高效多晶铸锭的热场优化及其工艺改进

朱远国，韩科选，张丹枫，董玮利

（1.山西潞安太阳能科技有限责任公司，长治 046000；2.长春理工大学 材料科学与工程学院，长春 130022；3.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；4.青岛海尔集团超前创新中心，青岛 266103）

高效多晶铸锭的热场优化及其工艺改进

朱远国1，韩科选2，张丹枫3，董玮利4

（1.山西潞安太阳能科技有限责任公司，长治 046000；2.长春理工大学 材料科学与工程学院，长春 130022；3.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；4.青岛海尔集团超前创新中心，青岛 266103）

针对ECM PV450炉型高效铸锭工艺电池转换效率偏低问题进行研究及实验，通过优化热场结构使侧部加热器与坩埚底部籽晶相对位置的变化，在纵向上提升侧部加热器高度、在横向上添加保温材料，使籽晶尽可能与加高温隔离；同时改进化料工艺适当增加顶部温度、降低侧部和底部熔化温度，在设备和工艺两方面最大限度的保护坩埚底部籽晶不被高温熔化，保证硅锭籽晶的完整性，消除了硅锭边角区域的效率短板，平均电池转换效率由18.33%提升至18.48%，大幅度提高了铸锭品质。

籽晶；短板；热场；电池转换效率

随着光伏行业的发展，传统多晶硅铸锭技术已无法满足市场对光伏产品品质的需求，高质量高转换效率的太阳能电池是行业一直追求的目标［1，2］。高效多晶铸锭工艺在国内迅速发展并很快产业化，是近几年多晶电池效率提升的最大贡献者［3-5］。为提高太阳能电池的转换效率，业内多是利用在坩埚底部铺设籽晶的方法进行高效多晶铸锭。相对于传统的定向凝固多晶硅铸锭，有籽晶铸锭是先将特定的籽晶铺设于石英坩埚底部，籽晶通常为高纯硅粉、尺寸均匀的颗粒料、细小的原生碎料或碎硅片［6］。在后续的硅料熔化过程中，通过工艺控制，使物料在坩埚内从顶部向底部垂直熔化，最终留有一定高度籽晶不被完全熔化，未被熔化的籽晶能够降低或避免晶体形核阶段由坩埚底部直接异质形核的概率，并在后续的晶体生长过程中作为晶体生长的晶核，解决了现有的硅晶体自发形核容易导致非均匀形核和晶核品质低的问题，降低或消除了晶体形核所克服的势垒引起的晶体缺陷［7］。目前，这种有籽晶铸锭技术被广泛地应用高效多晶铸锭中，在相同的电池片制作工艺条件下，这种铸锭技术生产的硅片所制得的电池光电转换效率较传统多晶提高0.3～0.5%。

对于有籽晶铸锭技术，籽晶保护是此种铸锭方式需要解决的首要问题，也是实现此种铸锭技术的关键，在传统的铸锭炉结构中，由于热场结构和工艺的限制，籽晶在高温熔化过程较难被控制，故对于有籽晶铸锭过程中，需要在传统热场机构基础上进行热场改进，以便实现对籽晶的保护。

多晶铸锭是将高纯多晶硅料掺杂一定比例的母合金，经过铸锭炉加热、熔化、长晶、退火、冷却等工艺，加工成具有电性能的多晶硅锭，经过开方后按照位置四角、周边、中心分A区、B区、C区共计25块最终产品，按照标准检测、加工后经钢线切割得到多晶硅片。其籽晶的完整性，决定了A、B、C各区域的质量差异。近年来，通过对高效多晶铸锭的工艺的研发，电池效率等产品品质有了大幅度提高。限于当前技术条件，籽晶在熔化阶段只有C区被完全保留下来，A、B区域在很大程度上被熔化，所以导致A、B、C三个区域电池效率存在较大的差距，效率依次为18.26%、18.32%、18.45%，整锭转换效率为18.33%。

ECM PV450铸锭炉最大特点是上、中、下三电源独立控制的六面加热，配合其底部水冷散热，易于形成纵向温度梯度利于晶体生长，如图1所示。其炉体容积较大、控制点多，提供了足够的设备和工艺升级的空间。本文针对ECM PV450炉型，通过对热场结构的优化和化料工艺的升级，保证坩埚底部籽晶完整性，消除A、B区电池效率的短板，提升整锭平均电池转换效率。

图1 ECM PV450炉型结构示意图

1 实验

在设备结构上，采取加热器尽可能远离籽晶的原则，在纵向、横向上采取相应措施；在化料工艺上，降低TC2、TC3设定温度，同时为保证生产周期的前提下适当增加TC1温度。

1.1 提升侧部加热器

在设备空间和安全保障的前提下，将侧部加热器提高100mm，让加热器尽可能远离籽晶，以保护坩埚底部籽晶不被熔化。

1.2 增加保温板

为进一步确保坩埚底部籽晶在高温下不被熔化，在侧部加热器和坩埚下部中间添加尺寸为980× 150×20mm高保温性能的石墨硬毡，实物及效果如图2右图所示。

图2 保温板安装效果对比图

1.3 工艺优化

本着保护坩埚底部籽晶的原则，进行化料工艺升级优化，适当增加TC1、降低TC2和TC3温度设定，把以往只设定单一化料温度（表1），分解为快速、匀速、慢速三步进行熔化（表2），使其在顶部开始阶段进行快速化料，在熔化到一半位置时开始缓慢降低熔化速度，到剩余三分之一高度时进入低速化料，确保籽晶的完整性。

表1 原始化料工艺（对比组）

表2 改进后化料工艺

综上，设计了两组不同条件进行实验，如下表3。利用Semilab WT-2000D少子寿命检测仪对两组实验样品硅锭进行少子寿命测试，最后在同一电池生产线上对两组样品所得的硅片进行电池生产试制。

表3 实验设计表

2 结果与讨论

2.1 晶粒

高效多晶铸锭工艺改进目标之一就是降低晶体中的位错密度，相关的长晶工艺一般都是采用籽晶进行引晶，长晶初期作为形核点，生长大小均一得晶粒。在实际铸锭生产过程中，难以直接观测到籽晶的熔化情况，只能利用高纯石英玻璃棒进行探测中心区高度，计算出籽晶剩余情况，从而判断是否结束化料工艺，转而手动进入长晶阶段［8，9］。在此过程中，最终被保留的籽晶高度尤为重要，籽晶剩余高度较低或完全熔化将导致A、B区域籽晶较少影响铸锭品质，甚至高效铸锭工艺的失败；而籽晶剩余高度越高将导致硅锭底部低少子寿命区较长，从而降低铸锭的有效产出率，影响铸锭生产的合格产量［10，11］。

图3 硅锭底部籽晶熔化情况

图3为实验所得硅锭靠近坩埚的B区底部20mm的晶粒宏观形貌图。实验组硅锭籽晶保留较为完整，晶粒大小分布均匀；对比组中左半面即靠坩埚面晶粒较大、均匀性较差，右半部分即有籽晶部分晶粒细小均匀。在籽晶的控制上涉及两个关键因素，一是化料阶段的纵向温度梯度，较大的纵向温度梯度将减小后期化料速率，因而手动结束化料工艺后，较大的纵向温度梯度将更能有效地保护籽晶不被熔化。二是熔化界面的径向温度梯度，较小的径向温度梯度将有利于形成平整的籽晶层，有效控制靠近坩埚的边缘籽晶不被熔化，最终获得较为平直的剩余籽晶界面。对铸锭炉热场结构的研究分析，如图1，侧部加热器和籽晶在同一水平位置，且相对距离只有30mm，在1500℃以上的高温辐射下产生较大的径向温度梯度导致靠近坩埚面的籽晶很容易就被熔化。此外，在化料阶段，TC1、TC2、TC3始终保持着1550℃、1500℃、1410℃较高的化料温度导致较小的纵向温度梯度，手动跳步后仍有较大的热惯性，籽晶保留高度不受控制。实验组提升侧部加热器使籽晶远离热源，增加TC1、降低TC2和TC3温度设定值，均能有效强化纵向温度梯度；在侧部加热器和坩埚侧下部增加保温板，能有效阻挡侧部加热器直接热辐射，大部分热量就通过硅材料向下传递，减少底部受热量，创造了较小的径向温度梯度，并且三种改善措施相互补充、相互促进，实现了底部籽晶的完整性。

2.2 长晶界面

多晶铸锭程其实就是硅液的定向生长排杂的提纯过程，电阻率是硅锭检测的重要参数，根据杂质分凝现象原理，电阻率的分布在一定程度上反应了硅锭长晶界面情况。通过测试相同电阻率在硅锭B11-B15面上的对应高度，并绘制其折线图如图4、图5，实验组硅锭以较平的长晶界面向上生长，到中上部变得微凸形状；对比组硅锭以较凸的长晶界面向上生长，到中上部变得更加严重。

图4 对比组电阻率分布折线图

图5 实验组电阻率分布折线图

平整的长晶界面有易于得到沿晶锭生长方向的柱状晶，否则就必然导致中部长得快，或者边角长得快，晶体在中部交叉，导致多晶硅锭内部的热应力增大，引发位错增值。微凸的长晶界面，有利于定向凝固排杂，在长晶后期将剩余硅液中较高浓度的杂质排到硅锭顶部。实验组具有完整的籽晶基础，为初始长晶提供了平整的界面，同时侧部加热器提升100mm以及150mm的保温板为长晶阶段创造了较小的径向温度梯度，为柱状晶的生长提供了有利的温度环境。

2.3 少子寿命

图6为两组实验硅锭相同位置少子寿命检测图，通过对比，对比组硅锭内部存在大量的低少子寿命区域，头、尾、边缘红区较多，晶体生长方向发散，平均少子寿命值只有5.43μs；实验组硅锭少子寿命整体较高、分布均匀，硅锭内部位错等缺陷得到大幅度的改善，晶体质量有明显提，平均值高达6.77μs。

图6 实验组（a）和（b）对比组硅锭少子寿命图

2.4 电池片

表4为两组硅锭切片后制作成电池的效率对比，实验组A、B区域电池效率更加接近C区，通过实验得到较为平整的籽晶基础，热场改进后能生长出均匀的柱状晶，大幅度改善了硅锭边角位置的产品质量，缩小边角区域与中心区域的效率差距，解决了效率短板问题，提升了整锭平均电池转换效率，整锭平均效率由18.33%提升至18.48%。

表4 电池效率对比表

3 结论

本文以ECM PV450半熔高效工艺为基础，对铸锭炉进行了热场优化和工艺改进，使热场结构与高效工艺更加匹配、化料工艺更加科学合理。实验表明，改进热场和合理的化料工艺，可保证籽晶的完整性，有效改善A、B区域铸锭质量，消除其效率短板，整锭平均电池转换效率得到明显提高。因此，可以通过热场优化和工艺改进来提高多晶铸锭质量。

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The Thermal Field Optimization and Process Modification of Polycrystalline Silicon Ingot Production Furnace

ZHU Yuanguo1，HAN Kexuan2，ZHANG Danfeng3，DONG Weili4
（1.ShanXi Lu’an Photovoltaic Technology co.Ltd.，Changzhi 046000；2.School of Materials Science and Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；3.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Sceience and Technology，Changchun 130022；4.Advanced Innovation Center，Haier Group，Qingdao 266103）

In the paper we do some researches and experiments on ECM PV450 to solve the problem of low conversion efficiency of solar cell.We change the distance between the side the heater and the seed at the bottom of the crucible，that enhance the side heater in the longitudinal direction and add thermal insulation material on the transverse；at the same time，we improve the process to increase the top melting temperature，and reduce the side and bottom melting temperature，to protect the seed at the bottom of the crucible from melting at high temperature as possible.In the two aspects of equipment and process，we get the perfect seed and eliminate the short board of battery conversion efficiency at corner of ingot.The average battery conversion efficiency is increased from 18.33%to 18.48%，that improved the quality of ingot casting greatly.

seed；the short slab；thermal field；average battery conversion efficiency

TQ127.2；O782

A

1672-9870（2016）05-0097-04

2016-06-26

朱远国（1985-），男，工程师，E-mail:zhuyuanguo435@163.com