太阳能电池片科普系列-多晶硅铸锭篇

太阳能电池片科普系列多晶硅铸锭篇中国光伏产业经历了风风雨雨几十年， 无论是技术， 还是成本都经历了翻天覆地的变化， 随着市场对于高效率太阳能电池的需求， 多晶硅铸锭工艺也在一丁一点的发生着变化， 作为电池片原材料的源头， 多晶硅铸锭所扮演的角色也就不言而喻了。铸锭是将各种来源的硅料高温熔融后通过定向冷却结晶，使其形成硅锭的，硅料被加热完全融化后， 通过定向凝固块将硅料结晶时释放的热量辐射到下炉腔内壁上， 使硅料中形成一个竖直温度梯度。 这个温度梯度使坩埚内的硅液从底部开始凝固，从熔体底部向顶部生长。硅料凝固后，硅锭经过退火、冷却后出炉。一、多晶硅铸锭的主要流程二、喷涂工序1、石英坩埚检查石英坩埚表面干净无污染、无裂纹，同时内部划痕、凹坑、突起不能超过一定的范围， 核对石英坩埚的尺寸 （内外部尺寸、 上边厚度、 底部厚度等） ，坩埚底部厚度的异常会引起铸锭热场工艺的变化。2、坩埚涂层坩埚底边和侧边需要预先进行人工刷涂， 待涂层凝结过后进行喷枪喷涂， 涂层的量是一定的（刷涂次数不限） ，刷涂的涂层包括氮化硅粉（底部和边部分别为 120g、 380g） 、 硅溶胶 （ 60g、 150g） 、 PVA（ 50g、 120g） 和纯水 （ 180g、 340g） ，喷涂的涂层中则不需要 PVA。3、检查涂层在喷涂坩埚侧壁的过程中需用挡板遮住坩埚底部，约为侧壁 3／ 4 的地方。喷涂和刷涂过程中要均匀使液体凝聚，涂层必须满足均匀、无气泡、无脱落、无裂缝等条件方为合格。4、坩埚焙烧将喷好的坩埚放入烘箱内，开始坩埚焙烧 ,整个过程大概需要 3040 小时，先快速升温至设定温度，保持几小时后，自然冷却至合适温度，再开盖冷却。值得注意的是， 坩埚喷涂车间需要保持一定的温度， 温度较低环境需在配比涂层时对纯水加热。 原料的杂质浓度会影响铸锭炉的化料时间， 铸锭炉在长晶等阶段出现异常，此时铸锭时间可能较一般工艺时间长 2-4 个小时，底部氮化硅的量太少会导致无法顺利脱模，硅锭底部开裂。而过量的氮化硅会覆盖住石英砂，从而导致引晶效果不明显，因此要在铸锭中做出适当的调整。三、多晶硅工序1、备料对多晶硅的原硅料和回收料使用 PN测试仪和电阻率进行分档分类，直到达到配比质量， 最后计算出需要的掺杂剂质量。 硅料的种类大致有多晶原硅料、 多晶碳头硅料、多晶硅锭回收的硅料、单晶棒或单晶头、尾料、单晶锅底料、单晶碎硅片、其他半导体工业的下脚料等。2、装料装料时操作工戴上 PVC手套和防护服， 轻拿轻放防止氮化硅涂层被破坏。 形状不规则的片料或大块硅料在指定区域砸碎， 对片料进行破碎， 使用专用砸料箱，注意此过程必须戴 PVC手套、护目镜， 防止危害人体。挑选“硅料表面比较光滑的面” 。大小块料要尽量均匀，碎料尽量用来填缝隙。 8.在装料过程中，一定不能碰到坩埚内壁，发现破坏要取出硅料，重新喷涂，直至符合要求再用。一半的硅料装完后， 领取掺杂剂， 用电子天平称重后均匀的放置到硅料的表面。 掺杂剂假如完成后，继续加入硅料，直至达到规定数量为止。3、加热在真空状态下开始加热、按照一定的工艺程序，对硅料、热场、坩埚等进行排湿、排杂。4、熔化熔化与加热的延伸、 也可以理解为加热， 但在工艺程序上的设计上有较大的差别，熔化是将固体硅转化成液体硅，温度最高可达 1560 度。操作者在中心观测孔观测是否融化完成，连续观测 3-5 分钟，若没有硅料固体出现，程序方可继续向后运行。5、长晶熔进入长晶阶段， 打开隔热笼以冷却 DS-BLOCK， 坩埚内硅液顺着温度梯度，从底部向顶部定向凝固。 操作者在中心观察孔观察是否透顶手动选择合适的步骤。6、退火因在长晶阶段硅锭存在温度梯度， 内部存在应力。 若直接冷却出炉， 硅锭存在隐裂， 在开方和线切阶段， 外力作用会使硅片破裂， 退火的作用是使硅锭内部温度一致，消除硅锭内的应力。7、冷却冷却阶段隔热笼慢慢打开， 压力逐渐上升， 冷却阶段时间较长， 其作用与退火一样重要，直接影响硅锭的性能。太阳电池多晶硅锭是一种柱状晶， 晶体生长方向垂直向上， 是通过定向凝固（也称可控凝固、约束凝固）过程来实现的，即在结晶过程中，通过控制温度场的变化，形成单方向热流 生长方向与热流方向相反） ，并要求液固界面处的温度梯度大于 0，横向则要求无温度梯度，从而形成定向生长的柱状晶。四、铸锭车间常见事项1、在熔化和长晶阶段会出现熔化、中间长晶和边部长晶三次报警。在铸锭循环过程中，这两个阶段需密切关注。2、当炉内压力低于 980mbar 时，需要对炉子进行充气。回填操作时炉内压力大于这一数值时没有自动停止，需自动停止。3、铸锭过程中根据炉内出现不同情况手动调整，如适当延长长晶时间等。注意炉内的水电、气压。五、硅锭的检测如图， 典型的电阻率分布呈现出上述的变化趋势， 尾高头低。 主要是因为所添加的母合金的分凝系数造成的，检测硅锭中的电阻率是否出现异常。正常情况下的硅锭红外检测结果不会出现下图红色区域标识的， 造成此现象的原因可能为热场不稳定或硅料杂质比较多造成的。