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 30~40 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。