[科普中國]-準(zhǔn)方單晶硅片

簡介

準(zhǔn)方單晶硅片是指通過準(zhǔn)單晶鑄錠法生產(chǎn)方形單晶硅片。通過直拉法生產(chǎn)的單晶硅棒為圓柱形，制作太陽能電池片時需要將四周切掉，所有硅料利用率僅有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%。1

準(zhǔn)單晶的特征準(zhǔn)單晶也稱為鑄造單晶硅，是通過鑄錠的方法獲得外觀和電學(xué)性能均類似于單晶硅的晶體硅。簡言之，準(zhǔn)單晶技術(shù)就是用多晶硅的成本生產(chǎn)出單晶硅的技術(shù)。一般對鑄造單晶硅的要求是在一定尺寸的硅片上，單個晶粒面積大于硅片面積的50%。這種硅片的晶界數(shù)量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的鑄造多晶硅片。2

優(yōu)勢多晶硅中存在大量的晶界和位錯。晶界是晶粒間的過渡區(qū)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原子呈無序排列，并存在不完全鍵合原子，產(chǎn)生大量的懸掛鍵，形成界面態(tài)，有很大的復(fù)合性，特別是被金屬雜質(zhì)玷污后其復(fù)合強(qiáng)度會提高，大大降低了多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。3同時由于多晶硅是由許多晶向不同的晶粒組成，因而制絨后不能形成“金字塔”形貌，這也嚴(yán)重影響其光伏性能。相對于多晶硅來說，準(zhǔn)單晶的優(yōu)點在于晶界更少，制絨后可形成“金字塔”形貌，并很大程度地降低了位錯密度，從而提高了少子壽命，提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。

圖1是鑄造多晶硅與準(zhǔn)單晶外觀形貌的對比，圖1a中的多晶硅晶片存在大量晶界，而圖1b中的鑄造單晶硅晶片中晶界數(shù)量明顯減少，只是在邊緣處有少量的晶界。圖2為化學(xué)腐蝕后的鑄造多晶硅與準(zhǔn)單晶的外觀形貌?；瘜W(xué)腐蝕是顯示硅中位錯常用的方法。缺陷附近原子排列無序、晶格畸變、應(yīng)力比較大，化學(xué)腐蝕在這些地方的作用比較強(qiáng)烈，形成對應(yīng)的腐蝕坑?？梢钥闯?，傳統(tǒng)鑄造多晶硅顯現(xiàn)出大量位錯坑，而準(zhǔn)單晶中大面積區(qū)域內(nèi)位錯坑很少，近乎為無位錯。

鑄造方法根據(jù)目前的報道，準(zhǔn)單晶的鑄造方法主要有兩種:一種是有籽晶的方法;另一種是無籽晶的方法。有籽晶的鑄錠方法是先把籽晶、硅料及摻雜元素放置在同一坩堝中，籽晶位于坩堝底部。然后加熱融化硅料，并且保持籽晶不被完全融化。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始生長。目前量產(chǎn)的鑄錠準(zhǔn)單晶技術(shù)主要為有籽晶的鑄錠。無籽晶鑄錠方法和多晶硅鑄錠基本相同。其重點是精密控制定向凝固時的溫度梯度和晶體生長速度以此來提高多晶晶粒的尺寸大小，形成準(zhǔn)單晶。無籽晶鑄錠工藝對晶核初期成長控制過程要求很高。因為需要控制的參數(shù)太多，無籽晶鑄錠工藝顯得尤為困難。4

技術(shù)難點和存在的問題在目前的生產(chǎn)工藝中需要注意的主要問題有：(1)精確控制熔化程度。這一環(huán)節(jié)非常難以掌控，但它是是否能夠穩(wěn)定生產(chǎn)的決定性因素；(2)合理控制邊角多晶。由于受鑄錠爐內(nèi)溫度分布、雜質(zhì)等多種因素的影響，采用鑄造的方法生產(chǎn)單晶硅邊角處會出現(xiàn)多晶，要有效合理控制邊角處多晶的比例；(3)嚴(yán)格控制位錯密度。準(zhǔn)單晶的位錯密度雖低于鑄造多晶硅，但仍高于直拉單晶硅。位錯密度對轉(zhuǎn)換效率影響巨大，在生產(chǎn)過程中把位錯密度控制到最低是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵；(4)采用鑄錠方法所生產(chǎn)的單晶硅中存在一些硅片，表面看似一個大晶粒，而制絨后會出現(xiàn)大量晶界，有些廠家稱之為亞晶界。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因尚不確定，目前有專家推測為在長晶過程中引入微小夾雜物所致，需要在生產(chǎn)過程中引起高度重視。2