多晶鑄錠對太陽能電池效率的影響

摘要：在提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率方面，越來越多的人開始關(guān)注多晶鑄錠。本文通過對多晶鑄錠鑄錠爐結(jié)構(gòu)本身、鑄錠工藝的優(yōu)化以及輔助材料方面等不同方面進行分析、對比，提出有利于提升太陽能電池效率的方法。 　　前言 　　2012年，我國光伏產(chǎn)業(yè)因全球經(jīng)濟衰退、光伏產(chǎn)能過剩、價格下跌、美國"雙反"、歐洲"反傾銷"等因素而進入寒冬期，光伏下游企業(yè)毛利率大幅下降，大部分企業(yè)面臨嚴重虧損。2013年上半年國內(nèi)多晶硅產(chǎn)量較去年還有明顯下滑，2013年上半年國內(nèi)多晶硅產(chǎn)量為2.8萬噸，同比下滑23.6%。受供需關(guān)系及國際貿(mào)易等多種因素影響，2012年我國絕大多數(shù)多晶硅企業(yè)已停產(chǎn)。 　　由于下游供需局面并未有實質(zhì)性轉(zhuǎn)變，加上主要多晶硅企業(yè)生產(chǎn)成本仍在不斷下降，2013年多晶硅企業(yè)經(jīng)營狀況仍不容樂觀，多晶硅行業(yè)將保持在低位的運行，產(chǎn)業(yè)整合也有望見底行業(yè)的回暖預(yù)計要到2014年。多晶硅慘淡的行業(yè)景象并沒有削減人們對太陽能組價的滿足程度，正是由于供大于求的太陽能市場行情，人們對太陽能組件的功率要求越來越高，更多開始關(guān)注太陽能電池的效率。 　　為了提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，最近光伏業(yè)界又推出了高效多晶鑄錠技術(shù)。使用普通的電池片制作工藝，高效多晶硅片可達到17.3%以上的轉(zhuǎn)換效率，現(xiàn)在最高可達18%左右。高效多晶鑄錠技術(shù)的關(guān)鍵在于降低晶體中的位錯和其他缺陷。業(yè)界估計至少有十余種方法制作高效多晶，例如使用單晶碎片或多晶碎片作為籽晶，使用特殊坩堝或熱場等等。 　　1、鑄錠爐本身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 　　鑄錠爐是直接將硅料高溫熔融后通過定向冷卻冷凝結(jié)晶，使其形成晶向一直的硅錠的設(shè)備。在加熱使硅料完全融化后，通過定向凝固塊將硅料結(jié)晶時釋放的熱量輻射到下爐腔內(nèi)壁上，使硅料中形成一個豎直溫度梯度。這個溫度梯度使坩堝內(nèi)的硅液從底部開始凝固，從熔體底部向頂部生長。硅料凝固后，硅錠經(jīng)過退火、冷卻后出爐。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對于鑄錠的硅錠的效率的提升有很重要的作用。 　　1.1加熱器雙電源設(shè)計 　　多晶硅鑄錠爐加熱器的要求：加熱超過1650℃；使用材料不能與硅料發(fā)生反應(yīng)；可以在真空及惰性氣體中長期使用。對于加熱器的材料而言，目前行業(yè)中主要使用高純石墨作為加熱材料，主要使用單電源對石墨加熱器進行加熱。 　　使用雙電源加熱器帶來的好處：改善鑄錠硅塊的晶向結(jié)構(gòu)；增大晶粒的體積同時減少晶界；改善結(jié)晶平面，可以靈活控制長晶界面的形狀，長晶速度更加平穩(wěn)，解決了硅錠生長后期速度過慢的問題，如圖（一）所示： 　　1.2鑄錠爐冷卻模式改進 　　硅的結(jié)晶速度取決于其底部石墨塊的降溫速度，較好的結(jié)晶速度會產(chǎn)生穩(wěn)定的分凝速度，保證雜質(zhì)的均勻析出，是生長高效多晶硅塊的必經(jīng)之路。目前行業(yè)中的冷卻主要包括隔熱籠的提升、隔熱板的下降、底部水冷三種模式。 　　氣冷技術(shù)與目前現(xiàn)有相比擁有自己獨特的優(yōu)勢，將先前依靠移動隔熱籠的被動DS塊輻射降溫的弱控制模式改為DS塊底部主動氣體降溫的強控制模式，使得晶體生長可控性更強。通過中空的DS塊、氣體冷卻器、泵組、變頻器等組成可控氣體流量的閉合氣路，以流動氣體對DS塊進行直接冷卻，并通過DS臺上的溫度反饋調(diào)節(jié)泵組電機速度來控制冷卻氣體流量，從而實現(xiàn)精確的DS臺溫度控制。 　　具有氣體溫度、流量流量范圍寬，調(diào)節(jié)精度高，且功耗低等優(yōu)點。從而使硅錠生長的界面更加平穩(wěn)，提高電池的轉(zhuǎn)化效率。 　　2、鑄錠工藝的優(yōu)化 　　通過對熱場溫度的優(yōu)化以及晶粒的細化，使晶體在初期的成核得到控制，在結(jié)晶過程中具有穩(wěn)定的結(jié)晶速度和過冷度，從而提高了硅晶體的少子壽命，降低了硅晶體的內(nèi)部缺陷，提高了多晶硅電池效率。 　　2.1大晶粒的制備 　　大晶粒學(xué)名成為準單晶（Monolike）是基于多晶鑄錠的工藝，在長晶時通過部分使用單晶籽晶，獲得外觀和電性能均類似單晶的多晶硅片。這種通過鑄錠的方式形成單晶硅的技術(shù)，其功耗只比普通多晶硅多5%，所生產(chǎn)的單晶硅的質(zhì)量接近直拉單晶硅。簡單地說，這種技術(shù)就是用多晶硅的成本，生產(chǎn)單晶硅的技術(shù)。準單晶產(chǎn)品的優(yōu)勢：轉(zhuǎn)換效率高于普通多晶，接近直拉單晶電池片；與普通多晶電池片相比LID基本無變化，性能穩(wěn)定；比起普通多晶，組件功率提升明顯，單位成本降低；可封裝265瓦（60片排布）大組件。 　　2.2調(diào)整熱場結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工藝 　　由于不同的溫度梯度會導(dǎo)致不同的晶向產(chǎn)生，如果需要做到降低成核缺陷，需要清楚<100>的成核機理，經(jīng)過查詢，大于186度的溫度梯度差，才能滿足形成<100>晶向的溫度要求。 　　通過改進工藝，調(diào)整熱場結(jié)構(gòu)，生長速度得以控制。改進后的多晶鑄錠生長段配方后，晶體的生長速度更加趨于平穩(wěn)，這樣有利于雜質(zhì)的均勻向上分凝。而與此同時保證界面的平穩(wěn)性可以控制雜質(zhì)的平穩(wěn)析出。在控制界面水平則可以實現(xiàn)成核的一致性，及達到均勻晶粒的細化技術(shù)。對于整個生長過程，界面溫度微凸是有利的，有利于雜質(zhì)的向外排出，但太凸，會導(dǎo)致邊緣16塊受損嚴重。通過穩(wěn)定熱場，優(yōu)化生長工藝，改進生長界面實現(xiàn)了降低缺陷密度，提高硅晶體少數(shù)載流子壽命的目的，最終達到了提高硅晶體電池效率的目標。 　　3、其它方面 　　3.1坩堝對電池效率的影響 　　目前市場上推出的高效坩堝，將坩堝表面的二氧化硅的純度進一步提高，在硅料在鑄錠爐進行融化時使坩堝分解出更少的雜質(zhì)進入到硅料中，從而可以減少硅塊中雜質(zhì)的比例，提高電池的轉(zhuǎn)化效率。 　　此外坩堝在噴涂中應(yīng)該注意一些事項：攪拌時間不得少于10分鐘，噴涂溫度控制在40-70℃之間，嚴禁濕噴，隨時清理脫落的氮化硅。 　　3.2裝料工藝對電池效率影響 　　裝料過程會對鑄錠產(chǎn)生影響，進而影響電池轉(zhuǎn)換效率。注意以下方面：顆粒料、粉料單堝不超過20Kg，盡可能將粉料裝于坩堝中部不接觸坩堝壁；裝料過程注意防塵，不接觸金屬，輕拿輕放，不要碰壞噴涂層；大塊料避免放至內(nèi)立棱附近，應(yīng)盡量在距離內(nèi)立棱10cm以外，在每層裝料內(nèi)立棱附近留有的空間，最好用碎塊料填充，也可以不填充；裝完料后，坩堝的運轉(zhuǎn)中應(yīng)避免顛簸；用吸塵器吸去推車上、石墨板上的殘留物質(zhì)在坩堝四邊固定好石墨檔板四邊石墨檔板的邊必須與石墨底板邊相吻合，且石墨檔板與底板平面相互垂直，對邊兩檔板與坩堝距離保持一致，用手旋上螺絲，不要太緊，擰緊后回轉(zhuǎn)1/3~1/2。 　　4、總結(jié) 　　多晶鑄錠對電池效率產(chǎn)生很大的影響，多晶硅片的生產(chǎn)可以很好地提升電池的轉(zhuǎn)化效率，讓太陽能電池具有更加良好的市場競爭力。2010年，多晶硅片的轉(zhuǎn)換效率約為16%，價格約為每片3～4美元。當時，都具備一定競爭力而為市場所接受。到了2012年年底，多晶硅片的轉(zhuǎn)換效率提高到17.2%左右，價格降到了每片0.8美元左右。 　　此時多數(shù)其他硅片技術(shù)已逐漸失去競爭力，市場占有率不斷降低。到2014年，多晶硅片的轉(zhuǎn)換效率預(yù)計將提高到18%以上，而成本降至每片0.5美元以下。光伏硅片生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢表明，將來的硅片市場應(yīng)該是高效多晶硅錠的市場。研究多晶鑄錠成為今后的趨勢，對太陽能電池的影響越來越會受到更多人的重視。