半熔和全熔高效多晶硅的差异性分析

1.前言

当前高效多晶硅组件是主流的光伏产品。高效多晶硅的制备方法分为有籽晶高效多晶硅技术与无籽晶高效多晶硅技术，即俗称的半熔高效与全熔高效。

有籽晶高效多晶硅技术(半熔)采用毫米级硅料作为形核中心进行外延生长，铸造低缺陷高品质的多晶硅锭[1-3]。无籽晶高效多晶硅技术(全熔)采用非硅材料在坩埚底部制备表面粗糙的异质形核层，通过控制形核层的粗糙度与形核时过冷度来获得较大形核率，铸造低缺陷高品质多晶硅锭。这一理论来源于经典的形核理论[5-6]。有籽晶和无籽晶高效多晶硅技术通过形核层与工艺的优化同样都可以获得小而均匀的晶粒尺寸。

有籽晶高效多晶硅技术是硅材料的外延生长，而无籽晶高效多晶硅技术是一种异质形核。虽然两者都可以获得高品质的小晶粒高效多晶硅锭，但是由于形核机理不同，两种技术生长的晶体硅存在一定的差异。本文通过EBSD晶向检测，PL缺陷检测等手段对比晶向分布、晶界比例、电池效率等差异，进一步分析两种技术因形核差异带来的不同，探寻两种高效技术进一步优化的可能方向。

2.实验过程简述

采用同一炉台，同种热场。无籽晶高效多晶硅使用非硅材料作为异质形核层，有籽晶高效多晶硅底部铺设碎硅料作为籽晶，采用两种技术分别各铸造一个重量相同的多晶硅锭。

选择两个硅锭相同位置硅块作为检测样块，采用μ-PCD (Semilab, model WT2000)测量对比少子寿命差异，采用在线PL(LTS-R2)测量对比硅片的品质区别，采用EBSD测量对比晶向分布与晶界比例之间的差异。

3.实验结果分析

3.1 形核率对比

Fig.1.Comparisonof crystalnucleation (a) schematic bricks representation of mc-Si silicon ingot;(b) crystalgrains of brick C15 from the silicon-seeded HP mc ingot horizontalcross section15mm from bottom; (c) crystal grains of brick C15 from thesiliconnitride-seeded HP mc ingot horizontal cross section 15mm from bottom.

每个硅锭切割为36块，命名方式如图1(a)。从每锭C15块挑选底部相同高度位置硅片进行形核对比如图1(b)与1(c)。可以看出两种技术都可以获得尺寸小而且均匀的晶粒分布。有籽晶高效多晶硅技术硅锭获得的小尺寸晶粒来源于底部碎小的硅料外延生长，而无籽晶高效多晶硅技术硅锭小尺寸晶粒来源于底部异质形核层，异质形核层具有足够的形核粗糙度[7]，再配合特定的过冷度[9]就可以获得较高的形核率。两种技术都可以获得尺寸较小晶粒，下面将进行更深入的分析对比。

3.2 少子寿命与位错密度对比

Fig.2.Minority carrierlifetime mapping of (a) mc silicon-seeded ingot (b) silicon nitride-seededingotminority carrier lifetime curve comparison of the two ingots.

图2所示为两硅锭半截面少子寿命差异对比，图中彩色区域代表由于杂质、缺陷等引起的低少子区域。可以明显看出有籽晶高效多晶硅锭低少子区域较少，而且分布均衡。而无籽晶高效多晶硅锭低少子区域分布较多，但是底部红区高度明显偏低。M.Trempa等通过一种高效阻挡层的实验[10]解释了有籽晶高效多晶硅锭底部红区较高的原因，他们认为底部红区是由于底部坩埚与籽晶杂质扩散的共同影响引起的。而无籽晶高效多晶硅技术仅仅只有坩埚杂质的扩散，因此底部红区的高度相对较低。本文实验中有籽晶高效多晶硅锭剩余籽晶的高度为10mm左右，而底部红区的高度为 55-60 mm之间，然而无籽晶高效多晶硅锭底部红区高度仅仅为45mm左右，因此无籽晶高效多晶硅技术硅锭具有一定的良率优势。

Fig.3.(a-c) the wafer PLquality comparison of the C15, C14 and B13 bricks from thetwo ingots.