基于多晶鑄錠工藝的準(zhǔn)單晶技術(shù)系統(tǒng)性總結(jié)

　 準(zhǔn)單晶技術(shù)總結(jié)

　　一，準(zhǔn)單晶的概念

　　準(zhǔn)單晶（Mono Like ）是基于多晶鑄錠的工藝，在長(zhǎng)晶時(shí)通過(guò)部分使用單晶籽晶，獲得外觀和電性能均類似單晶的多晶硅片。這種通過(guò)鑄錠的方式形成單晶硅的技術(shù)，其功耗只比普通多晶硅多5%，所生產(chǎn)的單晶硅的質(zhì)量接近直拉單晶硅。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這種技術(shù)就是用多晶硅的成本，生產(chǎn)單晶硅的技術(shù)。

　　二，準(zhǔn)單晶的生產(chǎn)工藝

　　準(zhǔn)單晶主要有兩種鑄錠技術(shù)：

　?。?）無(wú)籽晶鑄錠。無(wú)籽晶引導(dǎo)鑄錠工藝對(duì)晶核初期成長(zhǎng)控制過(guò)程要求很高。一種方法是使用底部開(kāi)槽的坩堝。這種方式的要點(diǎn)是精密控制定向凝固時(shí)的溫度梯度和晶體生長(zhǎng)速度來(lái)提高多晶晶粒的尺寸大小，槽的尺寸以及冷卻速度決定了晶粒的尺寸，凹槽有助于增大晶粒。因?yàn)樾枰刂频膮?shù)太多，無(wú)籽晶鑄錠工藝顯得尤為困難。其要點(diǎn)是精密控制定向凝固時(shí)的溫度梯度和晶體生長(zhǎng)速度來(lái)提高多晶晶粒的尺寸大小，形成所謂的準(zhǔn)單晶。這種準(zhǔn)單晶硅片的晶界數(shù)量遠(yuǎn)小于普通的多晶硅片。無(wú)籽晶的單晶鑄錠技術(shù)難點(diǎn)在于控溫。

　?。?）有籽晶鑄錠。當(dāng)下量產(chǎn)的準(zhǔn)單晶技術(shù)大部分為有籽晶鑄錠。這種技術(shù)先把籽晶、硅料摻雜元素放置在坩堝中，籽晶一般位于坩堝底部，再加熱融化硅料，并保持籽晶不被完全融掉，最后控制降溫，調(diào)節(jié)固液相的溫度梯度，確保單晶從籽晶位置開(kāi)始生長(zhǎng)。這種技術(shù)的難點(diǎn)在于確保在熔化硅料階段，籽晶不被完全融化，還有控制好溫度梯度的分布，這個(gè)是提高晶體生長(zhǎng)速度和晶體質(zhì)量的關(guān)鍵。

　　三，準(zhǔn)單晶產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)

　　1.轉(zhuǎn)換效率高于普通多晶，接近直拉單晶電池片。

　　2.與普通多晶電池片相比LID 基本無(wú)變化，性能穩(wěn)定。

　　3.比起普通多晶，組件功率提升明顯，單位成本降低。

　　4.可封裝250 瓦（60 片排布），或300 瓦（72 片排布）的大組件。

　　5.適用于對(duì)安裝面積有限制要求的特殊場(chǎng)合。

　　單晶硅電池雖然具備晶體缺陷少、織結(jié)構(gòu)工藝下反射率低、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，但其成本較高、光衰嚴(yán)重、電耗也高。多晶硅電池較單晶硅電池相比能耗少、衰減低、成本低，不過(guò)轉(zhuǎn)換效率較差。直拉單晶和準(zhǔn)單晶鑄錠對(duì)比：

　　1.直拉單晶方法生產(chǎn)的單晶硅制造的太陽(yáng)能電池最高轉(zhuǎn)換效率為18.5%，采用準(zhǔn)單晶鑄錠生產(chǎn)的硅材料所制造的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為18.3%；

　　2.直拉單晶硅每爐的投料約為100 公斤，準(zhǔn)單晶硅鑄錠爐的單次投料達(dá)到430 公斤，投料量增加為前者的四倍；

　　3.基于直拉單晶硅材料生產(chǎn)的電池片的衰減率為2%以上，基于準(zhǔn)單晶鑄錠所生產(chǎn)的電池片衰減率降低至0.5%以下，并且性能更穩(wěn)定；

4.通過(guò)直拉法生產(chǎn)的單晶硅棒為圓柱形，制作太陽(yáng)能電池片時(shí)需要將四周切掉，所有硅料利用率僅由50%左右，而準(zhǔn)單晶鑄錠法生產(chǎn)的方形單晶硅錠為方形，所以硅料利用率可以提升至65%；

　　5.工藝成本上，直拉單晶成本為160 元人民幣/公斤，準(zhǔn)單晶鑄錠的成本僅為60 人民幣/公斤，因此可以影響整個(gè)生產(chǎn)鏈的生產(chǎn)成本降低10%左右。

　　準(zhǔn)單晶硅鑄錠技術(shù)和普通多晶技術(shù)相比有如下優(yōu)勢(shì)：

　　1.電池片效率高，大晶粒硅片（100）面積大于70%，平均效率大于17.6%，較同條線普通多晶硅高出1.0%~1.3%；

　　2.制絨后可在表面得到焰光作用較好的金字塔結(jié)構(gòu)，減少反射率；

　　3.整錠平均效率較常規(guī)錠高出0.5%~1.0%。

　　四，準(zhǔn)單晶研發(fā)與量產(chǎn)的決定性因素

　　1．準(zhǔn)單晶技術(shù)研發(fā)要點(diǎn)

　?。?）溫度梯度改進(jìn)。針對(duì)熱場(chǎng)研發(fā)以改良溫度梯度，同時(shí)還要注意熱場(chǎng)保護(hù)；

　?。?）晶種制備。研究發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)單晶晶種制備方向?qū)⒊蟪〉姆较虬l(fā)展；

　?。?）精確熔化控制。這一環(huán)節(jié)非常難以控制，它決定準(zhǔn)單晶是否能夠穩(wěn)定生產(chǎn)，因此需要一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的精準(zhǔn)熔化控制設(shè)備。據(jù)了解，為獲得穩(wěn)定的控制工藝，鳳凰光伏開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)準(zhǔn)單晶專用的晶種融化控制設(shè)備，可以在0.5mm 的時(shí)候進(jìn)入長(zhǎng)晶階段；

　　（4）位錯(cuò)密度。在很多生產(chǎn)過(guò)程中，效率衰減總是不可避免，為此把位錯(cuò)密度控制到最低，是此項(xiàng)工藝的關(guān)鍵；

　?。?）邊角多晶控制，即合理有效控制邊角多晶的比例；

　　（6）鑄錠良率提升。目前良率大約在40%~60%之間，還有待提高。

　　2．準(zhǔn)單晶量產(chǎn)決定性因素

　　（1）可行的工藝路線。如果開(kāi)發(fā)出的準(zhǔn)單晶沒(méi)有可行的工藝路線，準(zhǔn)單晶產(chǎn)品將只能處于實(shí)驗(yàn)室階段；

　　（2）是穩(wěn)定的控制方法；

　　（3）精準(zhǔn)熔化控制設(shè)備；

　　（4）低廉的改造成本及生產(chǎn)成本，即在原有鑄錠爐的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型，從而降低成本。

五，工藝流程

工藝流程圖

　　將直拉法得到的（100）晶向單晶棒進(jìn)行開(kāi)方，得到斷面尺寸為156×156mm 的方柱，將其切成40～50mm 厚的塊狀籽晶。將25 塊籽晶按5×5 的方式緊密排列平鋪在內(nèi)部尺寸為840×840×400mm 的標(biāo)準(zhǔn)石英坩堝內(nèi)。在坩堝底部，放置時(shí)盡量使籽晶居中，即周邊籽晶的最邊沿面距坩堝內(nèi)壁尺寸相近。籽晶上面再放置原生多晶，包括籽晶在內(nèi)共裝料430kg，摻雜劑為硼、稼或磷，摻雜后目標(biāo)晶體的電阻率為1.50～2.0Ω.cm。裝料后抽真空，控制功率進(jìn)行加熱;進(jìn)入熔化階段后，采用溫度控制分段加溫，到熔化最后一步將加熱器控制溫度調(diào)節(jié)至1540℃，保持至籽晶熔化階段，待坩堝底部溫度為1350℃，且底部升溫速率為0.07℃/min 上下時(shí)，結(jié)束熔化步驟，跳轉(zhuǎn)至長(zhǎng)晶階段。進(jìn)入長(zhǎng)晶階段，快速將溫度由1540℃降至1440℃，并關(guān)閉隔熱板（籠）保持1h，之后將隔熱板（籠）快速打開(kāi)5cm，底部散熱實(shí)現(xiàn)定向凝固，待界面生長(zhǎng)平穩(wěn)后，再分段將溫度降1415℃，隔熱板（籠）打開(kāi)速度先后按0.5cm/h、0.7cm/h 的速度打開(kāi)至20cm，達(dá)到穩(wěn)定長(zhǎng)晶。

　　將上述長(zhǎng)成后的硅晶體，經(jīng)退火、冷卻得到硅錠。