朱遠國，韓科選，張丹楓，董瑋利

（1.山西潞安太陽能科技有限責任公司，長治 046000；2.長春理工大學 材料科學與工程學院，長春 130022；3.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；4.青島海爾集團超前創(chuàng)新中心，青島 266103）

高效多晶鑄錠的熱場優(yōu)化及其工藝改進

朱遠國1，韓科選2，張丹楓3，董瑋利4

（1.山西潞安太陽能科技有限責任公司，長治 046000；2.長春理工大學 材料科學與工程學院，長春 130022；3.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；4.青島海爾集團超前創(chuàng)新中心，青島 266103）

針對ECM PV450爐型高效鑄錠工藝電池轉換效率偏低問題進行研究及實驗，通過優(yōu)化熱場結構使側部加熱器與坩堝底部籽晶相對位置的變化，在縱向上提升側部加熱器高度、在橫向上添加保溫材料，使籽晶盡可能與加高溫隔離；同時改進化料工藝適當增加頂部溫度、降低側部和底部熔化溫度，在設備和工藝兩方面最大限度的保護坩堝底部籽晶不被高溫熔化，保證硅錠籽晶的完整性，消除了硅錠邊角區(qū)域的效率短板，平均電池轉換效率由18.33%提升至18.48%，大幅度提高了鑄錠品質。

籽晶；短板；熱場；電池轉換效率

隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)多晶硅鑄錠技術已無法滿足市場對光伏產品品質的需求，高質量高轉換效率的太陽能電池是行業(yè)一直追求的目標［1，2］。高效多晶鑄錠工藝在國內迅速發(fā)展并很快產業(yè)化，是近幾年多晶電池效率提升的最大貢獻者［3-5］。為提高太陽能電池的轉換效率，業(yè)內多是利用在坩堝底部鋪設籽晶的方法進行高效多晶鑄錠。相對于傳統(tǒng)的定向凝固多晶硅鑄錠，有籽晶鑄錠是先將特定的籽晶鋪設于石英坩堝底部，籽晶通常為高純硅粉、尺寸均勻的顆粒料、細小的原生碎料或碎硅片［6］。在后續(xù)的硅料熔化過程中，通過工藝控制，使物料在坩堝內從頂部向底部垂直熔化，最終留有一定高度籽晶不被完全熔化，未被熔化的籽晶能夠降低或避免晶體形核階段由坩堝底部直接異質形核的概率，并在后續(xù)的晶體生長過程中作為晶體生長的晶核，解決了現有的硅晶體自發(fā)形核容易導致非均勻形核和晶核品質低的問題，降低或消除了晶體形核所克服的勢壘引起的晶體缺陷［7］。目前，這種有籽晶鑄錠技術被廣泛地應用高效多晶鑄錠中，在相同的電池片制作工藝條件下，這種鑄錠技術生產的硅片所制得的電池光電轉換效率較傳統(tǒng)多晶提高0.3～0.5%。

對于有籽晶鑄錠技術，籽晶保護是此種鑄錠方式需要解決的首要問題，也是實現此種鑄錠技術的關鍵，在傳統(tǒng)的鑄錠爐結構中，由于熱場結構和工藝的限制，籽晶在高溫熔化過程較難被控制，故對于有籽晶鑄錠過程中，需要在傳統(tǒng)熱場機構基礎上進行熱場改進，以便實現對籽晶的保護。

多晶鑄錠是將高純多晶硅料摻雜一定比例的母合金，經過鑄錠爐加熱、熔化、長晶、退火、冷卻等工藝，加工成具有電性能的多晶硅錠，經過開方后按照位置四角、周邊、中心分A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)共計25塊最終產品，按照標準檢測、加工后經鋼線切割得到多晶硅片。其籽晶的完整性，決定了A、B、C各區(qū)域的質量差異。近年來，通過對高效多晶鑄錠的工藝的研發(fā)，電池效率等產品品質有了大幅度提高。限于當前技術條件，籽晶在熔化階段只有C區(qū)被完全保留下來，A、B區(qū)域在很大程度上被熔化，所以導致A、B、C三個區(qū)域電池效率存在較大的差距，效率依次為18.26%、18.32%、18.45%，整錠轉換效率為18.33%。

ECM PV450鑄錠爐最大特點是上、中、下三電源獨立控制的六面加熱，配合其底部水冷散熱，易于形成縱向溫度梯度利于晶體生長，如圖1所示。其爐體容積較大、控制點多，提供了足夠的設備和工藝升級的空間。本文針對ECM PV450爐型，通過對熱場結構的優(yōu)化和化料工藝的升級，保證坩堝底部籽晶完整性，消除A、B區(qū)電池效率的短板，提升整錠平均電池轉換效率。

圖1 ECM PV450爐型結構示意圖

1 實驗

在設備結構上，采取加熱器盡可能遠離籽晶的原則，在縱向、橫向上采取相應措施；在化料工藝上，降低TC2、TC3設定溫度，同時為保證生產周期的前提下適當增加TC1溫度。

1.1 提升側部加熱器

在設備空間和安全保障的前提下，將側部加熱器提高100mm，讓加熱器盡可能遠離籽晶，以保護坩堝底部籽晶不被熔化。

1.2 增加保溫板

為進一步確保坩堝底部籽晶在高溫下不被熔化，在側部加熱器和坩堝下部中間添加尺寸為980× 150×20mm高保溫性能的石墨硬氈，實物及效果如圖2右圖所示。

圖2 保溫板安裝效果對比圖

1.3 工藝優(yōu)化

本著保護坩堝底部籽晶的原則，進行化料工藝升級優(yōu)化，適當增加TC1、降低TC2和TC3溫度設定，把以往只設定單一化料溫度（表1），分解為快速、勻速、慢速三步進行熔化（表2），使其在頂部開始階段進行快速化料，在熔化到一半位置時開始緩慢降低熔化速度，到剩余三分之一高度時進入低速化料，確保籽晶的完整性。

表1 原始化料工藝（對比組）

表2 改進后化料工藝

綜上，設計了兩組不同條件進行實驗，如下表3。利用Semilab WT-2000D少子壽命檢測儀對兩組實驗樣品硅錠進行少子壽命測試，最后在同一電池生產線上對兩組樣品所得的硅片進行電池生產試制。

表3 實驗設計表

2 結果與討論

2.1 晶粒

高效多晶鑄錠工藝改進目標之一就是降低晶體中的位錯密度，相關的長晶工藝一般都是采用籽晶進行引晶，長晶初期作為形核點，生長大小均一得晶粒。在實際鑄錠生產過程中，難以直接觀測到籽晶的熔化情況，只能利用高純石英玻璃棒進行探測中心區(qū)高度，計算出籽晶剩余情況，從而判斷是否結束化料工藝，轉而手動進入長晶階段［8，9］。在此過程中，最終被保留的籽晶高度尤為重要，籽晶剩余高度較低或完全熔化將導致A、B區(qū)域籽晶較少影響鑄錠品質，甚至高效鑄錠工藝的失??；而籽晶剩余高度越高將導致硅錠底部低少子壽命區(qū)較長，從而降低鑄錠的有效產出率，影響鑄錠生產的合格產量［10，11］。

圖3 硅錠底部籽晶熔化情況

圖3為實驗所得硅錠靠近坩堝的B區(qū)底部20mm的晶粒宏觀形貌圖。實驗組硅錠籽晶保留較為完整，晶粒大小分布均勻；對比組中左半面即靠坩堝面晶粒較大、均勻性較差，右半部分即有籽晶部分晶粒細小均勻。在籽晶的控制上涉及兩個關鍵因素，一是化料階段的縱向溫度梯度，較大的縱向溫度梯度將減小后期化料速率，因而手動結束化料工藝后，較大的縱向溫度梯度將更能有效地保護籽晶不被熔化。二是熔化界面的徑向溫度梯度，較小的徑向溫度梯度將有利于形成平整的籽晶層，有效控制靠近坩堝的邊緣籽晶不被熔化，最終獲得較為平直的剩余籽晶界面。對鑄錠爐熱場結構的研究分析，如圖1，側部加熱器和籽晶在同一水平位置，且相對距離只有30mm，在1500℃以上的高溫輻射下產生較大的徑向溫度梯度導致靠近坩堝面的籽晶很容易就被熔化。此外，在化料階段，TC1、TC2、TC3始終保持著1550℃、1500℃、1410℃較高的化料溫度導致較小的縱向溫度梯度，手動跳步后仍有較大的熱慣性，籽晶保留高度不受控制。實驗組提升側部加熱器使籽晶遠離熱源，增加TC1、降低TC2和TC3溫度設定值，均能有效強化縱向溫度梯度；在側部加熱器和坩堝側下部增加保溫板，能有效阻擋側部加熱器直接熱輻射，大部分熱量就通過硅材料向下傳遞，減少底部受熱量，創(chuàng)造了較小的徑向溫度梯度，并且三種改善措施相互補充、相互促進，實現了底部籽晶的完整性。

2.2 長晶界面

多晶鑄錠程其實就是硅液的定向生長排雜的提純過程，電阻率是硅錠檢測的重要參數，根據雜質分凝現象原理，電阻率的分布在一定程度上反應了硅錠長晶界面情況。通過測試相同電阻率在硅錠B11-B15面上的對應高度，并繪制其折線圖如圖4、圖5，實驗組硅錠以較平的長晶界面向上生長，到中上部變得微凸形狀；對比組硅錠以較凸的長晶界面向上生長，到中上部變得更加嚴重。

圖4 對比組電阻率分布折線圖

圖5 實驗組電阻率分布折線圖

平整的長晶界面有易于得到沿晶錠生長方向的柱狀晶，否則就必然導致中部長得快，或者邊角長得快，晶體在中部交叉，導致多晶硅錠內部的熱應力增大，引發(fā)位錯增值。微凸的長晶界面，有利于定向凝固排雜，在長晶后期將剩余硅液中較高濃度的雜質排到硅錠頂部。實驗組具有完整的籽晶基礎，為初始長晶提供了平整的界面，同時側部加熱器提升100mm以及150mm的保溫板為長晶階段創(chuàng)造了較小的徑向溫度梯度，為柱狀晶的生長提供了有利的溫度環(huán)境。

2.3 少子壽命

圖6為兩組實驗硅錠相同位置少子壽命檢測圖，通過對比，對比組硅錠內部存在大量的低少子壽命區(qū)域，頭、尾、邊緣紅區(qū)較多，晶體生長方向發(fā)散，平均少子壽命值只有5.43μs；實驗組硅錠少子壽命整體較高、分布均勻，硅錠內部位錯等缺陷得到大幅度的改善，晶體質量有明顯提，平均值高達6.77μs。

圖6 實驗組（a）和（b）對比組硅錠少子壽命圖

2.4 電池片

表4為兩組硅錠切片后制作成電池的效率對比，實驗組A、B區(qū)域電池效率更加接近C區(qū)，通過實驗得到較為平整的籽晶基礎，熱場改進后能生長出均勻的柱狀晶，大幅度改善了硅錠邊角位置的產品質量，縮小邊角區(qū)域與中心區(qū)域的效率差距，解決了效率短板問題，提升了整錠平均電池轉換效率，整錠平均效率由18.33%提升至18.48%。

表4 電池效率對比表

3 結論

本文以ECM PV450半熔高效工藝為基礎，對鑄錠爐進行了熱場優(yōu)化和工藝改進，使熱場結構與高效工藝更加匹配、化料工藝更加科學合理。實驗表明，改進熱場和合理的化料工藝，可保證籽晶的完整性，有效改善A、B區(qū)域鑄錠質量，消除其效率短板，整錠平均電池轉換效率得到明顯提高。因此，可以通過熱場優(yōu)化和工藝改進來提高多晶鑄錠質量。

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The Thermal Field Optimization and Process Modification of Polycrystalline Silicon Ingot Production Furnace

ZHU Yuanguo1，HAN Kexuan2，ZHANG Danfeng3，DONG Weili4
（1.ShanXi Lu’an Photovoltaic Technology co.Ltd.，Changzhi 046000；2.School of Materials Science and Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；3.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Sceience and Technology，Changchun 130022；4.Advanced Innovation Center，Haier Group，Qingdao 266103）

In the paper we do some researches and experiments on ECM PV450 to solve the problem of low conversion efficiency of solar cell.We change the distance between the side the heater and the seed at the bottom of the crucible，that enhance the side heater in the longitudinal direction and add thermal insulation material on the transverse；at the same time，we improve the process to increase the top melting temperature，and reduce the side and bottom melting temperature，to protect the seed at the bottom of the crucible from melting at high temperature as possible.In the two aspects of equipment and process，we get the perfect seed and eliminate the short board of battery conversion efficiency at corner of ingot.The average battery conversion efficiency is increased from 18.33%to 18.48%，that improved the quality of ingot casting greatly.

seed；the short slab；thermal field；average battery conversion efficiency

TQ127.2；O782

A

1672-9870（2016）05-0097-04

2016-06-26

朱遠國（1985-），男，工程師，E-mail:zhuyuanguo435@163.com