高效超薄多晶硅片生產(chǎn)中的若干關(guān)鍵技術(shù)

吳 波，王偉楊，許 磊，金 浩，陳 偉，肖貴云

（1.上饒師范學(xué)院江西省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西上饒334001；2.晶科能源有限公司，江西上饒334199）

高效超薄多晶硅片生產(chǎn)中的若干關(guān)鍵技術(shù)

吳 波1，王偉楊1，許 磊1，金 浩2，陳 偉2，肖貴云2

（1.上饒師范學(xué)院江西省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西上饒334001；2.晶科能源有限公司，江西上饒334199）

高效超薄多晶硅片是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多晶硅太陽(yáng)電池的基礎(chǔ)。結(jié)合晶科能源有限公司的生產(chǎn)實(shí)際，探討了高效超薄多晶硅片生產(chǎn)中的若干關(guān)鍵技術(shù)問題，對(duì)相關(guān)企業(yè)改進(jìn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有一定的指導(dǎo)意義。

太陽(yáng)電池；多晶硅片；關(guān)鍵技術(shù)

我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速，2012年我國(guó)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)量已占全球的50%以上，太陽(yáng)能電池產(chǎn)量名列全球第一，預(yù)計(jì)2016年國(guó)內(nèi)光伏裝機(jī)將突破19GW。由于制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高，在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化的太陽(yáng)電池中，多晶硅太陽(yáng)電池占了絕大部分［1］［2］。

優(yōu)質(zhì)高效多晶硅片是生產(chǎn)高轉(zhuǎn)換效率多晶硅太陽(yáng)電池的基礎(chǔ)，目前國(guó)內(nèi)外晶體硅太陽(yáng)能電池所用的多晶硅片，主要以定向凝固鑄錠與多線切割制造方法為主，因此對(duì)多晶硅鑄錠及其切片的工藝和技術(shù)進(jìn)行研究具有重要意義。晶科能源有限公司擁有百余臺(tái)先進(jìn)的鑄錠爐，在鑄錠與切片生產(chǎn)工藝和技術(shù)上走在了世界同行的前列。本文結(jié)合晶科能源有限公司的生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)多晶硅片生產(chǎn)中的若干關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行探討，為相關(guān)企業(yè)改進(jìn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了借鑒和參考。

1 高效超薄多晶硅片的研發(fā)路徑和生產(chǎn)流程

1.1 研發(fā)路徑

如圖1所示，高效超薄多晶硅片的技術(shù)研發(fā)主要涉及4個(gè)方面的問題：鑄錠熱場(chǎng)設(shè)計(jì)、長(zhǎng)晶工藝、硅錠退火以及切片工藝。多晶硅鑄錠熱場(chǎng)是多晶鑄錠爐的核心，設(shè)計(jì)合理的多晶硅鑄錠熱場(chǎng)將有利于提高多晶硅片的轉(zhuǎn)換效率，降低能耗及生產(chǎn)成本。熱場(chǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是：盡可能減小熱場(chǎng)的橫向溫度梯度，確保熱流沿垂直方向傳導(dǎo)；長(zhǎng)晶工藝的要點(diǎn)是：為了降低隨機(jī)晶界，在鑄錠爐底部鋪設(shè)一層失配度較低的形核源，以提高晶相的一致性；退火工藝主要是解決硅錠的熱應(yīng)力問題，實(shí)踐表明，優(yōu)良的退火工藝不但可以避免硅錠破裂，而且還能有效降低位錯(cuò)密度；切片工藝則要求硅片有較薄的厚度、較低的破片率。隨著硅片制備工藝水平的不斷提高，硅片的切割厚度已降至150μm，多晶硅用量降低到7g／wp。

1.2 生產(chǎn)流程

如圖2所示，多晶硅片的生產(chǎn)流程主要是：配料準(zhǔn)備、坩堝準(zhǔn)備、多晶鑄錠、硅錠形成、硅錠開方、硅塊切片等6個(gè)過程，下面依次簡(jiǎn)單介紹。

1.2.1 配料準(zhǔn)備

配料就是根據(jù)各種不同原料的電阻率，合理搭配原料比例，形成符合生產(chǎn)要求的多晶硅硅料。配料的原料主要有原生多晶硅料、頭尾料、邊皮料、顆粒料、碎硅片等。此外，在配料中還要摻入一定數(shù)量的母合金，并選擇硼作為摻雜劑，因此最后制成的是P型多晶硅。

圖1 高效多晶硅片的研發(fā)路徑

圖2 高效多晶硅片的生產(chǎn)流程

1.2.2 坩堝準(zhǔn)備

在石英坩堝的內(nèi)壁，噴涂一層致密的氮化硅涂層。該涂層阻止了高溫熔融硅液與石英坩堝反應(yīng)，避免脫模時(shí)出現(xiàn)粘鍋現(xiàn)象。氮化硅涂層的使用，降低了對(duì)石英坩堝制造材料的純度要求，節(jié)約了成本。同時(shí)，涂層還阻止了氧及其它雜質(zhì)元素進(jìn)入硅液，有效地提升了硅片的電學(xué)性能。

1.2.3 多晶鑄錠

多晶鑄錠的核心是熱場(chǎng)的設(shè)計(jì)。合理、有效的多晶鑄錠爐內(nèi)熱場(chǎng)將有助于提高多晶硅片質(zhì)量，降低能耗及成本?，F(xiàn)行的多晶鑄錠多采用定向凝固法，加熱方式是從頂部和四周側(cè)面同時(shí)進(jìn)行。在長(zhǎng)晶過程中，由于多晶硅鑄錠爐加熱器對(duì)坩堝側(cè)壁的熱輻射不均勻，造成熔體硅內(nèi)部的溫度不均勻。在橫向維度，中心溫度低，而四周溫度高，換句話說，中心與四周側(cè)壁存在一個(gè)橫向溫度梯度。顯然，鑄錠的質(zhì)量越大，橫向溫度梯度越大。熱場(chǎng)的這種橫向溫度梯度使得固液界面不是理想的平面，而是略顯凸型，從而造成硅錠切片時(shí)的硅料浪費(fèi)。此外，熱輻射的不均勻容易使坩堝邊緣的籽晶熔化，導(dǎo)致硅錠籽晶保有面積偏小，直接影響鑄錠質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)熱場(chǎng)時(shí)要盡可能減少橫向溫度梯度。在垂直方向，通過控制隔熱籠的提升速度來調(diào)控縱向溫度梯度，使熱流由上往下傳導(dǎo)，由于底部溫度低，頂部溫度高，所以液態(tài)硅的凝結(jié)是自下而上進(jìn)行的。在晶體生長(zhǎng)過程中，液態(tài)硅凝固成固態(tài)硅，同時(shí)放出相變潛熱，這個(gè)相變過程發(fā)生在固液界面上。結(jié)晶學(xué)表明，溫度梯度是晶體生長(zhǎng)的原動(dòng)力，要保證晶體的定向生長(zhǎng)，一個(gè)關(guān)鍵因素是，硅液必須保持在單一方向的熱流和精準(zhǔn)控制的熱場(chǎng)中。因此，生長(zhǎng)低缺陷多晶硅的重要條件是，在長(zhǎng)晶過程中要盡量減少橫向溫度梯度，使固液界面保持平坦，這就要求熱場(chǎng)的等溫線垂直于生長(zhǎng)方向，同時(shí)控制好縱向熱流。

1.2.4 硅錠形成

當(dāng)結(jié)晶過程進(jìn)行到一半左右時(shí)，由于液態(tài)硅越來越少，它所能提供的相變潛熱也越來越少，所以要及時(shí)調(diào)高加熱器功率。當(dāng)全部硅液都凝固后，硅錠還不能立即出爐，因?yàn)榇藭r(shí)縱向的溫度梯度仍然存在。在溫度梯度沒有消失之前出爐，會(huì)在硅錠內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力或者裂紋。所以，當(dāng)長(zhǎng)晶過程結(jié)束時(shí)，還要關(guān)閉隔熱層，重新對(duì)硅錠進(jìn)行加熱，使其在1370℃的臨界溫度下保持3～4h，這樣就消除了硅錠內(nèi)部的溫度梯度，使硅錠內(nèi)部的溫度緩慢趨于均勻，這個(gè)過程稱為“退火”。退火可以消除硅錠內(nèi)部的應(yīng)力和裂紋，從而避免硅片在切割過程中的破損。退火結(jié)束后將爐子轉(zhuǎn)換到功率控制模式，減低爐內(nèi)溫度。當(dāng)爐內(nèi)溫度降低到400℃時(shí)，打開爐體，將硅錠叉運(yùn)出來，再在室溫下緩慢冷卻28h。之后便可進(jìn)入下一道工序——硅錠開方，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中注意一定要輕拿輕放，避免撞擊損傷。

1.2.5 硅錠開方

所謂硅錠開方，就是將硅錠切成若干個(gè)長(zhǎng)方體小塊，以便進(jìn)一步切割成硅片。為了對(duì)硅錠開方后的邊皮料和頂皮料進(jìn)行回收再利用，還要對(duì)硅錠進(jìn)行“噴砂”處理。所謂噴砂，就是利用含有顆粒狀、高硬度的碳化硅研磨漿，高速射向硅錠，從而“打磨”掉硅錠6個(gè)受氮和碳雜質(zhì)污染的表層，“打磨”厚度為1～5mm，其中頂部“打磨”的厚度要大些。我們知道，為了防止粘堝，石英坩堝的4個(gè)側(cè)面和底面的內(nèi)表面都涂有氮化硅涂層，這些涂層在高溫下會(huì)有部分滲透到凝固的硅錠表面；此外，由于加熱器的材料是石墨，在高溫下也會(huì)使部分碳進(jìn)入硅液，形成碳化硅，這種碳雜質(zhì)的污染情況在頂部尤為嚴(yán)重。相對(duì)純硅而言，硅的化合物氮化硅和碳化硅的硬度要大得多，所以，如果含有氮化硅和碳化硅的硅錠表層不去除，在硅錠切割過程中，就容易發(fā)生線鋸斷線現(xiàn)象。

1.2.6 硅塊切片

多晶硅片一般為156mm×156mm的正方形?，F(xiàn)今的硅片切割大多采用線鋸技術(shù)，為了降低硅原料的切割損耗，在保證不斷線的情況下，切割線越細(xì)越好。另外，硅片越薄，同一硅錠能夠切出的硅片越多，對(duì)硅料的消耗越少。有數(shù)據(jù)表明，硅片厚度從330μm減到130μm，硅原料消耗量最多可以降低60%，由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益是驚人的。另一方面，由于硅是間接能帶半導(dǎo)體材料，光吸收系數(shù)較低，因此為了有效地吸收太陽(yáng)能，多晶硅片的厚度一般不能小于100μm。

線鋸技術(shù)的原理是，多達(dá)1000條高強(qiáng)度切割線（俗稱“線網(wǎng)”）在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下高速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，向切割線持續(xù)地噴射含有高硬度、懸浮狀的碳化硅顆粒的研磨漿，通過碳化硅顆粒與硅料間的磨擦進(jìn)行切割。順便指出，由于含有碳化硅雜質(zhì)，切割過程中所產(chǎn)生的硅廢料是不能直接重復(fù)利用的，必須經(jīng)過提純后才重新用來作為鑄錠原料。

2 高效超薄多晶硅片的關(guān)鍵技術(shù)

高效超薄多晶硅片生產(chǎn)的關(guān)鍵是多晶硅鑄錠，目前，多晶鑄錠大多采用定向凝固法。定向凝固法的核心是熱場(chǎng)設(shè)計(jì)，此外，精準(zhǔn)控制長(zhǎng)晶速度也是降低雜質(zhì)和位錯(cuò)密度、提高硅片電學(xué)性能的關(guān)鍵。

2.1 熱場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)

熱場(chǎng)是指鑄錠爐內(nèi)的溫度分布及溫度梯度，熱場(chǎng)設(shè)計(jì)可分為靜態(tài)熱場(chǎng)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)熱場(chǎng)設(shè)計(jì)。靜態(tài)熱場(chǎng)設(shè)計(jì)是指對(duì)鑄錠爐的加熱方式、加熱器、真空加熱室以及隔熱屏的設(shè)計(jì)；動(dòng)態(tài)熱場(chǎng)設(shè)計(jì)是指在晶體生長(zhǎng)過程中，通過對(duì)加熱器功率的大小、隔熱籠位置的變化等進(jìn)行調(diào)控從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度梯度的精準(zhǔn)控制。熱場(chǎng)設(shè)計(jì)對(duì)多晶硅晶體的生長(zhǎng)至關(guān)重要，熱場(chǎng)技術(shù)是多硅鑄錠的核心技術(shù)。由于熱場(chǎng)對(duì)晶體生長(zhǎng)速度、固液界面的形狀、熱應(yīng)力分布、位錯(cuò)密度以及雜質(zhì)分布等直接相關(guān)，因此熱場(chǎng)設(shè)計(jì)是多晶硅鑄錠的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)［3］對(duì)熱場(chǎng)的主要部件進(jìn)行了較為系統(tǒng)的理論計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)［4］采用凹坑坩堝對(duì)熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，文獻(xiàn)［5］采用石墨碳?xì)职谑o(hù)板四角一側(cè)的辦法，顯著改善了橫向熱場(chǎng)的均勻性，文獻(xiàn)［6］對(duì)隔熱屏進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。晶科能源公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用低應(yīng)力熱場(chǎng)技術(shù)，減少多晶鑄錠熱場(chǎng)中橫向溫度梯度，從而降低多晶鑄錠的橫向應(yīng)力，相關(guān)產(chǎn)品獲江西省重點(diǎn)新產(chǎn)品。圖3、圖4分別是熱場(chǎng)改造前后的溫度分布。由二圖可知，在熱場(chǎng)優(yōu)化前，橫向溫度梯度較大；優(yōu)化后，橫向溫度梯度明顯降低。如果晶體生長(zhǎng)處于較大橫向溫度梯度的環(huán)境中，會(huì)在長(zhǎng)晶后的硅錠中形成較大的橫向熱應(yīng)力，在隨后的冷卻過程中，這種應(yīng)力會(huì)促使位錯(cuò)擴(kuò)展和滑移，從而影響硅片質(zhì)量。如表1所示，晶科能源的低應(yīng)力熱場(chǎng)技術(shù)使硅片質(zhì)量得到提升，在降低能耗的同時(shí)還提高了生產(chǎn)效率。

圖3 熱場(chǎng)改造前爐內(nèi)的溫度分布

圖4 熱場(chǎng)改造后爐內(nèi)的溫度分布

表1 熱場(chǎng)優(yōu)化前后多晶硅片轉(zhuǎn)換效率、能耗、鑄錠速度對(duì)比

2.2 多晶硅鑄錠技術(shù)

目前大多數(shù)企業(yè)的多晶硅鑄錠都采用定向凝固法，其典型生產(chǎn)工藝過程及技術(shù)要點(diǎn)為［7］：①裝料階段：多晶鑄錠對(duì)硅料的純度要求不高，一般有6N（即99.9999%）左右就夠了，所以半導(dǎo)體工業(yè)的頭尾料、邊皮料等都可以作為多晶硅料加以重復(fù)利用。配料時(shí)要根據(jù)各種不同原料的電阻率，合理搭配其比例。裝料時(shí)要緩慢平鋪，不能投擲，以免劃傷坩堝內(nèi)壁的氮化硅涂層，造成鑄錠時(shí)對(duì)硅液的污染；②抽空階段：將裝有硅料的石英坩堝放置在爐內(nèi)石墨板（冷卻板）上，再將下爐罩提升與上爐罩合攏，以關(guān)閉鑄錠爐并抽真空，使硅料所吸附的水分、油脂以及空氣中的雜質(zhì)抽出爐外，同時(shí)通入氬氣作為保護(hù)氣體，爐內(nèi)壓力大致保持在4×104～6×104Pa左右；③加熱階段：加熱器的控制有功率控制和溫度控制兩種模式。在加熱階段，應(yīng)選擇功率控制模式，以使?fàn)t內(nèi)溫度迅速上升至硅料的轉(zhuǎn)化溫度1175℃，保持該溫度1.5h，同時(shí)將功率控制模式切換為溫度控制模式；④熔化階段：在加熱器的溫度控制模式下，繼續(xù)提升爐內(nèi)溫度至1540℃，保持這個(gè)溫度直到硅料完全熔化。注意在這個(gè)階段的加溫速度不能太快，否則會(huì)引起坩堝破裂；⑤長(zhǎng)晶階段：熔化階段結(jié)束后，緩慢降低爐內(nèi)溫度直到硅熔點(diǎn)溫度1420℃。在這個(gè)過程中，隨著隔熱籠的緩慢提升，底部的石墨冷卻板慢慢脫落加熱區(qū)，從而形成一個(gè)下低上高的縱向溫度梯度。在這個(gè)縱向溫度梯度的作用下，硅液開始結(jié)晶。長(zhǎng)晶過程最初是在坩堝底部形成晶核，然后由下至上進(jìn)行，長(zhǎng)晶速率約為2cm／h；⑥退火階段：當(dāng)長(zhǎng)晶過程結(jié)束時(shí)，由于下低上高的縱向溫度梯度依然存在，此時(shí)如果立即將硅錠冷卻到室溫，便會(huì)在硅錠內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。退火工藝可以消除硅錠內(nèi)部的這種熱應(yīng)力，即重新提升硅錠的溫度到1370℃并保持1.5－3h。

定向凝固多晶硅鑄錠技術(shù)的關(guān)鍵是：精準(zhǔn)控制縱向溫度梯度，以保持一個(gè)恰當(dāng)?shù)哪趟俣?，從而長(zhǎng)出取向性較好的柱狀多晶硅；盡可能減小橫向溫度梯度，以保持固液界面的平直，使硅錠電學(xué)性能均勻一致。定向凝固法的晶體生長(zhǎng)過程是一個(gè)復(fù)雜的相變過程，晶體生長(zhǎng)速度滿足方程：

由此可見，定向凝固法本質(zhì)上是一個(gè)受方向控制的晶體生長(zhǎng)過程，而溫度梯度則是長(zhǎng)晶的原動(dòng)力。由于在長(zhǎng)晶初期的成核階段較易形成隨機(jī)晶向的晶粒，一般要在坩堝的底部鋪設(shè)一層多晶硅碎片作為籽晶，以保證晶向的一致性和晶粒的均勻性。

2.3 低雜質(zhì)、低缺陷控制技術(shù)

多晶硅鑄錠中的雜質(zhì)和缺陷會(huì)顯著影響電池片的電學(xué)性能，降低轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)也會(huì)使硅片容易破碎，降低其力學(xué)性能。因此，控制和降低多晶硅中的雜質(zhì)、缺陷是保證硅片質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.3.1主要雜質(zhì)及其控制

多晶硅中的雜質(zhì)主要有兩個(gè)來源：一是來自鑄錠所采用的硅原料。為了節(jié)約成本，原料一般采用半導(dǎo)體工業(yè)中剩下的頭尾料和邊皮料，這些原料含有較多的雜質(zhì)；二是來自鑄錠過程。在高溫狀態(tài)下，石英坩堝、加熱器對(duì)硅液都有污染。當(dāng)然，在硅片制備工藝中也會(huì)引入雜質(zhì)。表2表明，在硅原料中，含量最高的雜質(zhì)是鐵，其次是氧和碳，此外還有少量的銅和鎳。

氧是鑄造多晶硅材料中最主要的雜質(zhì)元素，主要來自于石英（二氧化硅SiO2）坩堝的沾污。

表2 多晶硅鑄錠中雜質(zhì)的大致含量

在晶體硅的熔點(diǎn)溫度下（1420℃），硅Si與二氧化硅SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化硅SiO，一部分SiO從熔液表面揮發(fā)掉，其余的分解形成硅和氧。氧的分凝系數(shù)K＞1，即氧在固相中的溶解度大于其在液相中的溶解度，所以，從硅錠的底部到頂部，從邊緣到中心，氧濃度是逐漸降低的［8］。雖然處于間隙位置的氧不顯電學(xué)活性，但在多晶硅鑄錠或熱處理過程中，當(dāng)氧濃度高于溶解度時(shí)，就會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷，成為少數(shù)載流子的復(fù)合中心，大大降低硅片的少子壽命。通常采用磷吸雜、鋁吸雜及磷鋁聯(lián)合吸雜來降低間隙氧雜質(zhì)濃度。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)間隙氧的濃度低于7×1017atom／cm3時(shí)，磷吸雜效果十分顯著，而高于此濃度時(shí)，吸雜效果不明顯甚至更差。此外人們還發(fā)現(xiàn)緩慢冷卻的硅錠中氧濃度較高，這可能是由于緩慢冷卻過程中氧的擴(kuò)散作用［9］。

碳是鑄造多晶硅中另一種影響較大的雜質(zhì)，主要來自于石墨加熱器的沾污。與氧不同，碳的分凝系數(shù)K＜1，即碳在液相中的溶解度明顯高于固相，因此碳雜質(zhì)主要集中在多晶硅錠的頂部。由于碳原子與硅原子一樣外層都只有4個(gè)電子，所以處在替代位置上的碳不會(huì)影響硅材料的電學(xué)活性。但是，如果碳的濃度過高，就會(huì)產(chǎn)生SiC沉淀，誘導(dǎo)產(chǎn)生缺陷，從而降低少數(shù)載流子的壽命。在熱處理過程中，硅錠頂部的碳可能會(huì)形成SiC顆粒等沉淀，在多晶硅中形成“硬質(zhì)點(diǎn)”，造成切割過程中硅片出現(xiàn)線痕，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)還會(huì)使線鋸斷線，造成硅錠報(bào)廢。一些研究者發(fā)現(xiàn)漏電的電池片中存在樹枝狀SiC。研究發(fā)現(xiàn)，鑄造多晶硅中碳的濃度則隨著晶體生長(zhǎng)高度的增加而升高，但是冷卻速率對(duì)碳濃度的影響不大。

鐵等過渡金屬也被認(rèn)為是鑄造多晶硅中常見的有害雜質(zhì)，主要來源是硅料、坩堝涂層等。金屬雜質(zhì)在硅中的分凝系數(shù)K＜1，所以金屬雜質(zhì)主要集中在硅錠的頂部，但硅錠底部也會(huì)存在部分金屬雜質(zhì)，原因是硅錠底部長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下，坩堝中的金屬會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入硅錠。金屬雜質(zhì)屬于深能級(jí)雜質(zhì)，在硅晶體中會(huì)形成復(fù)合中心，降低硅片的少子壽命。有研究表明，雖然金屬雜質(zhì)鐵和鉻的擴(kuò)散系數(shù)較小，但在慢慢退火過程中仍然會(huì)形成沉淀；而銅和鎳的擴(kuò)散系數(shù)則較大，即使快速冷卻也會(huì)形成雜質(zhì)沉淀。所以，為了降低金屬雜質(zhì)，控制退火速度是關(guān)鍵。

2.3.2 主要缺陷及其控制

多晶硅錠中的缺陷分為微觀缺陷和宏觀缺陷，微觀缺陷主要有晶界、位錯(cuò)、微晶等，宏觀缺陷以黑陰影與夾雜物為主。這些缺陷或直接影響晶體質(zhì)量，或者與其它雜質(zhì)及缺陷相互作用對(duì)晶體質(zhì)量造成不良影響。

晶界是指結(jié)構(gòu)相同而取向不同的晶體相互接觸時(shí)形成的界面，是多晶硅錠中存在的主要缺陷。由于多晶硅鑄錠是從底部自由形核開始，因此有大量的不同晶向的晶核產(chǎn)生，當(dāng)它們逐漸長(zhǎng)大到相遇時(shí)就形成晶界。由于有界面態(tài)存在，晶界本身就有電學(xué)活性，而當(dāng)晶界處有雜質(zhì)沉淀或聚集時(shí)，就會(huì)成為少數(shù)載流子的復(fù)合中心，降低少數(shù)載流子的壽命。多晶硅的晶界缺陷是不可避免的，否則就成單晶硅了。為了減少晶界對(duì)多晶硅鑄錠的影響，生長(zhǎng)大晶粒的多晶硅鑄錠成為研究的熱點(diǎn)［10］。

位錯(cuò)是指晶體中某一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排，從幾何上看，屬于一種線缺陷。由于在位錯(cuò)線附近，晶格是不完整的，所以位錯(cuò)處往往是雜質(zhì)富集的地方。位錯(cuò)的存在會(huì)顯著降低電池片的轉(zhuǎn)換效率。多晶硅鑄錠中的位錯(cuò)主要在自由晶界之間形成，而自由晶界主要形成于鑄錠底部，因此可通過降低自由晶界的密度來減少多晶硅鑄錠中的位錯(cuò)。

微晶是指每顆晶粒只由幾千個(gè)或幾萬個(gè)晶胞并置而成的晶體，從一個(gè)晶軸的方向來說這種晶體只重復(fù)了約幾十個(gè)周期。微晶是多晶硅鑄錠中的又一種重要缺陷，用紅外光譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在微晶處存在大量的晶界，而晶界處又存在大量的雜質(zhì)、夾雜物及其它缺陷等。由于微晶區(qū)域存在大量簇狀及枝條狀的碳化硅，將會(huì)造成電池的嚴(yán)重漏電，甚至PN結(jié)短路，嚴(yán)重影響電池性能。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)綜合運(yùn)用的效果

我們以晶科能源有限責(zé)任公司的生產(chǎn)實(shí)踐為例，列舉該公司多晶硅鑄錠生產(chǎn)工藝中的低應(yīng)力熱場(chǎng)技術(shù)及低位錯(cuò)密度技術(shù)，通過綜合運(yùn)用這些技術(shù)，該公司的相關(guān)產(chǎn)品通過江西省科技廳的鑒定，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并獲2014年度江西省重點(diǎn)新產(chǎn)品證書。

①硅系形核源的開發(fā)：該技術(shù)通過開發(fā)晶格失配度較低的硅系形核源，大幅降低初始形核及長(zhǎng)晶位錯(cuò)缺陷，提升硅片品質(zhì)。相對(duì)坩堝底部自身形核，該技術(shù)可以大幅度提高多晶硅片質(zhì)量，提高多晶硅片電池效率0.2%左右，目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)中運(yùn)用，并投入量產(chǎn)；

②長(zhǎng)晶工藝的開發(fā)：該技術(shù)根據(jù)低應(yīng)力熱場(chǎng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)較為平穩(wěn)的晶體生長(zhǎng)速度，提高硅錠在中上部的硅片質(zhì)量，有效提升硅片整體質(zhì)量，提高多晶硅片電池效率0.05%左右，該技術(shù)已批量使用；

③退火工藝方面：根據(jù)多晶硅在不同溫度下的物理特性，設(shè)計(jì)較為合理的退火、冷卻速率。退火新工藝的開發(fā)，有效的釋放了晶體生長(zhǎng)過程中的應(yīng)力，抑制位錯(cuò)在應(yīng)力釋放過程中的擴(kuò)展，并消除部分位錯(cuò)。該技術(shù)提高多晶硅片電池效率0.05%左右。

3 結(jié)論與展望

隨著轉(zhuǎn)換效率和性價(jià)比的提升，多晶硅太陽(yáng)電池正逐步取代單晶硅太陽(yáng)電池成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。高效超薄多晶硅片是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)太陽(yáng)電池的關(guān)鍵，本文探討了高效超薄多晶硅片的研發(fā)路徑和生產(chǎn)流程，并對(duì)生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。熱場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)、定向多晶鑄錠技術(shù)、雜質(zhì)和缺陷控制技術(shù)是生產(chǎn)高效超薄多晶硅片的三大關(guān)鍵技術(shù)，直接關(guān)系到硅片的質(zhì)量。根據(jù)理論計(jì)算，多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率還有上升的空間，關(guān)鍵在于對(duì)爐內(nèi)熱場(chǎng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，在鑄錠過程中對(duì)雜質(zhì)和缺陷進(jìn)行控制，同時(shí)優(yōu)化生產(chǎn)工藝和流程。

近年來，多晶硅片生產(chǎn)技術(shù)有了顯著進(jìn)步。在鑄錠爐的容量上，由當(dāng)初的G4爐、每個(gè)硅錠重約270kg，發(fā)展到現(xiàn)在的G7爐、每個(gè)硅錠重達(dá)1200～1400kg。多晶硅錠的形狀為長(zhǎng)方體，例如450kg硅錠的尺寸為840mm×840mm×260mm，可見硅錠的高度比橫向尺寸小得多。過大的硅錠高度，會(huì)使熱場(chǎng)的縱向溫度梯度、長(zhǎng)晶的速度等則難以控制，從而加大雜質(zhì)的污染，所以硅錠體積的增大，通常是依靠增大橫向尺寸來實(shí)現(xiàn)的。大體積硅錠開方后的邊皮硅塊相對(duì)較少，中心硅塊則相對(duì)較多。由于邊皮硅塊與石英坩堝直接接觸，所含雜質(zhì)污染較大，所以邊皮硅塊切割后的硅片質(zhì)量較差，而中心硅塊切割后的硅片質(zhì)量較好。因此，大體積鑄錠技術(shù)不但可以提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本，同時(shí)也可生產(chǎn)出較多的高質(zhì)量硅片；在硅錠的切割方面，近年來隨著多晶硅片表面氣相刻蝕制絨技術(shù)的突破，金剛石線鋸切割技術(shù)有逐步取代傳統(tǒng)的砂漿切割技術(shù)的趨勢(shì)［11］。金剛石線鋸切割技術(shù)具有切割速度快、切割準(zhǔn)確度高、硅片表面機(jī)械損傷淺、切割硅屑容易回收、環(huán)境負(fù)荷小等優(yōu)點(diǎn)，線鋸技術(shù)的發(fā)展不但節(jié)約了硅料，使硅片的厚度越來越薄，而且轉(zhuǎn)換效率有所提升；在長(zhǎng)晶工藝上，使用單晶碎片或多晶碎片作為籽晶可以獲得晶向一致性較好的硅錠；在熱場(chǎng)設(shè)計(jì)上，使用特殊坩堝或加熱器等，這些都是生產(chǎn)高效多晶硅片的有效方法。近年來，甚至有學(xué)者提出，除熱場(chǎng)外，可在鑄錠爐內(nèi)增加磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)對(duì)硅流體的相互作用來影響長(zhǎng)晶過程。目前，綜合運(yùn)用各種技術(shù)，工業(yè)化生產(chǎn)的多晶硅電池片轉(zhuǎn)換效率可達(dá)18%左右，實(shí)驗(yàn)室最高可達(dá)20.3%。

在光伏組件的成本中，約50%～60%的造價(jià)來自于硅原料，而在多晶硅片生產(chǎn)中，切片過程至少要損耗一半以上的硅料。一方面，為了減少切割損耗，切割線的直徑越細(xì)越好，但切割線太細(xì)容易造成斷線，在大量的切割線中即使有一根發(fā)生斷線，也會(huì)造成整個(gè)硅錠（或硅塊）報(bào)廢，從而造成巨大損失；另一方面，為了充分利用硅料，硅片的厚度越薄越好，但如果太薄，一是在后續(xù)的電池片制作工藝中容易破損，二是由于硅是間接能帶半導(dǎo)體材料，其光吸收系數(shù)較低，當(dāng)硅片厚度小于100μm就不能有效地吸收太陽(yáng)光，所以硅片太薄也不行。以上多晶體硅太陽(yáng)電池存在的矛盾可望通過多晶硅薄膜太陽(yáng)電池得到解決，因?yàn)楹笳卟恍枰懈睿簿蜎]有硅料的切割損耗；此外，只要40μm厚的硅薄膜便可吸收80%太陽(yáng)光［12］，與體硅電池相比，硅原料的消耗大幅度降低。然而，多晶硅薄膜的制備通常采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法，相對(duì)多晶硅鑄錠技術(shù)，造價(jià)偏高；同時(shí)，電池效率目前也低于多晶硅體硅電池。盡管如此，綜合各種因素，多晶硅薄膜太陽(yáng)電池仍是第二代太陽(yáng)電池的一個(gè)發(fā)展方向［13］。

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Some Key Techniques in the Production of high Efficiency and Ultra thin Multi－crystalline Silicon Wafer

WU Bo1，WANG Wei－yang1，XU Lei1，JlN Hao2，CHEN Wei2，XlAO Gui－yun2

（1.Shangrao Normal University，Jiangxi Province Key Laboratory of Polymer Preparation and Processing，Shangrao Jiangxi 334001，China；2.Jinko Solar Limited Company，Shangrao Jiangxi 334199，China）

High efficiency and ultra thin multi－crystalline silicon wafer is the basis for the production of high quality multi－crystalline silicon solar cell.Combined with the actual production of high efficiency and ultra thin multi－crystalline silicon wafer in Jinko Solar Limited Company，some key technical problems are studied in this paper.These key technologies have certain guiding significance for related enterprises to improve the process and quality of the products.

solar cell；multi－crystalline silicon wafer；key technique

TM914.4

A

1004－2237（2016）03－0042－07

10.3969／j.issn.1004－2237.2016.03.009

20016－03－07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11404214）；江西省教育廳科技落地計(jì)劃（KJLD12046）

吳波（1959－），男，江西豐城人，碩士，教授，主要從事物理學(xué)和光學(xué)教學(xué)和研究。E－mail：wubosr＠163.com