下一代硅片技术和发展趋势

1、张辉张辉 清华大学工程物理系清华大学工程物理系郑丽郑丽丽丽 清华大学航天航空学院清华大学航天航空学院第七第七届中国太阳级硅及光伏发电届中国太阳级硅及光伏发电研讨会（研讨会（CSPV7）2011年年7月月4-6日日第一代铸锭技术第一代铸锭技术硅液在坩埚或无坩埚硅液在坩埚或无坩埚状态下凝固。热流从状态下凝固。热流从侧面和底部同时流出。侧面和底部同时流出。晶向中间部分垂直向晶向中间部分垂直向上，边部水平或偏垂上，边部水平或偏垂直方向。界面不可控。直方向。界面不可控。SolarexSolarex曾是最大太曾是最大太阳能硅公司，后被阳能硅公司，后被bpbp收购变为收购变为bp solar bp sola

2、r 美国，去年关闭。美国，去年关闭。EMCEMC硅片可以制成高硅片可以制成高效电池，如京瓷可以效电池，如京瓷可以把把EMCEMC电池效率做到电池效率做到18.5%18.5%（背电池工艺）（背电池工艺）美国美国GT DSS450HP/DSS650GT DSS450HP/DSS650（G5G5）德国德国ALD ALD SCU450/SCU800SCU450/SCU800绍兴精功绍兴精功JJL500/JJL660/JJL800JJL500/JJL660/JJL800（G G6 6）北京京运通北京京运通 JZ460/JZ660JZ460/JZ660（G G6 6）第二代铸锭技术第二代铸锭技术法国法国C

3、yberstar650/800Cyberstar650/硅铸锭：硅铸锭：工艺实现工艺实现（JJL500JJL500为例为例原理原理: : 移动下绝热板，通过开口与冷壁热交换 通过增大开口或降低加热器功率产生定向凝固要求要求：界面平或微凸，液相温梯较大，液硅流动强（多晶铸锭），杂质少，应力低。关键技术：关键技术：温度梯度及凝固速度控制(TC1及开口工艺)、界面形状 (炉子设计)、成核或单晶控制(晶粒、晶相)、流动控制(碳污染)各种硅铸锭各种硅铸锭提隔热绒通过提隔热绒通过辐射降温凝固辐射降温凝固DSS450/650，JZ460/660通过内设冷源通过内设冷源进行冷却凝固进行冷却凝固没有运动部件没有

4、运动部件SCU450/800降下挡板通过辐降下挡板通过辐射降温凝固射降温凝固JJL500/660/800另外：欧美日厂家如另外：欧美日厂家如REC（ALD改进型），Schott Solar （VGF），京瓷（VGF类型）都有专门设计的炉子，效果很好。都有专门设计的炉子，效果很好。设计优点：炉子高度低，热冷区分开，顶部预留气路控制空间，底部可以做成核控制或进行单晶铸锭设计优点：炉子小，热冷区分开，底部可以做成核控制或进行单晶铸锭加热器绝热材料热交换台热交换台 护板坩锅硅液固体硅绝热材料热交换台热交换台 护板坩锅硅液固体硅化料加热，凝固降温冷却加热器绝热材料热交换台热交换台 护板坩锅硅液固体硅设计

5、优点：顶盖气路控制，可开炉进行单晶铸锭第二第二代多晶铸锭技术代多晶铸锭技术特点特点第二代第二代炉子的特点包括：炉子的特点包括：n底部大热交换台（底部大热交换台（被动式的被动式的）。）。热流从底部排出。其中包热流从底部排出。其中包括括HEMHEM方法，方法，DSSDSS方法，方法，ALDALD方法。虽然设计不同，但方法。虽然设计不同，但理念大理念大体一致体一致。都是让侧面热流减小，底部热流增大。传统。都是让侧面热流减小，底部热流增大。传统HEMHEM通通过底部通氩气冷却，过底部通氩气冷却，DSSDSS通过底部辐射换热，通过底部辐射换热，ALDALD通过底部通过底部水冷。都是被动冷却。水冷。都是被

6、动冷却。n炉子分为上下两个区炉子分为上下两个区，上部加热（侧面或顶部或同时上部加热（侧面或顶部或同时），），底部冷却底部冷却（通过开口进行水冷，（通过开口进行水冷，可有下加热器可有下加热器）n上部气路控制，包括顶盖设计上部气路控制，包括顶盖设计n控制系统基本上的工艺设定控制系统基本上的工艺设定+ +加热器的温度或功率控制加热器的温度或功率控制16759001200150016751685169016951700 SiO2+3C=SiC+2CO (坩埚坩埚护板及石墨件上沉积的护板及石墨件上沉积的SiO2） SiC + SiO2 = SiO + CO CO 被带回液面，分解并流被带回液面，分解并流

7、动到界面动到界面 碳杂质或碳化硅被界面吞噬碳杂质或碳化硅被界面吞噬向上的力向上的力向下的向下的力力l碳杂质碳杂质主要主要在化料阶段在化料阶段l生长区产生正压生长区产生正压l外部气流需通畅外部气流需通畅碳杂质原理碳杂质原理解决方法解决方法硅铸锭硅铸锭热场热场优化优化( (降碳降碳) )Ma, X., Zheng, L.L., Zhang, H., Zhao, B., Wang, C., Xu, F.H., 2010, “Thermal System Design and Optimization of an Industrial Silicon Directional Solidificatio

8、n Processes.” Journal of Crystal Growth, Vol. 318, pp. 288-292.导致该区域流动制止导致该区域流动制止XY-0.4-0.3-0.2-0.100.30.40.50.6siliconsio2Frame 001 23 Jun 2011 fluent6.3.26XY-0.4-0.3-0.2-0.100.30.40.50.61siliconsio2Frame 001 23 Jun 2011 fluent6.3.26化料化料时（加热器器温度高）时（加热器器温度高）长晶长晶时（加热器温度低）时（加热器温度低）硅铸锭硅铸锭热场热场优化优化( (降碳降

9、碳) )进口速度约为进口速度约为1cm/s, 远小于加热器产生的自然对流，这样需要远小于加热器产生的自然对流，这样需要很好的流场匹很好的流场匹配配，保证在化料和生长过程中保证在化料和生长过程中，都能获得好的气流都能获得好的气流结构，把杂质带出腔体结构，把杂质带出腔体准单晶准单晶铸锭起源（铸锭起源（20082008年结果）年结果）BP SolarBP Solar单晶铸锭单晶铸锭技术技术 - - 转化转化效率接近单晶提拉效率接近单晶提拉锭锭：采用采用开炉化开炉化料保护料保护籽晶（应该有能耗和时间问题）籽晶（应该有能耗和时间问题）Casting Single Crystal Silicon: Nov

10、el Defect Profiles from BP Solars Mono2 STODDARD Nathan ; BEI WU ; WITTING Ian ; WAGENER Magnus ; PARK Yongkook ; ROZGONYI George ; CLARK Roger , Solid state phenomena B1012-0394 Growth Rate: up to 20 kg/hLight elements concentrations: C = 4*1016 4*1017 atoms/cm3 O = 1 6*1017 atoms/cm3 N = 1*1015 at

11、oms/cm3Mono2 TM Screen Print Cell Process: Average Efficiency: 16.7% Highest Efficiency: 18.3%Pictures are provided by Nathan 高效超薄电池高效超薄电池130微米微米后来达到了后来达到了19%晶澳晶澳 Maple昱辉昱辉Virtue Wafers晶相控制晶相控制 ( (电池平均效率约电池平均效率约17.5%) )晶晶相相控制铸锭控制铸锭准准单晶铸锭单晶铸锭单晶单晶铸锭铸锭目前国内外能生产目前国内外能生产准单晶准单晶的至少有的至少有十十几几家。使用包括家。使用包括JJL，A

12、LD， GT，JYT改改装的炉子，也有专装的炉子，也有专门设计的炉子。门设计的炉子。影响效率的主要因素影响效率的主要因素 晶相控制和控制率晶相控制和控制率 位错密度位错密度 碳氧浓度和杂质分布碳氧浓度和杂质分布 红区问题红区问题影响生产陈本因素影响生产陈本因素 籽晶回收籽晶回收 铸锭时间铸锭时间侧边问题侧边问题侧边问题侧边问题侧边问题侧边问题GT 结果结果BP 结果结果JJL 结果结果晶相控制电池晶相控制电池效率相关问题效率相关问题韩国锭（展会）韩国锭（展会）n多晶区与固定侧加热有关，导致侧面温度梯度，若能在侧面形成向上温度梯度，多晶区与固定侧加热有关，导致侧面温度梯度，若能在侧面形成向上温度

13、梯度，可抑制侧面成核，形成全单晶。如用可抑制侧面成核，形成全单晶。如用Bridgman法生长单晶硅，不会在壁面产生法生长单晶硅，不会在壁面产生多晶。多晶。全单晶铸锭是完全可行的！全单晶铸锭是完全可行的！n化料与生长的对立与统一：化料过程需要高温和强对流，生长初期需要稳定边化料与生长的对立与统一：化料过程需要高温和强对流，生长初期需要稳定边界层和大过冷度（利于界层和大过冷度（利于100方向生长）。解决不了这个问题就不能方向生长）。解决不了这个问题就不能解决长晶时间解决长晶时间（大梯度或下加热）、能耗（闭炉化料）和晶体质量（大梯度或下加热）、能耗（闭炉化料）和晶体质量（100晶相控制）的对立晶相控

14、制）的对立。晶相晶相控制控制铸锭铸锭(2011)(2011)多晶多晶区区精功早期锭精功早期锭侧加侧加热器热器问题？问题？全单晶全单晶多晶铸锭多晶铸锭改造为单晶铸锭改造为单晶铸锭HEMHEM炉子的原型炉子的原型是蓝宝石大单晶是蓝宝石大单晶铸锭铸锭炉。炉。19721972年，年，Frederick Frederick SchmidSchmid专利专利，可制备单晶可制备单晶。DSSDSS炉子制备准单晶技术由炉子制备准单晶技术由BP BP SolarSolar开发，并拥有专利（目前成为开发，并拥有专利（目前成为AMG Idealcast AMG Idealcast SolarSolar）。ALDALD

15、原型原型是叶片单晶铸锭是叶片单晶铸锭，具备，具备单晶铸锭能力。单晶铸锭能力。多晶铸锭炉都可通过多晶铸锭炉都可通过开口化开口化料控制籽晶融化（控制料控制籽晶融化（控制TC2TC2），电），电池效率高，但化料时间长；也可闭炉化料，需要插棒或用界池效率高，但化料时间长；也可闭炉化料，需要插棒或用界面检测设备，优点是时间短，缺点是电池效率低。面检测设备，优点是时间短，缺点是电池效率低。第第三代单晶硅三代单晶硅锭锭制备研发制备研发第三代硅锭是第三代硅锭是控制控制型准单晶或全单晶铸锭型准单晶或全单晶铸锭方法方法。大体采。大体采用修正型用修正型BridgmanBridgman方法或修正型方法或修正型VGFV

16、GF（Vertical Vertical Gradient FreezeGradient Freeze）方法。这些技术已成功用于光学晶体）方法。这些技术已成功用于光学晶体生长和半导体晶体生长。第一代是传统铸锭技术，第二生长和半导体晶体生长。第一代是传统铸锭技术，第二代是定向铸锭技术，第代是定向铸锭技术，第三代是晶体生长三代是晶体生长技术。技术。晶体生长晶体生长需要控制籽晶熔化，温度梯度需要控制籽晶熔化，温度梯度、界面、界面形状。最终实现单形状。最终实现单晶生长晶生长，降低位错，控制浓度，降低位错，控制浓度。上加热器上加热器石墨石墨坩埚坩埚硅液硅液硅锭硅锭热流控制器热流控制器可变可变温度温度梯度

17、梯度区区绝热材料绝热材料控制热流法（控制热流法（CHFMCHFM） 精功精功CHFM原理图原理图热流控制器有各种设计，如热管技术热流控制器有各种设计，如热管技术优点：控制热流和内部优点：控制热流和内部流动，营造小流动，营造小环境环境SINTEF，Norway. JCG 318(2011)京瓷京瓷专利专利BP专利专利控制热流法（控制热流法（CHFMCHFM） 太阳能硅制备技术比较太阳能硅制备技术比较提拉法提拉法铸锭、类单晶铸锭、类单晶直接硅片技术直接硅片技术生长速度生长速度 (cm/h)4.5-9.01 个锭个锭1.2-1.816 , 25, 36锭锭约约1秒秒1个硅片个硅片尺寸尺寸(cm)6-

18、英寸69x69, 84x84, 100 x100 100,125,和150mm2硅片结构结构单晶多晶、准单晶准单晶、单晶多晶硅料需求硅料需求高低中电池效率电池效率17-2216-20.215-16.5注注到极限热点再突破再突破10多年前多年前美国晶体生长会议上，本人（代表硅管技术）、蓝崇美国晶体生长会议上，本人（代表硅管技术）、蓝崇文（代表提拉单晶技术）、文（代表提拉单晶技术）、Mohan Chandra（代表铸锭技术）（代表铸锭技术）进行同场展示，铸锭技术暂时领先，进行同场展示，铸锭技术暂时领先，将来发展将来发展还不能断定。还不能断定。A用激光枪把硅管从中切开，用激光枪把硅管从中切开，硅管可

19、以像纸一样展开。硅管可以像纸一样展开。再用印刷技术制备大面积再用印刷技术制备大面积的的太阳能电池太阳能电池(EFG)快速快速生长；减小切割损失生长；减小切割损失NOT “RGS，LASS（Low Angle Silicon Sheet), MW (Molded Wafer), DW (Direct Wafer) , RAFT”需解决的关键问题：需解决的关键问题：快速快速生长液生长液桥桥稳定性，晶粒，杂质稳定性，晶粒，杂质第第四四代：代：薄薄硅片生长和一体化硅片生长和一体化Sun, D., Wang, C. L., Zhang, H., Mackintosh, B., Yates, D., an

20、d Kalejs, J., 2004, “A Multi-block Method and Multi-grid Technique for Large Diameter EFG Silicon Tube Growth,” Journal of Crystal Growth 266, 167-174.硅片生长技术硅片生长技术很多非常好的水平生长很多非常好的水平生长技术在发展过程中被淘技术在发展过程中被淘汰了，大多不是因为技汰了，大多不是因为技术原因。是重新审视这术原因。是重新审视这些技术，并进行再创新些技术，并进行再创新的时候了。的时候了。美贷款美贷款1.5亿亿美元助美元助1366 Techn

21、ologies发展发展太阳能硅片技术太阳能硅片技术“U.S. Energy Secretary Steven Chu announced the offer of a conditional commitment for a $150 million loan guarantee to 1366 Technologies, Inc. for the development of a multicrystalline wafer manufacturing project. The project will be capable of producing approximately 700 to 1,000 megawatts (MW) of silicon-based wafers annually using a revolutionary manufacturing process called Direct Wafer.