铸锭技术2012

1、张辉张辉 清华大学工程物理系清华大学工程物理系硅片和电池成本将持续下降，在太阳能应用产业链中的成本比重越来越小。组件，安装和维护等成本已经成为第一因素（材料，人工等，包括土地或楼面面积将会继续攀升），降低产业链中高成本部分成为未来发展的方向。电池效率提升将提高电池的成本，但降低总成本。高效电池将是未来的发展方向。目前的主流有高效多晶和类单晶两种。高效多晶目前流行小晶粒生长，起源于类单晶生长。原因有（1）有更好的晶粒一致性，生长过程的内应力小，导致全锭的均匀性好，改进开路电压；（2）一致的晶粒大小，使得制绒工艺简单，改进电流特性。还有一个不成熟的理论是杂质进入晶界提高排杂能力，及抑制晶粒内的亚晶

2、界生长。高效硅片需求高效硅片需求高效硅片技术高效硅片技术大面积快速冷却大面积快速冷却成成核核：高温化料，快速冷却，产生小晶粒。成核后，快速升温，再慢速生长，长大晶粒。但晶粒方向错乱，应力大，缺陷大，效率低。分区分区定向成核定向成核：横向温度梯度一致而且可控，横向温度梯度一致而且可控，界面较平，界面较平，临临近近晶粒色差小，效率晶粒色差小，效率高。高。籽晶成核籽晶成核：预先布置小晶粒籽晶。预先布置小晶粒籽晶。小岛成核小岛成核核长大核长大结合结合孔洞孔洞连续膜连续膜沟道沟道生长内应力的起源生长内应力的起源内应力按产生原因分为内应力按产生原因分为热应力热应力和本征应力，本征应力分为和本征应力，本征应

3、力分为界界面应力面应力和和生长应力生长应力。热应力热应力是由于籽晶和基底的是由于籽晶和基底的热胀系数热胀系数不同而不同而引起引起的，是可逆的，是可逆的。如的。如冷却过程中，冷却过程中，当籽晶的当籽晶的热胀系数大于热胀系数大于基底的基底的热胀系数热胀系数时，会时，会使籽晶中使籽晶中产生张应力产生张应力界面应力界面应力是籽晶和基底的结构失配所形成的应力，并且会形是籽晶和基底的结构失配所形成的应力，并且会形成一个有相当厚度的过渡层成一个有相当厚度的过渡层。生长应力生长应力来源于籽晶生长来源于籽晶生长过程过程中形成的各种结构缺陷中形成的各种结构缺陷 ()thFSdTTLmax21 2max122svg

4、bLvLE因表面能需最低，晶粒间距离因表面能需最低，晶粒间距离足够小时，晶粒拉伸，两个界足够小时，晶粒拉伸，两个界面合成为一个。晶界处产生大面合成为一个。晶界处产生大的张应力。另外，还有空洞等的张应力。另外，还有空洞等控制晶界一致性控制晶界一致性生长应力生长应力是多晶铸锭的主要问题：控制的重点是是多晶铸锭的主要问题：控制的重点是成核点和成核点和成核方向。成核方向。而生长应力减小方法不应大幅提升热应力。而生长应力减小方法不应大幅提升热应力。铸锭铸锭后期问题：后期问题：一方面一方面侧壁成核侧壁成核的晶粒向内生长挤压中间的晶粒向内生长挤压中间晶粒，另一方面晶粒，另一方面晶界位错密度晶界位错密度上升。

5、还有一个可能原因是上升。还有一个可能原因是顶部加热器交流电流产生的电磁力加上表面张力等顶部加热器交流电流产生的电磁力加上表面张力等导致流导致流动强而且不均匀。动强而且不均匀。日本在晶粒日本在晶粒方向方向选选择方面的工作择方面的工作成核过程控制：成核过程控制：底部温度低底部温度低，导致晶粒小。导致晶粒小。而底部有温度而底部有温度分布后，分布后，就就可可有选择性有选择性地控地控制制成核点（冷成核点（冷区）及成核方区）及成核方向（温度梯度向（温度梯度方向）。产生方向）。产生一致性好的大一致性好的大晶粒，减小内晶粒，减小内应力应力。中美中美晶晶A+A+高效多晶技术：高效多晶技术：LiLi和蓝和蓝的的文

6、章文章中美晶在中美晶在GT450热交换台和坩埚之间垫绝热热交换台和坩埚之间垫绝热层，绝热层中间打孔加导热材料，有效果但层，绝热层中间打孔加导热材料，有效果但不明显。这样他们就自然地想到了强迫对流。不明显。这样他们就自然地想到了强迫对流。Crystal-1 was grown with a graphite fiber block below the graphite block（原设计）. Crystal-2 and crystal-3 were grown with enhanced cooling design, but with different argon flow rates（右图

7、，改了反应时间及侧面）. At the nucleation stage, the water flow rate was adjusted to 2.5 L/min (from 1.0 L/min), and it was reduced to 1.0 L/min after 1 min of crucible translation. Meanwhile, argon was also introduced into the chamber at 10 standard L/min (slpm) for 1 min for crystal-3, but no argon was intro

8、duced for crystal-2 （GT450：Argon flow rate was 120 slpm at the first 10 min to induce nucleation, and then reduced to 80. ALD需突然开口10分钟）晶粒方向控制与电池效率的关系晶粒方向控制与电池效率的关系中美晶中美晶A A+技术技术：LiLi和蓝和蓝的的文章文章A+是用了冷却垫，中部冷，过冷度大。导致111方向核少（10%）112向多。A+ 和A+的底部效率15.8%和16.1%；顶部效率15.5%和15.9%。主要问题是生产过程中稳定性不好。目前全锭效率达17.3%。文中

9、提了用增大冷却（减小TC2）来控制成核，但效果不明显（估计没有再升回去）。评论：类似上虞的炉子，界面不平的话，会产生大温度梯度，导致锭裂。生长过程中一定用了小纵向温度梯度，这样侧面和顶部有很多问题。应该说中美晶也是没有完全成功。类单晶拼缝处变多晶的原因是位错密度，这个观点与BP的SiC颗粒原理是不同的。这样需要减小剪应力。1）需要切好和排好籽晶，临近籽晶需要同方向，方向角差越大，应力越大，越容易出多晶。2）需要降热应力，这样需要界面平，同时可以降纵向温度梯度。即降TC1，升TC2。目前的工艺TC1温度高，TC2 温度低。特别是后段。可以在最后段开始升TC2，降TC1完成长晶。之后接上冷却段。（

10、不能闭笼，底部冷却后再升温是绝对没有好处的）晶界晶界一致性一致性CoherenceCoherence和梯度控制和梯度控制只有用碱制绒或物理刻蚀只有用碱制绒或物理刻蚀方法才能最终提高效率。方法才能最终提高效率。用目前的酸制绒方法用目前的酸制绒方法，无无法解决高效问题法解决高效问题，最高平最高平均效率约为均效率约为17.6%17.6%近期的出路是单晶铸锭，近期的出路是单晶铸锭，但目前的困难是无法解决但目前的困难是无法解决侧面和角部多晶问题。用侧面和角部多晶问题。用G5G5，最多最多只能产生只能产生36%36%的的全单晶高效片，最高全单晶高效片，最高平均平均效率约为效率约为18.5%18.5%制制绒

11、绒方法是目前效率的关键方法是目前效率的关键DSS450/650，JZ460/660SCU450/800JJL500/660/800隔热板向下运动隔热板向下运动除抽板无运动部件除抽板无运动部件隔热笼向上运动隔热笼向上运动HeaterInsulationGraphiteCrucibleSi MeltSi SolidHeat Exchange Block HeaterInsulationCrucibleSi MeltSi SolidHeaterHeat Exchange Block PartitionBlockGraphiteShieldHeaterInsulationHeat Exchange B

12、lock CrucibleSi MeltSi SolidHeaterCooling DevicePartitionBlock让侧面热流减小，底部热流增大，底部用热交换台让侧面热流减小，底部热流增大，底部用热交换台 优点: 简单，底部温度较均匀 缺点: 坩埚底导热系数小，被动放热，变G6-G8后有安全问题。工艺设定工艺设定+ +加热器温度或功率控制。没有界面探测技术及反馈控制加热器温度或功率控制。没有界面探测技术及反馈控制炉子分上下两个区，上部加热，底部冷却炉子分上下两个区，上部加热，底部冷却上部气路控制，包括顶盖设计上部气路控制，包括顶盖设计成本下降问题（成本下降问题（G6G6）定向凝固的理想

13、设计定向凝固的理想设计加热器加热器加热器加热器/冷却器冷却器保温保温材料材料硅液硅液固态硅固态硅保温保温材料材料坩埚材料坩埚材料均热罩均热罩热交换台热交换台热交换台的目的是均匀底部温度。均热罩是为了均匀顶部温热交换台的目的是均匀底部温度。均热罩是为了均匀顶部温度（如加热器的端头损失）。度（如加热器的端头损失）。CyberstarCyberstar炉子设计炉子设计CyberstarCyberstar小型炉子小型炉子BPBP专利图解专利图解早期类单晶铸锭早期类单晶铸锭生产生产（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

14、效率接近单晶提拉锭：曾采用锭：曾采用开炉化开炉化料保料保护籽晶。因为色差问题，他们花了不少时间攻护籽晶。因为色差问题，他们花了不少时间攻“黑黑”片技术片技术Casting Single Crystal Silicon: Novel 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 R

15、ate: up to 20 kg/hLight elements concentrations: C = 4*1016 4*1017 atoms/cm3 O = 1 6*1017 atoms/cm3 N = 1*1015 atoms/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%硅片级别硅片级别单晶率单晶率占比占比对应的电池片效率对应的

16、电池片效率单晶片单晶片99%以上23.75%17.7%A级片级片90%99%57%17.5%B级片级片70%90%14.25%17.2%C级片级片70%以下以下5%16.5%精功精功长期连续生产获得硅片情况（长期连续生产获得硅片情况（JJL500MJJL500M炉）炉）精功科技提供精功科技提供VirtusTM Cell Efficiency05010015020025030035010111213141516171819Cell EffPercentageVirtus Wafer Cell Efficiency16.0 16.4 16.8 17.2 17.6 18.0 18.405101520

17、 p The Average Cell Efficiency is able to achieved 17.5% and above, the highest is around 18.8%, p 1.0% higher than multi-wafer and 0.5% lower than Mono-Q-Cells：由由60块多晶硅太阳能电池组成的太阳能组件的电力块多晶硅太阳能电池组成的太阳能组件的电力输出达输出达283瓦。这项纪录由德国瓦。这项纪录由德国Fraunhofer太阳能系统研究太阳能系统研究所（所（Fraunhofer ISE）证实。据称是目前具有竞争性价格的）证实。据称是目前

18、具有竞争性价格的准单晶硅组件中功率最高的组件。此前，准单晶硅组件中功率最高的组件。此前，Q-Cells单晶硅组件单晶硅组件电力输出创造了电力输出创造了287W的记录；大规模多晶硅光伏电池的效率的记录；大规模多晶硅光伏电池的效率也达到了也达到了19.5%。类单晶的消息非常多，但不少是假消息。类单晶的消息非常多，但不少是假消息( (类类) )单晶硅锭技术（最高效率）单晶硅锭技术（最高效率）浙江碧晶公司浙江碧晶公司提供。基本全单提供。基本全单晶，料比较奇怪晶，料比较奇怪单晶率是一个重要指标，界面形状（平）、温度梯度（纵向）、位错密度（成核方向，温梯）、浓度分布都重要。类单晶铸锭可分为三个阶段：第一阶段平均效率17.2-3%（一类）最高达18.2%；第二阶段平均效率17.7%（一类）最高达18.7%，；第三阶段平均效率18.2% （一类）最高达19%。再利用高效电池技术，效率可达20% 第一阶段，工艺像多晶工艺，用大纵向温度梯度（TC2温度低），较易控制化料保籽晶，强调单晶率。但横向和纵向应力大，导致位错密度大，顶部可见开花现象（从亚晶界变为晶界）。第二和三阶段，工艺像单晶工艺。界面较平，工艺追求低温度梯度，开口慢慢变大，TC1温度较低。保籽晶阶段和生长后期两阶段必须控制。保籽晶阶段关系到生长的基础，需低温度梯度，防止滑移线出现，关键减生长缺陷；生长后期，硅锭大部已形成，需降温度梯度