高效多晶硅锭侧部缺陷生长抑制工艺

2021-04-22陈欣文简学勇李建敏

广州化工 2021年7期

陈欣文，黄俊，简学勇，李建敏

(1 江西赛维LDK太阳能高科技有限公司，江西新余 338000；2 江西新余新材料科技研究院，江西新余 338000；3 国家光伏工程技术研究中心，江西新余 338000)

太阳能资源丰富、分布广泛，是最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。随着太阳能光伏行业的蓬勃发展，多晶硅太阳能电池逐渐成为市场的主流。目前市场上60%以上的多晶硅太阳能电池都是利用铸造多晶硅制备的。因此如何提高铸造多晶硅电池转换效率具有重要意义。当前铸造多晶硅主要采用定向凝固法生长[1-2]，多晶硅生长质量受坩埚侧壁的缺陷和杂质扩散、及其引发的形核长晶造成位错、靠近坩埚底部的因坩埚杂质扩散以及杂质分凝到头部等影响，这些都会导致硅片从尾部到头部出现效率衰减情况，如图1所示。王朋等研究[3]发现头部和底部红区的硅片电池效率较差。

图1 多晶硅锭少子寿命及对应顺序硅片的转换效率分布曲线

一般来说，高效多晶硅中晶粒大小随着晶锭高度的增加而增加，杂质和缺陷也相应增加，学者对相关机理及改善进行了大量研究。AKSøiland等[4]分析多晶硅锭头部杂质形态是β-SiC和β-Si3N4。张志强等[5]、Chernov和Temkin等[6]分别描述了结晶界面对夹杂物的俘获过程和条件和结晶界面对晶体生长的影响，提出平坦结晶界面有利于晶体生长质量。王梓旭等[7]发现采用掺钡高纯隔离层能有效阻挡杂质污染硅锭，改善铸锭中的边部红区，提高硅锭整体质量。本研究主要解决的就是将头尾衰减区域提高，从而达到提升整锭硅片光电转换效率的目的。

1 实验方案

采用GT DSS450型铸锭炉、分区导热护板、G5型功能性涂层坩埚，定向凝固长晶铸锭完成后，对硅锭依次剖成5×5=25个硅块，截断硅块的头尾电性能异常部分后，再切割成硅片，最后按硅块从尾至头的排序制作成电池，收集效率表现数据，并对电池片的性能进行测试。

检测表征：利用数码相机和高清红外探伤仪(Semilab PLB 55i)观测硅锭侧部长晶形貌，利用少子寿命测试仪(Semilab，WT2000)扫描检测硅块侧面的少数载流子寿命，利用PL光致发光测试仪(BT imaging，LIS-R1)检测位错分布。

2 结果与讨论

2.1 侧部长晶

随着温度的降低，硅晶体进行定向生长，坩埚壁也会自发进行形核。见图2分区导热护板设计，对铸锭石墨护板增加软毡的改造，增加中上部保温，使硅锭中心和边缘散热均匀，获得低应力强对流的平坦化生长界面，抑制从坩埚侧部形核的晶体往中心区域生长。另外，护板下面预留一定的高度，在熔化阶段可以增强硅液对流，减少杂质富集，这样有利于生长出更加优质的晶体。

图2 坩埚分区导热护板设计

由图3硅锭少子寿命扫描图对比可知，采用坩埚分区导热护板设计改造后，如箭头所示，硅锭侧部长晶明显减少，邻近坩埚壁的硅块由于晶体挤压形成的位错缺陷(少子寿命花纹)更少，质量明显更好。

2.2 侧部缺陷杂质扩散

坩埚壁自发形核通常晶粒杂乱、缺陷多、杂质浓度高，难以阻隔，从而降低了硅锭边部晶体少子寿命。高纯坩埚生产成本高，常规坩埚中的金属杂质在高温下快速扩散，难以找到可以阻挡杂质的高纯材料。采用含细硅粉层的新型功能缺陷阻隔坩埚涂层，其硅晶生长如图4所示，侧面晶粒更加细小均匀，可以抑制坩埚壁自发形核并产生吸杂效应，从而改善硅锭边角区域晶体质量。另外，该涂层具有减缓硅锭和坩埚之间的挤压，减少硅锭内部应力，从而达到降低硅锭位错、提升硅片制作成电池的光电转换效率的目的。

图4 带功能缺陷阻隔坩埚涂层的硅晶体生长示意图

对使用阻隔涂层后邻近坩埚的硅块晶体生长形态及缺陷(少子寿命)进行对比，如图5所示。无功能涂层阻隔情况下，花纹为缺陷，生长界面过凹，存在挤压应力，边部缺陷较多；引入阻隔涂层后的铸锭炉固液界面更加平坦，改善了硅锭的侧向长晶，从图5中可以看出，硅晶基本都为垂直柱状生长，缺陷少。

图5 涂层阻隔前(a)后(b)晶体生长形态及少子寿命图

2.3 位错比较

研究发现硅块少子寿命的“花纹”区域和硅块位错缺陷区域一致。利用公司自主开发的软件分析硅块少子寿命的“花纹”比例来对应确定硅块的位错缺陷情况，通过这种方式来反应出硅块的质量。少子寿命的“花纹”比例值越低，代表该硅锭的质量越好，电池效率越高。因此，对比本研究实施改造前后的花纹比例均值，从图6可以看到，采用本研究的铸锭石墨护板增加软毡和新型功能缺陷阻隔坩埚涂层技术改造后硅块少子寿命的“花纹”比例(位错)均值明显程下降趋势，累计平均值从8.56%下降至6.02%，下降了2.54%。