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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2021-05-01 17:09
摘要
太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)多晶硅片大多來(lái)源于定向凝固多晶鑄錠方法。定向凝固多晶硅錠中心區(qū)硅棒底部常出現(xiàn)陰影區(qū)域，對(duì)多晶硅錠的品質(zhì)及鑄錠得料率有一定的影響。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究分析，中心硅錠底部出現(xiàn)陰影的原因是在晶體生長(zhǎng)初期，打開(kāi)隔熱籠，邊角長(zhǎng)晶速度相對(duì)比中心長(zhǎng)晶速度快，固液界面呈“凹”狀，熔體中雜質(zhì)在硅錠中心底部沉積，造成硅錠紅外探傷圖上出現(xiàn)陰影。
通過(guò)多晶鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及工藝的優(yōu)化，使得晶體生長(zhǎng)初期邊角長(zhǎng)晶速度變慢，固液界面的“凹”度變小，甚至使固液界面變平或微“凸”，底部雜質(zhì)向硅錠四周擴(kuò)散，可消除多晶硅錠中心區(qū)硅棒陰影。
目前，主流單晶電池企業(yè)通過(guò)提升單晶硅片發(fā)電效率，減小相對(duì)多晶的成本劣勢(shì)，使多晶硅片的主導(dǎo)地位受到極大的挑戰(zhàn)，為保持多晶硅材料在晶硅太陽(yáng)能行業(yè)中的優(yōu)勢(shì)地位，多晶硅鑄錠技術(shù)和多晶硅錠品質(zhì)必須不斷的提高，并且降低制造成本。
影響多晶硅錠質(zhì)量提升的因素有很多，比如硬質(zhì)點(diǎn)、微晶、低少子壽命以及硅錠陰影等。
多晶硅錠陰影大多出現(xiàn)在硅錠中心區(qū)硅棒底部，對(duì)多晶鑄錠的得料率有較大影響。
多晶硅錠中心區(qū)硅棒底部產(chǎn)生陰影有兩種可能，一種可能是長(zhǎng)晶過(guò)程中固液界面產(chǎn)生了較大的過(guò)冷度，產(chǎn)生晶粒尺寸小于1mm2的細(xì)晶區(qū)域即微晶；
另一種可能是晶體生長(zhǎng)初期階段，晶體從硅熔體四周底部開(kāi)始生長(zhǎng)，邊角長(zhǎng)晶速度相較中心長(zhǎng)晶速度快，固液界面的形狀呈“凹”狀造成熔體中雜質(zhì)無(wú)法及時(shí)排出，聚集在硅錠中心部位，造成硅錠中下部陰影。
紅外探傷儀能夠穿透200mm深度的硅塊，純硅料對(duì)這個(gè)波段的紅外光線吸收率很低，但是如果硅材料中存在雜質(zhì)、微裂紋、空洞、微晶區(qū)等缺陷，這些缺陷對(duì)紅外光線有吸收、反射、散射作用，導(dǎo)致紅外射線的損失，利用紅外探測(cè)器檢測(cè)透過(guò)硅材料的紅外光線，分析紅外光損失，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硅材料體內(nèi)的雜質(zhì)、裂紋、空洞、微晶區(qū)等缺陷進(jìn)行分析及精確定位，以便對(duì)其進(jìn)行切除，有效減少線鋸斷線的風(fēng)險(xiǎn)。
本文針對(duì)因多晶硅生長(zhǎng)初期固液界面“凹”造成的硅棒底部陰影，對(duì)多晶鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)及鑄錠工藝進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)改動(dòng)鑄錠爐熱場(chǎng)中側(cè)面加熱器的位置，調(diào)整多晶硅長(zhǎng)晶初期固液界面，使熔體中雜質(zhì)由中心區(qū)域向四周擴(kuò)散，消除了硅棒底部陰影。
一、實(shí)驗(yàn)過(guò)程
1.主要設(shè)備與儀器
實(shí)驗(yàn)使用的多晶鑄錠爐為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所研發(fā)生產(chǎn)的R13680-1/UM型多晶硅鑄錠爐，其加熱器為頂側(cè)五面加熱結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)硅錠經(jīng)過(guò)開(kāi)方后，實(shí)驗(yàn)硅棒用紅外探傷儀檢測(cè)陰影。實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備與儀器見(jiàn)表1。
2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程
實(shí)驗(yàn)使用R13680-1/UM多晶硅鑄錠爐，投料量控制在620kg，鑄錠工藝相同。
設(shè)定側(cè)面加熱器與頂部加熱器的距離為a，三次實(shí)驗(yàn)鑄錠爐側(cè)加熱器的位置分別為a、a+40mm、a+80mm，三次實(shí)驗(yàn)各制備了1個(gè)硅錠。
開(kāi)方檢測(cè)后，截去頭尾少子紅區(qū)，實(shí)驗(yàn)硅棒進(jìn)行紅外探傷檢測(cè)，根據(jù)硅棒陰影區(qū)長(zhǎng)度及陰影硅棒在實(shí)驗(yàn)錠中的分布，分析側(cè)面加熱器位置對(duì)多晶硅中心區(qū)硅棒底部陰影的影響。
二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
1.不同側(cè)面加熱器位置硅棒中心區(qū)硅棒的底部陰影
1.1側(cè)面加熱器位置a
第1次實(shí)驗(yàn)，側(cè)面加熱器與頂部加熱器相對(duì)距離為原始距離a，制備得實(shí)驗(yàn)錠1。
實(shí)驗(yàn)錠1開(kāi)方后得到25根小硅棒，根據(jù)頭尾少子紅區(qū)進(jìn)行截?cái)?，然后進(jìn)行紅外探傷。
圖1為實(shí)驗(yàn)錠1中陰影硅棒的分布情況，圖2為實(shí)驗(yàn)錠1中心區(qū)硅棒C13的紅外探傷圖。
實(shí)驗(yàn)錠1中心區(qū)域硅棒C13尾部陰影高度在90mm左右，截去頭尾少子紅區(qū)，陰影高度約45mm，陰影主要分布在硅錠的中心C區(qū)，顏色較深。
1.2側(cè)面加熱器位置a+40mm
第2次實(shí)驗(yàn)將側(cè)面加熱器下移40mm，制備得到實(shí)驗(yàn)錠2。
圖3、圖4分別為第2次實(shí)驗(yàn)鑄錠紅外探傷陰影分布情況和中心區(qū)硅棒C13探傷圖。
從圖3和圖4看到，多晶硅錠內(nèi)部的陰影分布情況已經(jīng)有大幅改善，出現(xiàn)含陰影硅棒根數(shù)也在減少，尾部紅區(qū)截?cái)嗪蠊璋絷幱案叨纫呀?jīng)由第1次實(shí)驗(yàn)的45mm下降至14mm。
1.3側(cè)面加熱器位置a+80mm
結(jié)合前面兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，第3次實(shí)驗(yàn)將側(cè)面加熱器下移80mm，制備得到實(shí)驗(yàn)鑄錠3。
開(kāi)方檢測(cè)后實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示硅錠中心區(qū)硅棒底部無(wú)陰影，如圖5所示。
2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，側(cè)面加熱器位置a分別下移0mm、40mm和80mm后，硅錠中心區(qū)硅棒陰影分布情況及中心硅棒C13的陰影高度數(shù)據(jù)結(jié)果匯總見(jiàn)表2。
3.晶體生長(zhǎng)速度對(duì)中心區(qū)硅棒底部陰影的影響
多晶硅棒內(nèi)部產(chǎn)生陰影還有一種說(shuō)法，是在晶體生長(zhǎng)階段硅晶體生長(zhǎng)速度過(guò)快（一般認(rèn)為長(zhǎng)晶速度＞2cm/h）造成的，為了驗(yàn)證這一說(shuō)法，在進(jìn)行本文三次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用玻璃棒測(cè)量了晶體生長(zhǎng)速度，如圖6所示。
從圖6可以看出，改動(dòng)前后3個(gè)硅錠生長(zhǎng)初期晶體生長(zhǎng)速度均＜2.0cm/h，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，下移側(cè)面加熱器對(duì)消除多晶硅中心區(qū)硅棒底部陰影的作用很明顯，而這種長(zhǎng)晶初期產(chǎn)生的中心區(qū)硅棒底部的陰影并不是由于長(zhǎng)晶速度過(guò)快造成的。
三、結(jié)論
本文對(duì)R13680-1/UM多晶鑄錠爐出現(xiàn)的硅錠中心區(qū)硅棒的底部陰影問(wèn)題進(jìn)行了分析，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)加熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)，消除了多晶硅鑄錠過(guò)程中出現(xiàn)的陰影。
得出以下結(jié)論：
（1）長(zhǎng)晶初期產(chǎn)生的中心區(qū)硅棒的底部陰影原因是晶體生長(zhǎng)初期邊角長(zhǎng)晶速度相對(duì)比中心長(zhǎng)晶速度快，固液界面呈“凹”狀，導(dǎo)致雜質(zhì)在硅錠中心的底部沉積；
（2）長(zhǎng)晶初期產(chǎn)生的中心區(qū)硅棒的底部陰影不是由于長(zhǎng)晶速度過(guò)快造成的；
（3）通過(guò)下移鑄錠爐側(cè)面加熱器，使得長(zhǎng)晶初期很“凹”的固液界面變平坦甚至微“凸”，可以消除由于硅錠中心底部的雜質(zhì)富集造成的紅外探傷陰影。
來(lái)源：摩爾光伏
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