湖南紅太陽(yáng)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(guó)光伏發(fā)電新增裝機(jī)量為52.83 GW，同比增長(zhǎng)3.7倍，全國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)量達(dá)到130.25 GW。光伏市場(chǎng)發(fā)展迅速，高效多晶硅光伏組件仍是市場(chǎng)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(zhǎng)制備工藝與異質(zhì)籽晶形核生長(zhǎng)制備工藝[3-6]。同質(zhì)籽晶輔助外延生長(zhǎng)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(zhǎng)多晶晶粒，再定向凝固生長(zhǎng)出多晶硅錠。硅料籽晶在晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)所需克服的勢(shì)壘，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鑄造多晶硅初始生長(zhǎng)階段晶粒形貌的有效控制。生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)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(guò)抽空、加熱和熔化，再定向凝固生長(zhǎng)成多晶硅錠。多晶硅錠經(jīng)過(guò)多線開方機(jī)加工成36塊硅方，用紅外探傷儀、少子壽命測(cè)試儀對(duì)硅方進(jìn)行檢測(cè)，分析多晶晶粒生長(zhǎng)和硅方的位錯(cuò)分布情況。多晶硅方經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(lái)源于原生硅料，經(jīng)過(guò)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(guò)多晶硅鑄錠工藝周期，生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)情況。觀察圖片可以看出，碎多晶籽晶形核后，晶粒逐漸生長(zhǎng)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(zhǎng)的晶粒生長(zhǎng)出現(xiàn)改善，晶體生長(zhǎng)方向較為統(tǒng)一，晶粒大小也趨向一致。從整體長(zhǎng)晶情況來(lái)看，原生大尺寸籽晶形核生長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)的多晶硅，原生大尺寸籽晶生長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)晶的中后期，低少子區(qū)域隨晶體的生長(zhǎng)出現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)，其原因是隨著多晶硅的生長(zhǎng)，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(jiǎn)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(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致底部紅區(qū)較高。

多晶硅方經(jīng)過(guò)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(cè)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(zhǎng)的多晶硅片PL檢測(cè)圖

圖5 原生大尺寸籽晶生長(zhǎng)的多晶硅片PL檢測(cè)圖

2.3 制備的電池的轉(zhuǎn)換效率對(duì)比

將兩種籽晶生長(zhǎng)的多晶硅片制作成太陽(yáng)電池，在電池制備工藝一致的條件下，通過(guò)碎多晶籽晶形核生長(zhǎng)的多晶硅片制備的電池平均轉(zhuǎn)換效率為18.60%，通過(guò)原生大尺寸籽晶生長(zhǎng)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(zhǎng)的硅片制備的電池轉(zhuǎn)換效率集中在高效檔位，說(shuō)明其整體的晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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。