晶体硅太阳电池硅片质量控制

刘秀琼



晶体硅太阳电池硅片质量控制

刘秀琼

（乐山职业技术学院，四川乐山 614000）

硅片作为太阳能电池片的载体，其质量好坏直接决定电池的转换效率。晶体硅太阳电池硅片制备过程包括铸锭多晶硅制备、直拉单晶硅制备、硅片切割等，在工艺路线一定的情况下，通过对原料处理过程、晶体硅生长过程及硅片加工等过程规范操作、严格控制各项工艺参数指标有效控制硅片质量。

铸锭多晶硅；直拉单晶硅；多线切割；硅片；质量控制

太阳能光伏产业作为一个新兴的绿色能源行业，日益受到各国的重视。随着光伏产业的迅速发展，高效低成本电池成为企业发展的关键。对于以硅片为基底的光伏电池来说，硅片是晶体硅光伏电池中最昂贵的部分，晶体硅制备及切割成本在电池总成本中占据最大的部分，所以降低这部分的制造成本、提高产品质量对于提高太阳能光伏产业的竞争力至关重要。晶体硅太阳能电池硅片生产过程中铸锭多晶硅生长（或直拉单晶硅生长）、多线切割是晶体硅制备的关键工序，其产品质量对太阳能电池性能具有重要影响。

一、铸锭多晶硅生长质量控制

铸锭多晶硅片制备工艺主要由多晶硅原材料准备、铸锭多晶硅生长、破锭切方、平磨和倒角表面处理、多线切割、清洗、检验分选组成。多晶硅原料纯度、质量是决定太阳能电池性能和转换效率的因素之一。为此，对多晶硅原材料来源、纯度、外观形貌和后处理工序中物料洁净处理质量等要有严格的要求并制定出相应的标准。验收原生多晶硅料必须查看产品厂家、产品分析单、包装袋有无破损。对用于腐蚀清洗多晶硅原料的化学试剂如氢氟酸、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钠、无水乙醇等质量要求用分析纯，掺杂剂硼、镓质量要求大于等于99.999%。

铸锭多晶硅生长过程包括预热→熔化→长晶→退火→冷却。预热时要求温度预热至1 200℃左右，预热真空度控制在1.05mPa左右，预热时间15h；待预热温度达1 200℃时，硅料开始熔化，继续加热、抽真空，维持硅料熔化温度在1 200℃-1 550℃、熔化真空度44.1Pa下5h，开始充保护气；控制长晶温度在1 440℃-1 400℃、长晶真空度44.1Pa下10h后，开始退火，退火温度控制在1 400℃-1 000℃，退火时间维持大约8.5h，连续充保护气；继续抽真空至真空度达52.5Pa，降温，在1 000℃-400℃下冷却6h。

为保障铸锭炉内硅锭质量符合要求，生产中除了稳定控制铸锭炉的各项工艺参数外，需时刻监视铸锭炉各系统的运行状态，随时对故障做出应急处理。

二、直拉单晶硅棒生长质量控制

直拉单晶硅片制备工艺主要包括多晶硅原材料准备、直拉单晶生长、晶棒截断、切方、滚磨表面处理、多线切割、清洗、检验分选等。供直拉单晶生产的原辅材料进洗料库前应按质量要求进行检查和验收，用于腐蚀清洗硅原料和单晶棒料的化学试剂质量要求符合分析纯，腐蚀籽晶时，只能腐蚀籽晶下部，以免改变固定夹头部的尺寸；供单晶生产需要的主要部件若是用于制备加热器、反射板、导流筒、坩埚、坩埚轴等部件的石墨材质应具备致密度好，机械强度高，纯度高，灰分少等特点的等静压石墨材料；若是用于制备保温筒、保温差、炉盘等部件应具有纯度比较高和灰分比较少的中粗石墨材料。石英坩埚应具有耐高温，坏料（二氧化硅）纯度高，外形尺寸标准，无气泡，无黑点等质量特点，内壁要求涂有均匀的耐高温氧化钡膜。验收坩埚时特别注意检查外形尺寸是否标准，是否存在气泡、黑点、破损，边缘损伤等缺陷。

将多晶硅料装入石英坩埚时应避免带有尖锐的块料棱角顶住石英坩埚内壁，为避免或减少硅料在熔化过程中出现坩埚边“挂料”或“搭桥”，块料码成凸起形。若出现这种情况，应及时降低埚位，升高温度使其缓慢融化掉。

为减少籽晶与熔体间的温度差，在籽晶与熔体熔接前，先将籽晶降到离液面约3-5cm处烘烤。当熔体温度稳定后开始引晶，若发现籽晶与熔体接触处未出现光环，则表明引晶温度偏低，相反，当熔体接触处立即出现光环，且不断扩大，则表明引晶温度偏高。合适的引晶温度是在籽晶与熔体接触处逐渐出现圆形光环，且光环尺寸缓慢扩大，逐渐变得明显。生产中控制合适的引晶温度对硅棒质量至关重要。

缩径是保证获得无位错的关键因素，为了使籽晶中的位错排除在晶体体外，籽晶提升速度要快，缩径要细。单晶在等径生长过程中应注意对晶体生长界面的控制，进入等径生长后生长界面是逐渐由凸变平，进而控制成微凹状，保持这种生长界面。同时，注意观察晶体生长情况，若发现晶体“断线”应仔细分析原因，及时调整。如果是几条棱线同时断掉，可能是温度和热场不合适，反之则可能是杂质和其它因素引起的。

三、多线切割质量控制

多线切割技术是目前世界上比较先进的硅片加工技术，它的原理是使用钢线带动附着在钢丝上的切割刃料对硅棒进行切断的一种加工方法。钢线通过十几个导线轮的引导，在主线辊上形成一张线网，而待加工工件通过工作台的下降实现工件的进给。在切割过程中，对硅片质量及成品率起主要作用的是砂浆的粘度、流量，碳化硅微粉的粒型粒度，钢线速度，切割液粘度，钢线张力，工件的进给速度等。

为防止切割过程中出现线痕片、断线、机器报警等，要求砂浆流量均匀，达到切割要求，切割液粘度与机器匹配。碳化硅微粉的粒型及粒度是硅片表面光洁程度和切割能力的关键，采用激光划片机，能提高硅片的切割能力；采用机器要求标准的砂浆粘度能提高切割效率和成品率。

钢线速度，对单向走线的线切割机，要求钢线始终保持一个速度运行；对双向走线的线切割机，其切割能力在一定范围内随钢线速度提高而提高，但不能低于或超过砂浆的切割能力。如果低于砂浆的切割能力，就会出现线痕片甚至断线；反之，如果超过砂浆的切割能力，就可能导致砂浆流量跟不上，从而出现厚薄片、线痕片等。

钢线张力是硅片质量控制的核心要素之一，在切割过程中，需实时有效控制。张力过小，会导致钢线弯曲度增大，带砂能力下降，容易出现跳线，产生线痕等残次片，切割能力降低；张力过大，悬浮在钢线上的碳化硅微粉难以进入切割部位，易断线，切割效率降低。生产中需要在基本满足晶片几何参数的条件下，适当调整钢线张力，一般控制在28-30N。

工件的进给速度由钢线速度、砂浆的切割能力以及工件形状在进给的不同位置等因素决定，没有定量。进给速度过大，钢线易断线；进给速度过小可能会出现线痕片，影响切割质量和成品率。

四、结语

晶体硅太阳能电池硅片是光伏产业链中最重要的关键环节之一，其质量的好坏直接影响着太阳能电池组件的内在品质及电池的转换效率。改善硅片质量的方法有两种：一是通过改变大的工艺路线实现对硅片质量的控制；二是在大的工艺路线一定的情况下，通过对原料处理过程、晶体硅生长过程及硅片加工过程规范操作、严格控制各项工艺参数等有效实现此工艺路线下的硅片质量控制，从而使太阳能电池组件质量可控。太阳能电池的发展方向是不断提高电池的转换效率，最大限度降低成本。光伏产业链各个制造环节持续降低成本的需求和压力极大推动了硅片制备在多晶硅铸锭、单晶硅拉制、多线切割等关键技术和质量的全面进步，大量的先进制造技术正在积极研发，将对光伏产业制造技术的进一步发展提供有力支撑。

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[2]侯炜强.多晶硅铸锭炉生产工艺控制技术和设备组成[J].电子工艺技术，2008，29（5）：291-293.

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（责任编辑王傲冰）

Quality Control of Silicon Wafer for Crystalline Silicon Solar Cell

LIU Xiu-qiong

(Leshan Vocation & Technical College, Leshan, Sichuan 614000, China)

The silicon wafer as a carrier of solar cell ,whether its qualiy is better or not directly decide the transfer efficiency of a cell. The preparation course ofcrystalline silicon solar cell includes polysilicon ingots, Czochralski silicon,multi-line cutting. While the course of craftwork is fixed,the quality of crystalline silicon can be controlled by standardizing materials disposing course,czochralski silicon’s growing course and strictly regulating all kinds of parameter index.

polysilicon ingot；czochralski silicon；multi line cutting；silicon wafer；quality control

TM914.4

A

1008—6129（2015）01—0068—03

2015—01—08

四川省教育厅基金项目——“晶体硅太阳能电池硅片质量控制研究”，No:13ZA0304。

刘秀琼（1971—），女，重庆忠县人，乐山职业技术学院，副教授。