太陽(yáng)能電池片科普系列——多晶硅鑄錠篇

:中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了風(fēng)風(fēng)雨雨幾十年，無論是技術(shù)，還是成本都經(jīng)歷了翻天覆地的變化，隨著市場(chǎng)對(duì)于高效率太陽(yáng)能電池的需求，多晶硅鑄錠工藝也在一丁一點(diǎn)的發(fā)生著變化，作為電池片原材料的源頭，多晶硅鑄錠所扮演的角色也就不言而喻了。

鑄錠是將各種來源的硅料高溫熔融后通過定向冷卻結(jié)晶，使其形成硅錠的，硅料被加熱完全融化后，通過定向凝固塊將硅料結(jié)晶時(shí)釋放的熱量輻射到下爐腔內(nèi)壁上，使硅料中形成一個(gè)豎直溫度梯度。這個(gè)溫度梯度使坩堝內(nèi)的硅液從底部開始凝固，從熔體底部向頂部生長(zhǎng)。硅料凝固后，硅錠經(jīng)過退火、冷卻后出爐。

一、多晶硅鑄錠的主要流程

二、噴涂工序

1、石英坩堝

檢查石英坩堝表面——干凈無污染、無裂紋，同時(shí)內(nèi)部劃痕、凹坑、突起不能超過一定的范圍，核對(duì)石英坩堝的尺寸（內(nèi)外部尺寸、上邊厚度、底部厚度等），坩堝底部厚度的異常會(huì)引起鑄錠熱場(chǎng)工藝的變化。

2、坩堝涂層

坩堝底邊和側(cè)邊需要預(yù)先進(jìn)行人工刷涂，待涂層凝結(jié)過后進(jìn)行噴槍噴涂，涂層的量是一定的（刷圖次數(shù)不限），刷涂的涂層包括氮化硅粉（底部和邊部分別為120g、380g）、硅溶膠（60g、150g）、PVA（50g、120g）和純水（180g、340g），噴涂的涂層中則不需要PVA。

3、檢查涂層

在噴涂坩堝側(cè)壁的過程中需用擋板遮住坩堝底部，約為側(cè)壁3／4的地方。噴涂和刷涂過程中要均勻使液體凝聚，涂層必須滿足均勻、無氣泡、無脫落、無裂縫等條件方為合格。

4、坩堝焙燒

將噴好的坩堝放入烘箱內(nèi)，開始坩堝焙燒,整個(gè)過程大概需要30~40小時(shí)，先快速升溫至設(shè)定溫度，保持幾小時(shí)后，自然冷卻至合適溫度，再開蓋冷卻。

值得注意的是，坩堝噴涂車間需要保持一定的溫度，溫度較低環(huán)境需在配比涂層時(shí)對(duì)純水加熱。原料的雜質(zhì)濃度會(huì)影響鑄錠爐的化料時(shí)間，鑄錠爐在長(zhǎng)晶等階段出現(xiàn)異常，此時(shí)鑄錠時(shí)間可能較一般工藝時(shí)間長(zhǎng)2-4個(gè)小時(shí)，底部氮化硅的量太少會(huì)導(dǎo)致無法順利脫模，硅錠底部開裂。而過量的氮化硅會(huì)覆蓋住石英砂，從而導(dǎo)致引晶效果不明顯，因此要在鑄錠中做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

三、多晶硅工序

1、備料

對(duì)多晶硅的原硅料和回收料使用PN測(cè)試儀和電阻率進(jìn)行分檔分類，直到達(dá)到配比質(zhì)量，最后計(jì)算出需要的摻雜劑質(zhì)量。硅料的種類大致有多晶原硅料、多晶碳頭硅料、多晶硅錠回收的硅料、單晶棒或單晶頭、尾料、單晶鍋底料、單晶碎硅片、其他半導(dǎo)體工業(yè)的下腳料等。

2、裝料

裝料時(shí)操作工戴上PVC手套和防護(hù)服，輕拿輕放防止氮化硅涂層被破壞。形狀不規(guī)則的片料或大塊硅料在指定區(qū)域砸碎，對(duì)片料進(jìn)行破碎，使用專用砸料箱，注意此過程必須戴PVC手套、護(hù)目鏡，防止危害人體。挑選“硅料表面比較光滑的面” 。大小塊料要盡量均勻，碎料盡量用來填縫隙。8.在裝料過程中，一定不能碰到坩堝內(nèi)壁，發(fā)現(xiàn)破壞要取出硅料，重新噴涂，直至符合要求再用。一半的硅料裝完后，領(lǐng)取摻雜劑，用電子天平稱重后均勻的放置到硅料的表面。摻雜劑假如完成后，繼續(xù)加入硅料，直至達(dá)到規(guī)定數(shù)量為止。

3、加熱

在真空狀態(tài)下開始加熱、按照一定的工藝程序，對(duì)硅料、熱場(chǎng)、坩堝等進(jìn)行排濕、排雜。

4​、熔化

熔化與加熱的延伸、也可以理解為加熱，但在工藝程序上的設(shè)計(jì)上有較大的差別，熔化是將固體硅轉(zhuǎn)化成液體硅，溫度最高可達(dá)1560度。操作者在中心觀測(cè)孔觀測(cè)是否融化完成，連續(xù)觀測(cè)3-5分鐘，若沒有硅料固體出現(xiàn)，程序方可繼續(xù)向后運(yùn)行。

5、長(zhǎng)晶

熔進(jìn)入長(zhǎng)晶階段，打開隔熱籠以冷卻DS-BLOCK，坩堝內(nèi)硅液順著溫度梯度，從底部向頂部定向凝固。操作者在中心觀察孔觀察是否透頂手動(dòng)選擇合適的步驟。

6、退火

因在長(zhǎng)晶階段硅錠存在溫度梯度，內(nèi)部存在應(yīng)力。若直接冷卻出爐，硅錠存在隱裂，在開方和線切階段，外力作用會(huì)使硅片破裂，退火的作用是使硅錠內(nèi)部溫度一致，消除硅錠內(nèi)的應(yīng)力。

7、冷卻

冷卻階段隔熱籠慢慢打開，壓力逐漸上升，冷卻階段時(shí)間較長(zhǎng)，其作用與退火一樣重要，直接影響硅錠的性能。

太陽(yáng)電池多晶硅錠是一種柱狀晶，晶體生長(zhǎng)方向垂直向上，是通過定向凝固（也稱可控凝固、約束凝固）過程來實(shí)現(xiàn)的，即在結(jié)晶過程中，通過控制溫度場(chǎng)的變化，形成單方向熱流(生長(zhǎng)方向與熱流方向相反），并要求液固界面處的溫度梯度大于0，橫向則要求無溫度梯度，從而形成定向生長(zhǎng)的柱狀晶。

四、鑄錠車間常見事項(xiàng)

1、在熔化和長(zhǎng)晶階段會(huì)出現(xiàn)熔化、中間長(zhǎng)晶和邊部長(zhǎng)晶三次報(bào)警。在鑄錠循環(huán)過程中，這兩個(gè)階段需密切關(guān)注。

2、當(dāng)爐內(nèi)壓力低于980mbar時(shí)，需要對(duì)爐子進(jìn)行充氣?；靥畈僮鲿r(shí)爐內(nèi)壓力大于這一數(shù)值時(shí)沒有自動(dòng)停止，需自動(dòng)停止。

3、鑄錠過程中根據(jù)爐內(nèi)出現(xiàn)不同情況手動(dòng)調(diào)整，如適當(dāng)延長(zhǎng)長(zhǎng)晶時(shí)間等。注意爐內(nèi)的水電、氣壓。

五、硅錠的檢測(cè)

如圖，典型的電阻率分布呈現(xiàn)出上述的變化趨勢(shì)，尾高頭低。主要是因?yàn)樗砑拥哪负辖鸬姆帜禂?shù)造成的，檢測(cè)硅錠中的電阻率是否出現(xiàn)異常。

正常情況下的硅錠紅外檢測(cè)結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)下圖紅色區(qū)域標(biāo)識(shí)的，造成此現(xiàn)象的原因可能為熱場(chǎng)不穩(wěn)定或硅料雜質(zhì)比較多造成的。

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