陳欣文 黃 俊 簡(jiǎn)學(xué)勇 李建敏

(1.江西賽維LDK太陽(yáng)能高科技有限公司，江西 新余 338000；2.江西新余新材料科技研究院，江西 新余 338000；3.國(guó)家光伏工程技術(shù)研究中心，江西 新余 338000)

0 引言

光伏發(fā)電的發(fā)展方向是“低成本、高效率”，由于晶體硅太陽(yáng)能電池成本低、轉(zhuǎn)換效率高，使得其占有市場(chǎng)份額的98%以上。晶體硅太陽(yáng)能電池，是一種通過(guò)吸收太陽(yáng)光將光能直接轉(zhuǎn)化為電能輸出的光電器件，晶體硅太陽(yáng)能電池以其材料來(lái)源廣泛、無(wú)污染、材料性質(zhì)穩(wěn)定、工藝技術(shù)推廣容易。晶體硅太陽(yáng)能電池主要有提拉法單晶硅和鑄造法[1-3]多晶硅兩種硅片材料組成，其中高效多晶硅具有晶粒大小均勻、低位錯(cuò)密度等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。同時(shí)，多晶硅鑄錠行業(yè)高效硅片的生產(chǎn)工藝主要為半熔工藝和全熔工藝。半熔工藝的優(yōu)勢(shì)在于硅片效率高，集中度強(qiáng)；全熔工藝的優(yōu)勢(shì)在于生產(chǎn)成本低，操作工藝簡(jiǎn)單成品率高。硅晶體生長(zhǎng)形核方式及工藝已有多家機(jī)構(gòu)[4-7]進(jìn)行闡述和分析，通過(guò)對(duì)鑄造坩堝底部形核劑對(duì)晶體質(zhì)量的影響，不同顆粒度對(duì)形核質(zhì)量的影響，不同表面狀態(tài)對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響等的實(shí)驗(yàn)研究。利用形核劑控制初始長(zhǎng)晶，形成穩(wěn)定誘導(dǎo)形核，并設(shè)計(jì)匹配的定向生長(zhǎng)鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)和采用特殊的熔化、長(zhǎng)晶工藝，實(shí)現(xiàn)晶體質(zhì)量提升，這對(duì)于提升硅片品質(zhì)提高電池片效率、降低光伏產(chǎn)品生產(chǎn)成本有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

采用GT DSS450型鑄錠爐及熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，坩堝尺寸為G6型，制作異質(zhì)形核層，鑄錠完成后，對(duì)硅錠依次進(jìn)行剖成硅塊、切割硅片和制作電池。

1.1 形核劑選擇

異質(zhì)形核具有形核功小過(guò)冷度低的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)選擇適合硅晶生長(zhǎng)的異質(zhì)形核方式的最佳形核物質(zhì)作為形核劑，對(duì)高效形核劑植入方式進(jìn)行研究制備，使用全熔工藝讓硅液與異質(zhì)形核層充分浸潤(rùn)，與夾雜物界面的各異質(zhì)形核點(diǎn)均勻的接觸形核，使初始晶胚更加細(xì)小均勻，達(dá)到晶粒細(xì)小化的形核效果。通過(guò)加大其表面積并擁有最佳的表面特性，選擇最優(yōu)異質(zhì)形核劑增大粗糙因子數(shù)。對(duì)SiO2、SiC和Si等硅的化合物進(jìn)行充分浸潤(rùn)的形核實(shí)驗(yàn)，如下圖1.1。

圖1.1 不同形核劑形貌比較

SiO2形核劑因其為原生制備，并且SiO2形核劑粒徑小粗糙不平，能最穩(wěn)定的提供足夠多的形核異質(zhì)點(diǎn)，從而使更多的晶胚在SiO2異質(zhì)點(diǎn)上誘發(fā)形核。

1.2 異質(zhì)形核層制備

在坩堝原生異質(zhì)層的基礎(chǔ)上，對(duì)形核層進(jìn)行再次噴涂二次疊加制備異質(zhì)形核層，依據(jù)控制噴涂用量、速度、壓力，讓坩堝底部砂粒凸起均勻，如下圖1.2(a)，SiO2形核點(diǎn)可以暴露于氮化硅表面，確保有足夠且均勻的形核點(diǎn)與硅液接觸形核；側(cè)部涂層光滑致密，如下圖1.2(b)，減少側(cè)部形核長(zhǎng)晶。

圖1.2 坩堝底部(a)和坩堝側(cè)部(b)的氮化硅涂層噴涂形態(tài)

1.3 熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整

通過(guò)對(duì)熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整，在硅料完全熔化的前提下，控制形核劑溶蝕度，保證形核劑的完整，形核基點(diǎn)充分發(fā)揮引晶形核效果。如下圖1.3紅色標(biāo)記處1*、2*，對(duì)底部DS-BLOCK增加下保溫板，確保硅料底部能充分熔化；對(duì)隔熱籠上的保溫條撤除減少，確保硅錠生長(zhǎng)穩(wěn)定性，解決微晶不良。

圖1.3 鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整前(左)后(右)示意圖

1.4 鑄錠工藝優(yōu)化

異質(zhì)形核具有形核功小過(guò)冷度低的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)選擇適合硅晶生長(zhǎng)的異質(zhì)形核方式的最佳形核物質(zhì)作為形核劑，對(duì)高效形核劑植入方式進(jìn)行研究制備，使用全熔工藝讓硅液與異質(zhì)形核層充分浸潤(rùn)，與夾雜物界面的各異質(zhì)形核點(diǎn)均勻的接觸形核，使初始晶胚更加細(xì)小均勻，達(dá)到半熔晶粒細(xì)小化的形核效果。對(duì)鑄錠工藝進(jìn)行調(diào)整，確保硅料熔化后與異質(zhì)形核點(diǎn)充分浸潤(rùn)，減少潤(rùn)濕角(如下圖1.4)，讓硅液充分的浸潤(rùn)后依靠鑄錠工藝降低晶粒徑向生長(zhǎng)速率提高晶粒垂直度保證晶粒更加細(xì)小。

圖1.4 異質(zhì)形核點(diǎn)暴露充分浸潤(rùn)(a)和異質(zhì)形核點(diǎn)被氮化硅覆蓋無(wú)法浸潤(rùn)(b)效果

閉籠化料，配方設(shè)置為快升溫模式，以保持大功率熔化，形核長(zhǎng)晶閉籠緩慢降溫工藝。鑄錠熔化階段多增加1小時(shí)，使坩堝底部溫度上升，硅液浸潤(rùn)石英砂更充分，形核更優(yōu)。同時(shí)，降低爐腔內(nèi)雜質(zhì)氣體含量，加速雜質(zhì)氣體的帶出。降低熔化最高設(shè)定溫度和高溫持續(xù)時(shí)間，使熔體溫度均衡，降低設(shè)備輸出功率，達(dá)到節(jié)能降耗目的。

1.5 測(cè)試表征

利用放大鏡及數(shù)碼相機(jī)觀測(cè)硅錠底部初始晶粒形貌，利用IR探測(cè)儀檢測(cè)硅雜質(zhì)、微晶、微裂紋缺陷，利用少子壽命測(cè)試儀(匈牙利Semilab公司，WT2000)檢測(cè)硅塊側(cè)面的少數(shù)載流子壽命，并對(duì)電池片的性能進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 形核表現(xiàn)

全熔法進(jìn)行硅晶體誘導(dǎo)形核長(zhǎng)晶，相比于Si同質(zhì)形核(如圖2.1(a))和SiC異質(zhì)形核(如圖2.1(b))產(chǎn)生的大量枝晶，如圖2.1(c)硅錠底部斷面晶粒形貌分析顯示，SiO2異質(zhì)形核會(huì)穩(wěn)定形成小晶粒，晶粒均勻，利于晶體均勻垂直生長(zhǎng)。但同樣存在枝晶，尺寸微小且數(shù)量明顯更少。

圖2.1 采用不同形核劑的硅錠底部斷面晶粒形貌

2.2 硅晶體少子壽命

使用μ-PCD測(cè)試方法測(cè)得同質(zhì)形核半熔工藝和SiO2異質(zhì)形核全熔工藝對(duì)應(yīng)硅錠的平均少子壽命值，見(jiàn)表2.1。

表2.1 不同形核熔化工藝硅錠少子壽命值

從表2.1中可以看出，SiO2異質(zhì)形核全熔工藝硅錠少子壽命平均值為7.02μs，略高于同質(zhì)形核半熔工藝，結(jié)合圖2.2 硅塊側(cè)面少子壽命掃描圖，從硅塊少子壽命掃描圖2.2看，中間區(qū)域硅塊底部形核，底中部長(zhǎng)晶優(yōu)秀，頂部少量位錯(cuò)增長(zhǎng)；邊角區(qū)域存在坩堝側(cè)壁長(zhǎng)晶，因長(zhǎng)晶界面趨平，抑制了側(cè)壁形核橫向長(zhǎng)晶趨勢(shì)。同時(shí)，底部紅區(qū)縮短至35mm，鑄錠出材率可以直接增加。

圖2.2 SiO2異質(zhì)形核全熔工藝硅塊側(cè)面少子壽命掃描圖

2.3 硅錠出材率

通過(guò)形核控制及工藝提升，SiO2異質(zhì)形核全熔工藝使硅料完全熔化，尾部紅區(qū)縮短，降低了尾部少子壽命不良長(zhǎng)度，硅錠平均少子壽命提升，再結(jié)合全熔工藝無(wú)需保留籽晶料的特點(diǎn)，大大提升了硅錠的出材率，出材率可達(dá)到66.21%，結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如下表2.2。結(jié)合各硅錠出材率分布看，如圖2.3所示，SiO2異質(zhì)形核全熔工藝出材料率數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更高。

表2.2 不同形核長(zhǎng)晶工藝硅錠出材率

圖2.3 不同形核長(zhǎng)晶工藝硅錠出材率分布

2.4 電池轉(zhuǎn)換效率

表2.3為不同鑄錠形核長(zhǎng)晶工藝硅晶體的電池平均轉(zhuǎn)換效率(Eta)，從表中可以看出，出材率更高的SiO2異質(zhì)形核全熔工藝硅片制作成電池的批量平均轉(zhuǎn)換效率為18.81%，比同質(zhì)形核半熔工藝略高。同時(shí)圖2.效率分布對(duì)比顯示，SiO2異質(zhì)形核全熔工藝的電池片(LDK提效)的轉(zhuǎn)換效率收斂性更好，高效檔位占比更大，與晶體少子壽命表現(xiàn)結(jié)果相符。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)采用SiO2異質(zhì)形核劑，并控制坩堝底、側(cè)部涂層工藝，并匹配熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)和晶體生長(zhǎng)工藝改進(jìn)，異質(zhì)形核點(diǎn)暴露充分浸潤(rùn)并進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，提升了高效多晶硅質(zhì)量。

表2.3 不同形核長(zhǎng)晶工藝的電池轉(zhuǎn)換效率

圖2.4 不同形核長(zhǎng)晶工藝電池片轉(zhuǎn)換效率分布

(1)使用SiO2異質(zhì)形核全熔工藝形核穩(wěn)定晶粒細(xì)小，硅錠出材率可達(dá)66.21%，比硅同質(zhì)形核半熔工藝同1.56%；

(2)SiO2異質(zhì)形核全熔工藝硅錠少子壽命達(dá)7.02μs，制作成電池的批量平均轉(zhuǎn)換效率為18.81%，比同質(zhì)形核半熔工藝略高且效率分布更集中。