光伏制造之如何高效铸造多晶硅

3.3、多孔材料法

由于多孔坩埚制备技术要求高，使用过程容易造成开裂等问题。江西赛维2012年首先使用了多孔材料或多晶硅碎片(多晶硅碎片，0.5-2cm大小)杂乱的堆积底部诱导形核，进行形核长晶生长多晶硅锭，该方法最早地被铸锭厂家所使用。碎片形核与单晶籽晶具有完全不同的作用机理。籽晶一般为外延生长，而多孔碎片法采用的多晶硅碎片即使位错密度高，仍然可以制备出高效多晶硅。铸锭工艺采用开隔热笼化料，即固液界面是慢慢往下推移，待硅固液界面刚好化到了多晶硅碎片层或进入时，降低炉内温度并开大隔热笼，使得熔化变为形核长晶，再随时间逐步调整隔热笼和温度，使得多晶硅晶体往上垂直生长，直到头部全部结晶完毕，进入退火冷却。之后中美晶也提出了利用单晶硅或多晶硅碎料铸造多晶硅的方法，中电48所提出多晶硅碎片刚好融化亦有可能获得高效多晶硅。国内有多家厂家申请了此类专利，如旭阳雷迪、英利等公司，但还未获得授权。

图3 多孔材料形核示意图

3.4、高效涂层法或高效坩埚法

上述方法在硅锭底部剩余一部分未融化的形核源层，导致铸锭合格率比较低。因此在研究多孔材料法的同时，2012年江西赛维就开展了全融法的研究，2012年中实现大规模应用，在业内也是最早使用全融法的。目前也有称之为高效涂层法或高效坩埚法。

在涂层中加入石英粉、硅粉或则碳化硅等材料，也有人在坩埚底部植入石英砂，再在上面喷涂一层氮化硅。由于上述材料的浸润角大，形核功小，有利于硅熔体迅速形核，形成大量的晶核，生长出细小均匀的晶粒，该方法简单便捷，易于大规模工业生产。但石英会与融硅发生反应，从而在硅锭中引入氧从而造成电池效率的衰减，并引起严重的粘锅裂锭等。目前部分坩埚厂家采用了这种方法，并有逐步被植硅坩埚淘汰的趋势。植硅坩埚是在涂层中加入具有形核功能的硅粉，或则在坩埚底部植入硅颗粒再喷涂一层氮化硅。赛维最早实现了该方法的大规模应用，具有操作简单，工艺稳定，晶体位错低等优点。2014年Wong等利用硅粉和石英粉，制备了高效坩埚涂层，得到了高效多晶硅锭。目前江西中材等坩埚厂家已经有该坩埚量产。

图4 高效坩埚

3.5、微晶形核法

由于以上方法形核质量不稳定，江西赛维开始研究使用微晶材料如微晶硅、不定性硅、微晶硅玻璃等作为诱导形核层，目前该方法使用非常广泛。由于普通铸造多晶硅枝晶迅速成核的缘故，形核应力大，初始位错多，而且晶粒大，一旦有位错则在整个晶体中迅速扩展。基于此首先提出了“微晶形核”的理论。原生多晶硅实际上是微晶或非晶硅，利用原生多晶硅的微观上的近程有序产生大量微观上细小的晶核，使得晶粒进一步变小，使得位错更加容易滑移出去，在晶界处消失。该方法的原理也被很多研究单位误读，认为颗粒尺寸决定了形核效果，实际上使用大块的原生多晶硅亦能取得良好的形核作用。2014年Y.T.Wong等使用了圆颗粒料来铸造高效多晶硅，可以比较稳定地制备高效多晶硅。

四、铸造高效多晶硅锭及硅片

综合应用以上形核方法，结合热场改进优化、工艺控制、位错控制等技术。江西赛维(M系列)，中美晶(A3+)，协鑫(S系列)，南玻(HP)等相继推出了小晶粒高效多晶硅片，最近赛维M4效率在韩国现代的效率取得新高，比M3高出0.37%。目前市场上90%以上高效硅片为小晶粒高效硅片。光伏市场进入了高效多晶硅片大规模应用时代。中国光伏行业协会对江西赛维的工作给予了高度评价：“项目率先推出了小晶粒的高效多晶硅片，在推动了光伏行业进入‘高效多晶硅片’应用时代过程中起到了重要作用，降低了光伏发电成本，有效提升我国光伏产品在国际市场中的竞争力，也打破了光伏技术“两头在外”的传统误识!”

图5 普通多晶硅、M2、M3硅锭少子寿命图

图6 普通多晶硅、M2、M3硅片PL图

五、铸造多晶硅的研究方向

高效铸造多晶硅还存在一些问题，相比于单晶硅转换率还有一定的提升空间。未来高效多晶硅的发展主要集中在N型多晶硅片，满足PERC电池用的低衰减的多晶硅片，零黑边的多晶硅片等。另外解决了头部位错增殖和靠坩埚边缘低效的问题，铸造类单晶仍然有很大的发展潜力。