高效多晶硅錠側(cè)部缺陷生長(zhǎng)抑制工藝

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)

太陽(yáng)能資源豐富、分布廣泛，是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉础ｋS著全球能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題日益突出，太陽(yáng)能光伏發(fā)電因其清潔、安全、便利、高效等特點(diǎn)，已成為世界各國(guó)普遍關(guān)注和重點(diǎn)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。隨著太陽(yáng)能光伏行業(yè)的蓬勃發(fā)展，多晶硅太陽(yáng)能電池逐漸成為市場(chǎng)的主流。目前市場(chǎng)上60%以上的多晶硅太陽(yáng)能電池都是利用鑄造多晶硅制備的。因此如何提高鑄造多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。當(dāng)前鑄造多晶硅主要采用定向凝固法生長(zhǎng)[1-2]，多晶硅生長(zhǎng)質(zhì)量受坩堝側(cè)壁的缺陷和雜質(zhì)擴(kuò)散、及其引發(fā)的形核長(zhǎng)晶造成位錯(cuò)、靠近坩堝底部的因坩堝雜質(zhì)擴(kuò)散以及雜質(zhì)分凝到頭部等影響，這些都會(huì)導(dǎo)致硅片從尾部到頭部出現(xiàn)效率衰減情況，如圖1所示。王朋等研究[3]發(fā)現(xiàn)頭部和底部紅區(qū)的硅片電池效率較差。

圖1 多晶硅錠少子壽命及對(duì)應(yīng)順序硅片的轉(zhuǎn)換效率分布曲線

一般來(lái)說(shuō)，高效多晶硅中晶粒大小隨著晶錠高度的增加而增加，雜質(zhì)和缺陷也相應(yīng)增加，學(xué)者對(duì)相關(guān)機(jī)理及改善進(jìn)行了大量研究。AKS?iland等[4]分析多晶硅錠頭部雜質(zhì)形態(tài)是β-SiC和β-Si3N4。張志強(qiáng)等[5]、Chernov和Temkin等[6]分別描述了結(jié)晶界面對(duì)夾雜物的俘獲過(guò)程和條件和結(jié)晶界面對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響，提出平坦結(jié)晶界面有利于晶體生長(zhǎng)質(zhì)量。王梓旭等[7]發(fā)現(xiàn)采用摻鋇高純隔離層能有效阻擋雜質(zhì)污染硅錠，改善鑄錠中的邊部紅區(qū)，提高硅錠整體質(zhì)量。本研究主要解決的就是將頭尾衰減區(qū)域提高，從而達(dá)到提升整錠硅片光電轉(zhuǎn)換效率的目的。

1 實(shí)驗(yàn)方案

采用GT DSS450型鑄錠爐、分區(qū)導(dǎo)熱護(hù)板、G5型功能性涂層坩堝，定向凝固長(zhǎng)晶鑄錠完成后，對(duì)硅錠依次剖成5×5=25個(gè)硅塊，截?cái)喙鑹K的頭尾電性能異常部分后，再切割成硅片，最后按硅塊從尾至頭的排序制作成電池，收集效率表現(xiàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)電池片的性能進(jìn)行測(cè)試。

檢測(cè)表征：利用數(shù)碼相機(jī)和高清紅外探傷儀(Semilab PLB 55i)觀測(cè)硅錠側(cè)部長(zhǎng)晶形貌，利用少子壽命測(cè)試儀(Semilab，WT2000)掃描檢測(cè)硅塊側(cè)面的少數(shù)載流子壽命，利用PL光致發(fā)光測(cè)試儀(BT imaging，LIS-R1)檢測(cè)位錯(cuò)分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 側(cè)部長(zhǎng)晶

隨著溫度的降低，硅晶體進(jìn)行定向生長(zhǎng)，坩堝壁也會(huì)自發(fā)進(jìn)行形核。見(jiàn)圖2分區(qū)導(dǎo)熱護(hù)板設(shè)計(jì)，對(duì)鑄錠石墨護(hù)板增加軟氈的改造，增加中上部保溫，使硅錠中心和邊緣散熱均勻，獲得低應(yīng)力強(qiáng)對(duì)流的平坦化生長(zhǎng)界面，抑制從坩堝側(cè)部形核的晶體往中心區(qū)域生長(zhǎng)。另外，護(hù)板下面預(yù)留一定的高度，在熔化階段可以增強(qiáng)硅液對(duì)流，減少雜質(zhì)富集，這樣有利于生長(zhǎng)出更加優(yōu)質(zhì)的晶體。

圖2 坩堝分區(qū)導(dǎo)熱護(hù)板設(shè)計(jì)

由圖3硅錠少子壽命掃描圖對(duì)比可知，采用坩堝分區(qū)導(dǎo)熱護(hù)板設(shè)計(jì)改造后，如箭頭所示，硅錠側(cè)部長(zhǎng)晶明顯減少，鄰近坩堝壁的硅塊由于晶體擠壓形成的位錯(cuò)缺陷(少子壽命花紋)更少，質(zhì)量明顯更好。

2.2 側(cè)部缺陷雜質(zhì)擴(kuò)散

坩堝壁自發(fā)形核通常晶粒雜亂、缺陷多、雜質(zhì)濃度高，難以阻隔，從而降低了硅錠邊部晶體少子壽命。高純坩堝生產(chǎn)成本高，常規(guī)坩堝中的金屬雜質(zhì)在高溫下快速擴(kuò)散，難以找到可以阻擋雜質(zhì)的高純材料。采用含細(xì)硅粉層的新型功能缺陷阻隔坩堝涂層，其硅晶生長(zhǎng)如圖4所示，側(cè)面晶粒更加細(xì)小均勻，可以抑制坩堝壁自發(fā)形核并產(chǎn)生吸雜效應(yīng)，從而改善硅錠邊角區(qū)域晶體質(zhì)量。另外，該涂層具有減緩硅錠和坩堝之間的擠壓，減少硅錠內(nèi)部應(yīng)力，從而達(dá)到降低硅錠位錯(cuò)、提升硅片制作成電池的光電轉(zhuǎn)換效率的目的。

圖4 帶功能缺陷阻隔坩堝涂層的硅晶體生長(zhǎng)示意圖

對(duì)使用阻隔涂層后鄰近坩堝的硅塊晶體生長(zhǎng)形態(tài)及缺陷(少子壽命)進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。無(wú)功能涂層阻隔情況下，花紋為缺陷，生長(zhǎng)界面過(guò)凹，存在擠壓應(yīng)力，邊部缺陷較多；引入阻隔涂層后的鑄錠爐固液界面更加平坦，改善了硅錠的側(cè)向長(zhǎng)晶，從圖5中可以看出，硅晶基本都為垂直柱狀生長(zhǎng)，缺陷少。

圖5 涂層阻隔前(a)后(b)晶體生長(zhǎng)形態(tài)及少子壽命圖

2.3 位錯(cuò)比較

研究發(fā)現(xiàn)硅塊少子壽命的“花紋”區(qū)域和硅塊位錯(cuò)缺陷區(qū)域一致。利用公司自主開(kāi)發(fā)的軟件分析硅塊少子壽命的“花紋”比例來(lái)對(duì)應(yīng)確定硅塊的位錯(cuò)缺陷情況，通過(guò)這種方式來(lái)反應(yīng)出硅塊的質(zhì)量。少子壽命的“花紋”比例值越低，代表該硅錠的質(zhì)量越好，電池效率越高。因此，對(duì)比本研究實(shí)施改造前后的花紋比例均值，從圖6可以看到，采用本研究的鑄錠石墨護(hù)板增加軟氈和新型功能缺陷阻隔坩堝涂層技術(shù)改造后硅塊少子壽命的“花紋”比例(位錯(cuò))均值明顯程下降趨勢(shì)，累計(jì)平均值從8.56%下降至6.02%，下降了2.54%。

圖6 技術(shù)改造前后位錯(cuò)均值分布

對(duì)隨機(jī)挑選改進(jìn)工藝生產(chǎn)的高效多晶硅塊和常規(guī)多晶硅塊進(jìn)行切片，然后抽取頭中尾部各一片進(jìn)行光致發(fā)光(PL)測(cè)試，分析對(duì)比二種工藝的位錯(cuò)情況，黑色代表位錯(cuò)，如圖7所示。對(duì)比可以看到，工藝改善后硅錠邊部形核和生長(zhǎng)階段均未產(chǎn)生明顯位錯(cuò)黑團(tuán)，同時(shí)光致發(fā)光襯度更亮，使得邊部硅片缺陷很少雜質(zhì)更低。

圖7 硅錠邊部硅片改善前(a)后(b)光致發(fā)光測(cè)試圖

2.4 電池轉(zhuǎn)換效率

對(duì)實(shí)驗(yàn)的三個(gè)硅塊的抽樣硅片進(jìn)行排序電池效率測(cè)試，硅塊尾至中部，效率提升較快，中部持續(xù)保持高效率過(guò)程較長(zhǎng)，中頭部硅片整體往效率高位持續(xù)，最頭部才出現(xiàn)效率衰減下降。

圖8 改進(jìn)工藝硅片的排序電池轉(zhuǎn)換效率

3 結(jié) 論

本研究通過(guò)添加分區(qū)導(dǎo)熱護(hù)板設(shè)計(jì)和使用功能阻隔涂層，實(shí)現(xiàn)了晶體生長(zhǎng)界面的改善，有效抑制了坩堝壁缺陷及雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，降低了硅錠中頭部的位錯(cuò)缺陷，使頭部硅片的電池轉(zhuǎn)換效率提升。

(1)硅塊少子壽命的“花紋”比例均值明顯程下降趨勢(shì)，累計(jì)平均值從8.56%下降至6.02%，下降了2.54%。

(2)硅塊中頭部硅片的電池轉(zhuǎn)換效率衰減變緩，效率平均提升約0.1%。