【摘要】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。

【关键词】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能对半导体界面影响较大，严重时影响太阳能转换成电能的效率。因此，如何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度，从而实现硅熔体形核，并获得预设方向结晶取向的多晶硅。该技术可以控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。石英坩埚的尺寸精度、纯度级别、强度级别、高温性能和内在外观质量等对多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属杂质或SiC/Si3N4颗粒存在，因其硬度较高，造成线切割过程中断线，严重影响多晶硅硅片的生产，影响硅片的产片率和硅锭利用率，导致生产成本增加。杂质硬质点多以点状或片状形式出现，点状杂质硬质点多为SiC颗粒，片状杂质硬质点多为碳化硅及氮化硅颗粒。杂质硬质点在多晶硅硅锭分布区域明显差异，出现诱因也不同。通常头部杂质硬质点多的一个原因是杂质总量高或硅原材料杂质量高、多晶硅铸锭配方匹配度低（多以角落长为主），另外一个原因是坩埚内表面喷涂的氮化硅粉与坩埚高温收缩系数不匹配导致的氮化硅粉倒伏；多晶硅硅锭中部杂质硬质点主要诱因是白斑穿刺、氮化硅高温溶解脱离、坩埚特性与铸锭配方不匹配（长晶过快）；尾部杂质硬质点总量也高，诱因主要是硅原料杂质总量大、氮化硅粉散落、粘埚等。为了规避因杂质硬质点造成的裂片率，通常会用红外检测仪检测多晶硅硅锭开方后的方棒的硬质点，提前进行截断处理，确保硅片的出片率。因此，降低杂质硬质点的含量有利于提高多晶硅太阳能电池的生产效率。

3.3红边红区

红边红区是指多晶硅铸锭过程中，石英坩埚中大量杂质高温渗透入硅锭中，导致硅锭少子寿命偏低，在少子寿命扫描图呈现红色，主要集中在贴近石英坩埚区域的硅锭区域。红边红区产生的因素较多，除了硅原材料杂质总量影响外，还与坩埚的纯度、高纯层纯度、高纯层高温供氧、氮化硅粉纯度及致密度有关。坩埚本质杂质浓度偏高，如金属元素铁、锆、铜等含量之一异常偏高，又如掺杂元素铝、锂、磷等含量异常偏高，均会引起铸锭过程中硅锭红边红区偏高。特别是带有高纯层的坩埚对铸锭硅锭性能影响较大，高层致密度低，高纯层高温严重收缩或膨胀导致开裂剥落，高纯层高温致密化速率慢于方石英化速率，高纯涂层致密化受阻，高层致密化温度偏高，都会造成杂质扩散阻隔能力较弱，引发红边红区异常。

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作者简介：傅小龙，材料物理与化学专业，硕士，工程师，教师，主要从事压电陶瓷材料、微波介质材料、功能涂层材料、半导体光电器件等研究工作，从事半导体、光伏发电、光电器件、新能源等领域的教学工作。