【摘要】本文主要介紹了定向凝固法鑄錠多晶硅，并分析了多晶硅鑄錠硅錠性能的影響因素。

【關(guān)鍵詞】多晶硅；紅邊紅區(qū)；少子壽命；雜質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)；定向凝固技術(shù)

引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，全球?qū)⒚媾R著石油、煤炭、天燃?xì)獾然茉纯萁呶C(jī)，且氣候逐漸變暖，環(huán)境污染日益嚴(yán)峻，生態(tài)壓力日益增大。雖然短期內(nèi)無(wú)法脫離這些傳統(tǒng)能源，但是全球的生產(chǎn)力和科技水平均已提升，能促使人類有能力開(kāi)發(fā)新能源。太陽(yáng)能是諸多新能源中極具挖掘潛力的可再生清潔能源之一，同時(shí)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)已成為世界新能源研宄領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

硅材料是太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)必不可少的關(guān)鍵材料，通過(guò)硅材料制備而成的半導(dǎo)體界面，可根據(jù)硅半導(dǎo)體的光生伏打效應(yīng)原理，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的利用，通常這種轉(zhuǎn)換裝置都制備成了太陽(yáng)能電池。但是硅材料的品質(zhì)和性能對(duì)半導(dǎo)體界面影響較大，嚴(yán)重時(shí)影響太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的效率。因此，如何獲取優(yōu)質(zhì)的硅材料是技術(shù)的突破點(diǎn)。

太陽(yáng)能電池中有單晶硅太陽(yáng)能電池和多晶硅太陽(yáng)能電池。多晶硅和單晶硅都是硅材料的表現(xiàn)形式，但是多晶硅材料的電性能相對(duì)比單晶硅的電性能差，導(dǎo)致多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率相對(duì)偏差。主要原因是多晶硅材料在形成太陽(yáng)能電池前需要經(jīng)過(guò)多晶硅原料提純、鑄錠、切片、制備電極等環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)均有可能引入一些不可控雜質(zhì)，改變材料的局部電性能，最終影響光電轉(zhuǎn)換效率。然而，多晶硅鑄錠環(huán)節(jié)是影響多晶硅材料電性能的重要關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在多晶硅鑄錠生產(chǎn)過(guò)程中，鑄錠爐熱場(chǎng)分布不均勻、硅錠形成位錯(cuò)、應(yīng)力、微缺陷等晶體缺陷均會(huì)降低多晶硅硅錠性能。本文通過(guò)分析定向凝固技術(shù)鑄錠多晶硅、多晶硅硅錠性能影響因素和石英坩堝鑄錠影響，發(fā)現(xiàn)定向凝固技術(shù)的突破點(diǎn)在于增強(qiáng)石英陶瓷坩堝與鑄錠工藝的匹配性。

1定向凝固法鑄錠多晶硅

太陽(yáng)能電池用多晶硅對(duì)雜質(zhì)含量要求較高，一般要求在6個(gè)9純度級(jí)別以上才能滿足工藝技術(shù)要求。起初，所用的多晶硅都是采用西門(mén)子法制備獲得，該方法制備的多晶硅在純度上雖然能滿足產(chǎn)品要求，但是工藝復(fù)雜、成本較高，無(wú)法滿足現(xiàn)階段太陽(yáng)能電池用多晶硅的生產(chǎn)加工要求。目前，最常用的太陽(yáng)能電池用多晶硅多采用鑄造技術(shù)，比如定向凝固法、澆注法、熱交換法、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種金屬雜質(zhì)，還能控制多晶硅中硅晶體的定向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)形貌，在多晶硅鑄錠廠家中廣泛應(yīng)用。定向凝固法是在特定鑄錠爐中通過(guò)外界設(shè)計(jì)強(qiáng)制控制熱場(chǎng)、溫控程序，在多晶硅凝固過(guò)程中建立液相與固相界面，該界面沿預(yù)設(shè)方向具備溫度梯度，從而實(shí)現(xiàn)硅熔體形核，并獲得預(yù)設(shè)方向結(jié)晶取向的多晶硅。該技術(shù)可以控制凝固過(guò)程中硅晶粒取向、尺寸，也可以消除橫向晶界并獲得柱狀晶，甚至通過(guò)技術(shù)改進(jìn)獲得鑄造單晶，提高多晶硅的力學(xué)和電學(xué)性能等。

2多晶硅硅錠性能影響因素

隨著定向凝固技術(shù)鑄錠生產(chǎn)多晶硅的不斷完善，多晶硅生產(chǎn)成本逐步降低和多晶硅轉(zhuǎn)換效率非常適合生產(chǎn)太陽(yáng)能電池，從而擴(kuò)大了多晶硅太陽(yáng)能電池市場(chǎng)行情。然而，對(duì)于光伏發(fā)電技術(shù)而言，技術(shù)的進(jìn)步和成本降低都依托于多晶硅生產(chǎn)，多晶硅晶體的質(zhì)量提升就是光伏發(fā)電技術(shù)質(zhì)的飛躍。但多晶硅鑄錠過(guò)程中會(huì)引發(fā)多晶硅缺陷，比如微晶、位錯(cuò)、晶界、隱裂等。這些因素會(huì)嚴(yán)重影響多晶硅硅錠性能。

微晶是多晶硅硅錠中的重要缺陷，其是指硅原料定向凝固過(guò)程中，又硅晶體生長(zhǎng)環(huán)境失衡、溫度梯度不穩(wěn)定和局部形核率偏高等，誘導(dǎo)硅錠中晶體的晶粒尺寸異常小的晶粒。微晶的晶界相比正常晶粒要多，氧、碳、氮和金屬雜質(zhì)沉淀的相對(duì)幾率增加，對(duì)多晶硅的轉(zhuǎn)換效率不利。硅錠內(nèi)裂一方面是由鑄錠過(guò)程中鑄錠工藝控制不當(dāng)，造成硅錠退火階段過(guò)程內(nèi)應(yīng)力無(wú)法安全釋放或內(nèi)應(yīng)力釋放過(guò)快；另外一方面是石英坩堝氮化硅噴涂不當(dāng)、高純涂層高溫開(kāi)裂脫落或滲硅嚴(yán)重，導(dǎo)致坩堝與硅錠粘連，冷卻脫模拉裂，造成多晶硅硅錠出材率低并產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力。

3石英坩堝對(duì)多晶硅鑄錠硅錠的影響

石英坩堝作為定向凝固技術(shù)鑄錠多晶硅硅錠的配件，主要用多晶硅鑄錠過(guò)程中裝載多晶硅原材料和高溫下使多晶硅原材料熔融的容器，且屬于一次性耗材。石英坩堝的尺寸精度、純度級(jí)別、強(qiáng)度級(jí)別、高溫性能和內(nèi)在外觀質(zhì)量等對(duì)多晶硅鑄錠硅錠影響較大，如白斑、紅邊紅區(qū)、雜質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)等。

3.1白斑

通常白斑是指硅液穿刺，在硅錠冷卻后與坩堝同面的表面出現(xiàn)白色斑點(diǎn)（如圖1所示）。該現(xiàn)象出現(xiàn)與氮化硅致密度、坩堝表面高純層高溫性能有關(guān)，單獨(dú)測(cè)量該處硅錠的氧含量有增加。多晶硅硅錠中氧含量增加，就容易形成氧施主或氧沉淀并形成復(fù)合中心，導(dǎo)致多晶硅材料少數(shù)載流子壽命降低，直接影響多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。

3.2雜質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)

雜質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)是指多晶硅硅錠在開(kāi)方線切割切片過(guò)程中，由于多晶硅硅錠中沉淀的金屬雜質(zhì)或SiC/Si3N4顆粒存在，因其硬度較高，造成線切割過(guò)程中斷線，嚴(yán)重影響多晶硅硅片的生產(chǎn)，影響硅片的產(chǎn)片率和硅錠利用率，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。雜質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)多以點(diǎn)狀或片狀形式出現(xiàn)，點(diǎn)狀雜質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)多為SiC顆粒，片狀雜質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)多為碳化硅及氮化硅顆粒。雜質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)在多晶硅硅錠分布區(qū)域明顯差異，出現(xiàn)誘因也不同。通常頭部雜質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)多的一個(gè)原因是雜質(zhì)總量高或硅原材料雜質(zhì)量高、多晶硅鑄錠配方匹配度低（多以角落長(zhǎng)為主），另外一個(gè)原因是坩堝內(nèi)表面噴涂的氮化硅粉與坩堝高溫收縮系數(shù)不匹配導(dǎo)致的氮化硅粉倒伏；多晶硅硅錠中部雜質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)主要誘因是白斑穿刺、氮化硅高溫溶解脫離、坩堝特性與鑄錠配方不匹配（長(zhǎng)晶過(guò)快）；尾部雜質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)總量也高，誘因主要是硅原料雜質(zhì)總量大、氮化硅粉散落、粘堝等。為了規(guī)避因雜質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)造成的裂片率，通常會(huì)用紅外檢測(cè)儀檢測(cè)多晶硅硅錠開(kāi)方后的方棒的硬質(zhì)點(diǎn)，提前進(jìn)行截?cái)嗵幚?，確保硅片的出片率。因此，降低雜質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)的含量有利于提高多晶硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)效率。

3.3紅邊紅區(qū)

紅邊紅區(qū)是指多晶硅鑄錠過(guò)程中，石英坩堝中大量雜質(zhì)高溫滲透入硅錠中，導(dǎo)致硅錠少子壽命偏低，在少子壽命掃描圖呈現(xiàn)紅色，主要集中在貼近石英坩堝區(qū)域的硅錠區(qū)域。紅邊紅區(qū)產(chǎn)生的因素較多，除了硅原材料雜質(zhì)總量影響外，還與坩堝的純度、高純層純度、高純層高溫供氧、氮化硅粉純度及致密度有關(guān)。坩堝本質(zhì)雜質(zhì)濃度偏高，如金屬元素鐵、鋯、銅等含量之一異常偏高，又如摻雜元素鋁、鋰、磷等含量異常偏高，均會(huì)引起鑄錠過(guò)程中硅錠紅邊紅區(qū)偏高。特別是帶有高純層的坩堝對(duì)鑄錠硅錠性能影響較大，高層致密度低，高純層高溫嚴(yán)重收縮或膨脹導(dǎo)致開(kāi)裂剝落，高純層高溫致密化速率慢于方石英化速率，高純涂層致密化受阻，高層致密化溫度偏高，都會(huì)造成雜質(zhì)擴(kuò)散阻隔能力較弱，引發(fā)紅邊紅區(qū)異常。

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作者簡(jiǎn)介：傅小龍，材料物理與化學(xué)專業(yè)，碩士，工程師，教師，主要從事壓電陶瓷材料、微波介質(zhì)材料、功能涂層材料、半導(dǎo)體光電器件等研究工作，從事半導(dǎo)體、光伏發(fā)電、光電器件、新能源等領(lǐng)域的教學(xué)工作。