定向凝固技术铸锭多晶硅硅锭性能的影响因素.pdfVIP

定向凝固技术铸锭多晶硅硅锭性能的影

响因素

【Summary】本文主要介绍了定向凝固法铸锭多晶硅，并分析了多晶硅铸锭硅锭

性能的影响因素。

【Key】多晶硅；红边红区；少子寿命；杂质硬质点；定向凝固技术

引言

随着全球经济社会的快速发展，全球将面临着石油、煤炭、天燃气等化石能源

枯竭危机，且气候逐渐变暖，环境污染日益严峻，生态压力日益增大。虽然短

期内无法脱离这些传统能源，但是全球的生产力和科技水平均已提升，能促使

人类有能力开发新能源。太阳能是诸多新能源中极具挖掘潜力的可再生清洁能

源之一，同时太阳能光伏产业已成为世界新能源研宄领域的热点。

硅材料是太阳能光伏产业必不可少的关键材料，通过硅材料制备而成的半导体

界面，可根据硅半导体的光生伏打效应原理，将太阳能转换成电能，实现太阳

光的利用，通常这种转换装置都制备成了太阳能电池。但是硅材料的品质和性

获取优质的硅材料是技术的突破点。

太阳能电池中有单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。多晶硅和单晶硅都是

硅材料的表现形式，但是多晶硅材料的电性能相对比单晶硅的电性能差，导致

多晶硅太阳能电池的转换效率相对偏差。主要原因是多晶硅材料在形成太阳能

电池前需要经过多晶硅原料提纯、铸锭、切片、制备电极等环节，每个环节均

有可能引入一些不可控杂质，改变材料的局部电性能，最终影响光电转换效

率。然而，多晶硅铸锭环节是影响多晶硅材料电性能的重要关键环节，在多晶

硅铸锭生产过程中，铸锭炉热场分布不均匀、硅锭形成位错、应力、微缺陷等

晶体缺陷均会降低多晶硅硅锭性能。本文通过分析定向凝固技术铸锭多晶硅、

多晶硅硅锭性能影响因素和石英坩埚铸锭影响，发现定向凝固技术的突破点在

于增强石英陶瓷坩埚与铸锭工艺的匹配性。

1定向凝固法铸锭多晶硅

太阳能电池用多晶硅对杂质含量要求较高，一般要求在6个9纯度级别以上才

能满足工艺技术要求。起初，所用的多晶硅都是采用西门子法制备获得，该方

法制备的多晶硅在纯度上虽然能满足产品要求，但是工艺复杂、成本较高，无

法满足现阶段太阳能电池用多晶硅的生产加工要求。目前，最常用的太阳能电

池用多晶硅多采用铸造技术，比如定向凝固法、浇注法、热交换法、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种金属

杂质，还能控制多晶硅中硅晶体的定向生长结构形貌，在多晶硅铸锭厂家中广

泛应用。定向凝固法是在特定铸锭炉中通过外界设计强制控制热场、温控程

序，在多晶硅凝固过程中建立液相与固相界面，该界面沿预设方向具备温度梯

制凝固过程中硅晶粒取向、尺寸，也可以消除横向晶界并获得柱状晶，甚至通

过技术改进获得铸造单晶，提高多晶硅的力学和电学性能等。

2多晶硅硅锭性能影响因素

随着定向凝固技术铸锭生产多晶硅的不断完善，多晶硅生产成本逐步降低和多

晶硅转换效率非常适合生产太阳能电池，从而扩大了多晶硅太阳能电池市场行

情。然而，对于光伏发电技术而言，技术的进步和成本降低都依托于多晶硅生

产，多晶硅晶体的质量提升就是光伏发电技术质的飞跃。但多晶硅铸锭过程中

会引发多晶硅缺陷，比如微晶、位错、晶界、隐裂等。这些因素会严重影响多

晶硅硅锭性能。

微晶是多晶硅硅锭中的重要缺陷，其是指硅原料定向凝固过程中，又硅晶体生

长环境失衡、温度梯度不稳定和局部形核率偏高等，诱导硅锭中晶体的晶粒尺

寸异常小的晶粒。微晶的晶界相比正常晶粒要多，氧、碳、氮和金属杂质沉淀

的相对几率增加，对多晶硅的转换效率不利。硅锭内裂一方面是由铸锭过程中

铸锭工艺控制不当，造成硅锭退火阶段过程内应力无法安全释放或内应力释放

过快；另外一方面是石英坩埚氮化硅喷涂不当、高纯涂层高温开裂脱落或渗硅

严重，导致坩埚与硅锭粘连，冷却脱模拉裂，造成多晶硅硅锭出材率低并产生

新的内应力。

3石英坩埚对多晶硅铸锭硅锭的影响

石英坩埚作为定向凝固技术铸锭多晶硅硅锭的配件，主要用多晶硅铸锭过程中

装载多晶硅原材料和高温下使多晶硅原材料熔融的容器，且属于一次性耗材。

晶硅铸锭硅锭影响较大，如白斑、红边红区、杂质硬质点等。

3.1白斑

通常白斑是指硅液穿刺，在硅锭冷却后与坩埚同面的表面出现白色斑点（如图

1所示）。该现象出现与氮化硅致密度、坩埚表面高纯层高温性能有关，单独

测量该处硅锭的氧含量有增加。多晶硅硅锭中氧含量增加，就容易形成氧施主

或氧沉淀并形成复合中心，导致多晶硅材料少数载流子寿命降低，直接影响多

晶硅太阳能电池的转换效率。

3.2杂质硬质点

杂质硬质点是指多晶硅硅锭在开方线切割切片过程中，由于多晶硅硅锭中沉淀

的金