太阳电池用多晶硅铸锭技术研究进展

沈永华 夏小江 高 强 袁志钟

（1.浙江省机电设计研究院有限公司，浙江 杭州 310002；2.江苏大学 材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013）

0 引言

多晶硅太阳电池由于产量大、性价比高，占据着超过50%的光伏产品市场份额[1]。多晶硅太阳电池所用多晶硅片由铸锭在经过开方、切片制备而得到。多晶硅铸锭一般由定向凝固法（Directional solidification，DS）生长得到，代替了单晶硅的拉制过程，能耗少、产量大，因而成本大大降低。另外，多晶硅铸锭本身是方形的，所以也减少了开方时的材料损失，因而增加了其竞争力。

1 多晶硅铸锭技术发展状况

传统的多晶硅铸造方法，将化料和结晶放在两个不同的坩埚完成，二次污染严重，设备复杂。而后发展了热交换法及布里奇曼法，这两种方法都是把熔化及凝固置于同一坩埚中，从而避免了坩埚二次污染。两者的主要区别是：布里奇曼法在晶体生长时固/液界面的位置基本保持不变，坩埚向下移动，从而保证在结晶过程中界面上温度梯度基本维持稳定，此方法的固液界面略向下凹，这有利于扩大晶粒尺寸和减小晶体缺陷。目前，通过布里奇曼法可生产出横截面尺寸大于600 mm×600 mm的重量超过300 kg的多晶硅锭；而热交换法在结晶过程中坩埚不动，从坩埚的底部进行主动散热，造成温度梯度，从而实现多晶硅结晶，该方法坩埚与加热器在硅料的熔化过程及整个生长过程中均无相对运动。其优点是结构简单，易实现自动化，而且结晶完成后一直保持在高温区域，可实现“原位”退火，降低了晶体内部热应力，进而减少晶体内位错密度。缺点是随着凝固过程的进行，固/液界面位置逐渐升高，温度梯度随结晶高度的增加而逐渐减小，生长速率逐渐减少为零，因而硅锭生长高度受到限制。

技术进一步发展，以GT Advanced Technology公司为代表的定向凝固方法成为主流，占据市场的绝对领先份额。它与热交换法的区别在于，它不需要底部籽晶，也没有底部的主动冷却。它与布里奇曼法的区别在于，坩埚并不移动，仅是通过隔热笼的移动以及不同加热器之间的功率变化而实现从底部到顶部的定向凝固。多晶硅的定向凝固方法的突出优势有两个，第一，多晶硅晶粒呈现柱状生长，与定向凝固方向平行，而硅片的切割方向与定向凝固防线垂直，这样，硅片中的多晶硅晶界就会垂直于硅片表面，将晶界的影响降到最低；第二，定向凝固方法，将元素的分凝原理，充分利用起来，将主要杂质集中在底部和顶部，中间的多晶硅的纯度得到了很好的保证，利于生产优质硅片，从而提高太阳电池的效率。

从定向凝固技术的发展来看，首先是以GT Advanced Technology为代表的厂商向市场提供了多晶硅定向凝固铸锭炉，从而将多晶硅太阳能电池的产业带动起来，成为与单晶太阳电池相抗衡进而超越单晶硅电池的重要产品。

其次，多晶硅定向凝固铸锭炉的投炉量不断增大，从最初的240kg一直依次发展为450kg、480kg、650kg以及目前最先进的G6系统，装炉量可以达到1000kg。随着投炉量的增加，铸锭成本得到了大幅降低，受坩埚污染的区域所占比例减少，多晶硅的整体质量得到了大幅提升。

最后，多晶硅定向凝固技术不断发展变化。从最初实现定向凝固，得到柱状生长的多晶硅，到后来发展到类单晶（或称准单晶技术），即利用在坩埚底部铺设＜100＞晶向的单晶板作为籽晶，在化料时控制籽晶仅部分融化，从而得到类似单晶的多晶硅锭。这种技术首先有BP公司发明并取得国际专利，在2008年开始，在我国有许多公司先后掌握了该项技术。在2011年前后，国内许多多晶硅铸锭设备公司专门推出了类单晶技术的设备。该项技术的优点在于多晶硅锭中心部位的硅片呈现单晶状态，晶体质量好且可以采用单晶的碱制绒工艺，制作的太阳能电池片的转换效率要比普通多晶硅太阳能电池高出至少0.5%。但是这种方法的弊端也很明显，首先是成本较高，需要在坩埚底部铺设单晶籽晶，另外多晶硅锭的一次利用率较低；其次是该种技术生产出来的多晶硅片，在外观上必须分为两大类，即类单晶和边缘有碎多晶的类单晶，造成了清包和销售的困难。因此，类单晶技术在风行了几年之后，逐渐销声匿迹了。和类单晶类似的，是大晶粒技术[2]，以日本、台湾的一些实验室为主要研究机构，利用枝状晶技术，制造具有显著大尺寸晶粒的多晶硅，也有一些专利，用以控制长晶初期的晶向，因其初始形核阶段的温度梯度难以控制且效率提升效果不明显，该技术并没有发展起来。最近一些年，出现了高效多晶技术，即生长热应力小、位错密度低的多晶硅，从外观上看，该类多晶硅片的外观显著特征是晶粒大小特别均匀，一般的直径约为5～10 mm左右。用该类多晶硅片制成的太阳能电池，其光电转化效率比用普通多晶硅片制成的太阳能电池的要高0.3%～0.8%。该种方法的显著优点是后续太阳能电池的转化效率高，生产成本几乎没有增加，硅锭的一次利用率与普通硅锭持平，其核心技术为坩埚底部特殊工艺以及精确的等温线、固液界面控制。因此该方法是目前市场的主流工艺，代表性产品包括新日光的A+++硅片、赛维LDK的M2硅片、镇江环太硅科技有限公司的高效多晶硅片等等。

2 多晶硅铸锭技术未来发展方向

从多晶硅铸锭技术发展历程来看，增大投炉量以降低成本、研发新工艺以提高质量成为两条主线，这也将是未来技术发展的方向。控制温度梯度、控制固液界面形状等成为了工艺发展的关键，这也使得产业界更加重视多晶硅晶体生长的计算机辅助设计与数值模拟[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.