太陽電池用多晶硅鑄錠技術研究進展

沈永華 夏小江 高 強 袁志鐘

（1.浙江省機電設計研究院有限公司，浙江 杭州 310002；2.江蘇大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212013）

0 引言

多晶硅太陽電池由于產量大、性價比高，占據著超過50%的光伏產品市場份額[1]。多晶硅太陽電池所用多晶硅片由鑄錠在經過開方、切片制備而得到。多晶硅鑄錠一般由定向凝固法（Directional solidification，DS）生長得到，代替了單晶硅的拉制過程，能耗少、產量大，因而成本大大降低。另外，多晶硅鑄錠本身是方形的，所以也減少了開方時的材料損失，因而增加了其競爭力。

1 多晶硅鑄錠技術發展狀況

傳統的多晶硅鑄造方法，將化料和結晶放在兩個不同的坩堝完成，二次污染嚴重，設備復雜。而后發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。兩者的主要區別是：布里奇曼法在晶體生長時固/液界面的位置基本保持不變，坩堝向下移動，從而保證在結晶過程中界面上溫度梯度基本維持穩定，此方法的固液界面略向下凹，這有利于擴大晶粒尺寸和減小晶體缺陷。目前，通過布里奇曼法可生產出橫截面尺寸大于600 mm×600 mm的重量超過300 kg的多晶硅錠；而熱交換法在結晶過程中坩堝不動，從坩堝的底部進行主動散熱，造成溫度梯度，從而實現多晶硅結晶，該方法坩堝與加熱器在硅料的熔化過程及整個生長過程中均無相對運動。其優點是結構簡單，易實現自動化，而且結晶完成后一直保持在高溫區域，可實現“原位”退火，降低了晶體內部熱應力，進而減少晶體內位錯密度。缺點是隨著凝固過程的進行，固/液界面位置逐漸升高，溫度梯度隨結晶高度的增加而逐漸減小，生長速率逐漸減少為零，因而硅錠生長高度受到限制。

技術進一步發展，以GT Advanced Technology公司為代表的定向凝固方法成為主流，占據市場的絕對領先份額。它與熱交換法的區別在于，它不需要底部籽晶，也沒有底部的主動冷卻。它與布里奇曼法的區別在于，坩堝并不移動，僅是通過隔熱籠的移動以及不同加熱器之間的功率變化而實現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勢有兩個，第一，多晶硅晶粒呈現柱狀生長，與定向凝固方向平行，而硅片的切割方向與定向凝固防線垂直，這樣，硅片中的多晶硅晶界就會垂直于硅片表面，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，將主要雜質集中在底部和頂部，中間的多晶硅的純度得到了很好的保證，利于生產優質硅片，從而提高太陽電池的效率。

從定向凝固技術的發展來看，首先是以GT Advanced Technology為代表的廠商向市場提供了多晶硅定向凝固鑄錠爐，從而將多晶硅太陽能電池的產業帶動起來，成為與單晶太陽電池相抗衡進而超越單晶硅電池的重要產品。

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一直依次發展為450kg、480kg、650kg以及目前最先進的G6系統，裝爐量可以達到1000kg。隨著投爐量的增加，鑄錠成本得到了大幅降低，受坩堝污染的區域所占比例減少，多晶硅的整體質量得到了大幅提升。

最后，多晶硅定向凝固技術不斷發展變化。從最初實現定向凝固，得到柱狀生長的多晶硅，到后來發展到類單晶（或稱準單晶技術），即利用在坩堝底部鋪設＜100＞晶向的單晶板作為籽晶，在化料時控制籽晶僅部分融化，從而得到類似單晶的多晶硅錠。這種技術首先有BP公司發明并取得國際專利，在2008年開始，在我國有許多公司先后掌握了該項技術。在2011年前后，國內許多多晶硅鑄錠設備公司專門推出了類單晶技術的設備。該項技術的優點在于多晶硅錠中心部位的硅片呈現單晶狀態，晶體質量好且可以采用單晶的堿制絨工藝，制作的太陽能電池片的轉換效率要比普通多晶硅太陽能電池高出至少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；其次是該種技術生產出來的多晶硅片，在外觀上必須分為兩大類，即類單晶和邊緣有碎多晶的類單晶，造成了清包和銷售的困難。因此，類單晶技術在風行了幾年之后，逐漸銷聲匿跡了。和類單晶類似的，是大晶粒技術[2]，以日本、臺灣的一些實驗室為主要研究機構，利用枝狀晶技術，制造具有顯著大尺寸晶粒的多晶硅，也有一些專利，用以控制長晶初期的晶向，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，該技術并沒有發展起來。最近一些年，出現了高效多晶技術，即生長熱應力小、位錯密度低的多晶硅，從外觀上看，該類多晶硅片的外觀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。用該類多晶硅片制成的太陽能電池，其光電轉化效率比用普通多晶硅片制成的太陽能電池的要高0.3%～0.8%。該種方法的顯著優點是后續太陽能電池的轉化效率高，生產成本幾乎沒有增加，硅錠的一次利用率與普通硅錠持平，其核心技術為坩堝底部特殊工藝以及精確的等溫線、固液界面控制。因此該方法是目前市場的主流工藝，代表性產品包括新日光的A+++硅片、賽維LDK的M2硅片、鎮江環太硅科技有限公司的高效多晶硅片等等。

2 多晶硅鑄錠技術未來發展方向

從多晶硅鑄錠技術發展歷程來看，增大投爐量以降低成本、研發新工藝以提高質量成為兩條主線，這也將是未來技術發展的方向。控制溫度梯度、控制固液界面形狀等成為了工藝發展的關鍵，這也使得產業界更加重視多晶硅晶體生長的計算機輔助設計與數值模擬[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.