定向凝固技術鑄錠多晶硅硅錠性能的影響因素

【摘要】本文主要介紹了定向凝固法鑄錠多晶硅，并分析了多晶硅鑄錠硅錠性能的影響因素。

【關鍵詞】多晶硅；紅邊紅區；少子壽命；雜質硬質點；定向凝固技術

引言

隨著全球經濟社會的快速發展，全球將面臨著石油、煤炭、天燃氣等化石能源枯竭危機，且氣候逐漸變暖，環境污染日益嚴峻，生態壓力日益增大。雖然短期內無法脫離這些傳統能源，但是全球的生產力和科技水平均已提升，能促使人類有能力開發新能源。太陽能是諸多新能源中極具挖掘潛力的可再生清潔能源之一，同時太陽能光伏產業已成為世界新能源研宄領域的熱點。

硅材料是太陽能光伏產業必不可少的關鍵材料，通過硅材料制備而成的半導體界面，可根據硅半導體的光生伏打效應原理，將太陽能轉換成電能，實現太陽光的利用，通常這種轉換裝置都制備成了太陽能電池。但是硅材料的品質和性能對半導體界面影響較大，嚴重時影響太陽能轉換成電能的效率。因此，如何獲取優質的硅材料是技術的突破點。

太陽能電池中有單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池。多晶硅和單晶硅都是硅材料的表現形式，但是多晶硅材料的電性能相對比單晶硅的電性能差，導致多晶硅太陽能電池的轉換效率相對偏差。主要原因是多晶硅材料在形成太陽能電池前需要經過多晶硅原料提純、鑄錠、切片、制備電極等環節，每個環節均有可能引入一些不可控雜質，改變材料的局部電性能，最終影響光電轉換效率。然而，多晶硅鑄錠環節是影響多晶硅材料電性能的重要關鍵環節，在多晶硅鑄錠生產過程中，鑄錠爐熱場分布不均勻、硅錠形成位錯、應力、微缺陷等晶體缺陷均會降低多晶硅硅錠性能。本文通過分析定向凝固技術鑄錠多晶硅、多晶硅硅錠性能影響因素和石英坩堝鑄錠影響，發現定向凝固技術的突破點在于增強石英陶瓷坩堝與鑄錠工藝的匹配性。

1定向凝固法鑄錠多晶硅

太陽能電池用多晶硅對雜質含量要求較高，一般要求在6個9純度級別以上才能滿足工藝技術要求。起初，所用的多晶硅都是采用西門子法制備獲得，該方法制備的多晶硅在純度上雖然能滿足產品要求，但是工藝復雜、成本較高，無法滿足現階段太陽能電池用多晶硅的生產加工要求。目前，最常用的太陽能電池用多晶硅多采用鑄造技術，比如定向凝固法、澆注法、熱交換法、布里奇曼法和直接硅片法等。其中，定向凝固法能有效地去除多晶硅原料中的多種金屬雜質，還能控制多晶硅中硅晶體的定向生長結構形貌，在多晶硅鑄錠廠家中廣泛應用。定向凝固法是在特定鑄錠爐中通過外界設計強制控制熱場、溫控程序，在多晶硅凝固過程中建立液相與固相界面，該界面沿預設方向具備溫度梯度，從而實現硅熔體形核，并獲得預設方向結晶取向的多晶硅。該技術可以控制凝固過程中硅晶粒取向、尺寸，也可以消除橫向晶界并獲得柱狀晶，甚至通過技術改進獲得鑄造單晶，提高多晶硅的力學和電學性能等。

2多晶硅硅錠性能影響因素

隨著定向凝固技術鑄錠生產多晶硅的不斷完善，多晶硅生產成本逐步降低和多晶硅轉換效率非常適合生產太陽能電池，從而擴大了多晶硅太陽能電池市場行情。然而，對于光伏發電技術而言，技術的進步和成本降低都依托于多晶硅生產，多晶硅晶體的質量提升就是光伏發電技術質的飛躍。但多晶硅鑄錠過程中會引發多晶硅缺陷，比如微晶、位錯、晶界、隱裂等。這些因素會嚴重影響多晶硅硅錠性能。

微晶是多晶硅硅錠中的重要缺陷，其是指硅原料定向凝固過程中，又硅晶體生長環境失衡、溫度梯度不穩定和局部形核率偏高等，誘導硅錠中晶體的晶粒尺寸異常小的晶粒。微晶的晶界相比正常晶粒要多，氧、碳、氮和金屬雜質沉淀的相對幾率增加，對多晶硅的轉換效率不利。硅錠內裂一方面是由鑄錠過程中鑄錠工藝控制不當，造成硅錠退火階段過程內應力無法安全釋放或內應力釋放過快；另外一方面是石英坩堝氮化硅噴涂不當、高純涂層高溫開裂脫落或滲硅嚴重，導致坩堝與硅錠粘連，冷卻脫模拉裂，造成多晶硅硅錠出材率低并產生新的內應力。

3石英坩堝對多晶硅鑄錠硅錠的影響

石英坩堝作為定向凝固技術鑄錠多晶硅硅錠的配件，主要用多晶硅鑄錠過程中裝載多晶硅原材料和高溫下使多晶硅原材料熔融的容器，且屬于一次性耗材。石英坩堝的尺寸精度、純度級別、強度級別、高溫性能和內在外觀質量等對多晶硅鑄錠硅錠影響較大，如白斑、紅邊紅區、雜質硬質點等。

3.1白斑

通常白斑是指硅液穿刺，在硅錠冷卻后與坩堝同面的表面出現白色斑點（如圖1所示）。該現象出現與氮化硅致密度、坩堝表面高純層高溫性能有關，單獨測量該處硅錠的氧含量有增加。多晶硅硅錠中氧含量增加，就容易形成氧施主或氧沉淀并形成復合中心，導致多晶硅材料少數載流子壽命降低，直接影響多晶硅太陽能電池的轉換效率。

3.2雜質硬質點

雜質硬質點是指多晶硅硅錠在開方線切割切片過程中，由于多晶硅硅錠中沉淀的金屬雜質或SiC/Si3N4顆粒存在，因其硬度較高，造成線切割過程中斷線，嚴重影響多晶硅硅片的生產，影響硅片的產片率和硅錠利用率，導致生產成本增加。雜質硬質點多以點狀或片狀形式出現，點狀雜質硬質點多為SiC顆粒，片狀雜質硬質點多為碳化硅及氮化硅顆粒。雜質硬質點在多晶硅硅錠分布區域明顯差異，出現誘因也不同。通常頭部雜質硬質點多的一個原因是雜質總量高或硅原材料雜質量高、多晶硅鑄錠配方匹配度低（多以角落長為主），另外一個原因是坩堝內表面噴涂的氮化硅粉與坩堝高溫收縮系數不匹配導致的氮化硅粉倒伏；多晶硅硅錠中部雜質硬質點主要誘因是白斑穿刺、氮化硅高溫溶解脫離、坩堝特性與鑄錠配方不匹配（長晶過快）；尾部雜質硬質點總量也高，誘因主要是硅原料雜質總量大、氮化硅粉散落、粘堝等。為了規避因雜質硬質點造成的裂片率，通常會用紅外檢測儀檢測多晶硅硅錠開方后的方棒的硬質點，提前進行截斷處理，確保硅片的出片率。因此，降低雜質硬質點的含量有利于提高多晶硅太陽能電池的生產效率。

3.3紅邊紅區

紅邊紅區是指多晶硅鑄錠過程中，石英坩堝中大量雜質高溫滲透入硅錠中，導致硅錠少子壽命偏低，在少子壽命掃描圖呈現紅色，主要集中在貼近石英坩堝區域的硅錠區域。紅邊紅區產生的因素較多，除了硅原材料雜質總量影響外，還與坩堝的純度、高純層純度、高純層高溫供氧、氮化硅粉純度及致密度有關。坩堝本質雜質濃度偏高，如金屬元素鐵、鋯、銅等含量之一異常偏高，又如摻雜元素鋁、鋰、磷等含量異常偏高，均會引起鑄錠過程中硅錠紅邊紅區偏高。特別是帶有高純層的坩堝對鑄錠硅錠性能影響較大，高層致密度低，高純層高溫嚴重收縮或膨脹導致開裂剝落，高純層高溫致密化速率慢于方石英化速率，高純涂層致密化受阻，高層致密化溫度偏高，都會造成雜質擴散阻隔能力較弱，引發紅邊紅區異常。

參考文獻

[1]滕飛，馮相昭，李捷. 加強溫室氣體管理制度建設積極應對氣候變化[J]. 環境保護， 2011（11）：12-15.

[2]崔榮強，沈輝，楊德仁，朱俊生，吳達成，趙玉文，施正榮. 光伏發電在中國能源結構中戰略地位的思考[C]. 第四屆中國太陽能及光伏發電研討會論文集，2008，21-22.

[3]可再生能源發展“十三五”規劃. 國家發展改革委， 2016， 12.

[4]張聰. 多晶硅鑄錠低少子壽命紅區抑制及工藝優化研究[D]. 昆明理工大學， 2017.

[5]梅向陽.真空定向凝固法去除硅中金屬雜質和晶體生長控制的研究[D].昆明理工大學， 2010.

[6]岳立洗， 武文雙， 及沖沖， 余志永. 石英陶瓷坩堝對多晶硅鑄錠質量的影響[J]. 鑄造技術， 2015， 36（3）：779-782.

[7]候曉東. 太陽能多晶硅鑄錠技術的研究[D]. 天津大學， 2016.

作者簡介：傅小龍，材料物理與化學專業，碩士，工程師，教師，主要從事壓電陶瓷材料、微波介質材料、功能涂層材料、半導體光電器件等研究工作，從事半導體、光伏發電、光電器件、新能源等領域的教學工作。