籽晶，在化料時(shí)控制籽晶僅部分融化，從而得到類(lèi)似單晶的多晶硅錠。這種技術(shù)首先有BP公司發(fā)明并取得國(guó)際專(zhuān)利，在2008年開(kāi)始，在我國(guó)有許多公司先后掌握了該項(xiàng)技術(shù)。在2011年前后，國(guó)內(nèi)許多多晶硅鑄錠設(shè)備公司專(zhuān)門(mén)推出了類(lèi)單晶技術(shù)的設(shè)備。該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于多晶硅錠中心部位的硅片呈現(xiàn)單晶狀態(tài)，晶體質(zhì)量好且可以采用單晶的堿制絨工藝，制作的太陽(yáng)能電池片的轉(zhuǎn)換效率要比普通多晶硅太陽(yáng)能電池高出至少0.5%。但是這種方法的弊端也很明顯，首先是成本較高，需要在坩堝底部鋪設(shè)單晶籽晶，另外多晶硅錠的一次利用率較低；其次是該種技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的多晶硅片，在外觀(guān)上必須分為兩大類(lèi)，即類(lèi)單晶和邊緣有碎多晶的類(lèi)單晶，造成了清包和銷(xiāo)售的困難。因此，類(lèi)單晶技術(shù)在風(fēng)行了幾年之后，逐漸銷(xiāo)聲匿跡了。和類(lèi)單晶類(lèi)似的，是大晶粒技術(shù)[2]，以日本、臺(tái)灣的一些實(shí)驗(yàn)室為主要研究機(jī)構(gòu)，利用枝狀晶技術(shù)，制造具有顯著大尺寸晶粒的多晶硅，也有一些專(zhuān)利，用以控制長(zhǎng)晶初期的晶向，因其初始形核階段的溫度梯度難以控制且效率提升效果不明顯，該技術(shù)并沒(méi)有發(fā)展起來(lái)。最近一些年，出現(xiàn)了高效多晶技術(shù)，即生長(zhǎng)熱應(yīng)力小、位錯(cuò)密度低的多晶硅，從外觀(guān)上看，該類(lèi)多晶硅片的外觀(guān)顯著特征是晶粒大小特別均勻，一般的直徑約為5～10 mm左右。用該類(lèi)多晶硅片制成的太陽(yáng)能電池，其光電轉(zhuǎn)化效率比用普通多晶硅片制成的太陽(yáng)能電池的要高0.3%～0.8%。該種方法的顯著優(yōu)點(diǎn)是后續(xù)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率高，生產(chǎn)成本幾乎沒(méi)有增加，硅錠的一次利用率與普通硅錠持平，其核心技術(shù)為坩堝底部特殊工藝以及精確的等溫線(xiàn)、固液界面控制。因此該方法是目前市場(chǎng)的主流工藝，代表性產(chǎn)品包括新日光的A+++硅片、賽維LDK的M2硅片、鎮(zhèn)江環(huán)太硅科技有限公司的高效多晶硅片等等。

2 多晶硅鑄錠技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向

從多晶硅鑄錠技術(shù)發(fā)展歷程來(lái)看，增大投爐量以降低成本、研發(fā)新工藝以提高質(zhì)量成為兩條主線(xiàn)，這也將是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的方向?？刂茰囟忍荻?、控制固液界面形狀等成為了工藝發(fā)展的關(guān)鍵，這也使得產(chǎn)業(yè)界更加重視多晶硅晶體生長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬[3]。

［1］G.Hering.Year of the tiger[J].Photon International,2011,3：186-218.

［2］Fujiwara K,Pan W,Sawada K,et al.,Directional growth method to obtain high quality polycrystalline silicon from its melt[J].Journal of Crystal Growth,2006,292(2)：282-285.

［3］I.Steinbach,M.Apel,T.Rettebach,D.Frank,Numerical simulations for silicon crystallization processes-examples from ingot and ribbon casting[J].Solar Energy Material and Solar cells,2002,72：59-68.