太阳能光伏技术：铸造硅单晶生长

虽然直拉硅单晶和铸造多晶硅是太阳电池的基础材料，占据了太阳能光伏市场的85%以上的份额。但是，如上所述，两种硅晶体各自有不同的优缺点。直拉硅单晶缺陷密度低、晶体质量好；而且晶向单一为＜100＞，通过成熟的碱腐蚀工艺，可以制备较低表面反射率的绒面；因此，其太阳电池效率高。但是，直拉硅单晶的单位能耗高；对原料硅的质量要求高；晶体头尾和边皮切割造成的硅材料损耗大；另外，直拉硅单晶含有较高浓度的氧杂质，在光照的条件下，硅太阳电池中存在着严重的光致衰减效应，其绝对光电转换效率随光照时间逐渐下降2%～4%；而且直拉硅晶体一般会去除圆柱体的部分圆弧，使之成为圆角方形，其仍然无法覆盖满整个太阳电池组件的面积，导致单位面积组件功率的降低，同时还带来了辅助材料上的浪费。另一方面，正方形的铸造多晶硅单位能耗低；对原料硅要求不高；晶体边皮切割损耗相对较小，成本具有明显的优势。但是铸造多晶硅中有大量的晶界和高密度的位错，金属杂质和碳杂质、氮杂质浓度较高，会在缺陷处形成沉淀；另外，铸造多晶硅由于其晶粒的随机取向，无法使用各向异性的碱制绒工艺，通过利用各向同性的酸腐蚀液生成大小均匀的浅腐蚀坑，与＜100＞的单晶硅表面形成的金字塔结构相比，腐蚀坑的表面结构限光效果比较差，这也导致了制绒后的铸造多晶硅平均表面反射率比单晶硅要大10%左右，严重影响铸造光电转换效率；所以铸造多晶硅的光电转换效率平均比直拉单晶硅低1．0%～1．5%。

将直拉硅单晶和铸造多晶硅技术的优点结合起来，借助于底部籽晶，利用铸造技术生长铸造单晶硅（又称铸造准单晶或类单晶），是近年来发展的新的硅晶体生长技术。这种材料集成了直拉硅单晶和铸造多晶硅优点，具有正方形、单晶、氧浓度低、光衰减低、结构缺陷密度低的特点，成为一种比较理想的太阳电池用新型硅晶体材料。

早在20世纪70年代，T．F．Ciszek等人就提出通过籽晶辅助，在铸造炉中通过定向凝固生长得到单晶硅［42］。到2008年前后，BPSolar公司开发了近商业化的铸造单晶硅实验产品（Mono2TM）［43］。在2009年以后，我国的研究机构和公司对铸造单晶硅技术进行了大量的研究，并实现了规模产业化。

铸造单晶硅生长的基本原理是：利用定向凝固铸造多晶硅的技术和设备，在石英坩埚底部放置单晶作为籽晶；在晶体生长时，通过控制温度场，保持籽晶或部分籽晶在化料过程中不熔化，然后晶体在未熔化的籽晶上沿垂直方向外延生长，最终完成晶体生长，使得晶锭中央的大部分区域是单晶。

在晶体生长前，首先在坩埚底部平面放置同一晶向的单晶硅块，铺满整个坩埚底部，作为籽晶，如图5．11所示。单晶籽晶可以来自直拉硅单晶，一般切成方形或长方形，籽晶的厚度一般在1～5cm之间；籽晶铺放时，籽晶间要尽量不留空隙地铺满坩埚底部；然后，将细小的多晶硅料填满籽晶与坩埚壁之间的缝隙；最后，将原料硅和掺杂剂放入坩埚。

图5．11　铸造单晶硅生长时单晶籽晶放置示意图

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图5．12　铸造单晶硅晶锭的实物照片（a）顶部　（b）底部

在晶体生长时，通过控制加热功率，保证整个过程中坩埚底部的籽晶始终有一部分为固体状态。当所有硅料都熔化完毕后，缓慢降低加热器功率并提升隔热笼，随着热量从底部慢慢流失，硅熔体会在籽晶上沿＜100＞方向缓慢结晶，直到整个晶体生长完成。图5．12所示是420kg、820×820mm2铸造单晶硅锭的顶部和底部的照片，从底部照片中可以清晰地看到单晶籽晶的形态和大小，而顶部的照片显示出在晶锭的中部是单晶结构，在晶锭的周边区域存在多晶区域。

从上图也可以看出，利用底部籽晶和现有的定向凝固技术，并不能生长完全的单晶锭，只有中间部位约60%～70%左右的面积是单晶，而周边部分依然是多晶，这也是被称为“准单晶”或“类单晶”的原因。图5．13显示的是铸造单晶硅顶角、边缘和中央部位晶片的照片，顶角的硅片两边有多晶区域，边缘的硅片一边有多晶区域，而中央部位的硅片则是完全的单晶。这种晶锭四周出现多晶硅区域现象的产生原因在于：在晶体生长时，石英坩埚壁的温度比中心部分低，形成温度梯度，熔硅在坩埚壁上优先异质形核结晶，生长出晶向各异的晶粒核心，这些小晶粒会在后续生长过程中成为其他晶粒形核的中心，导致晶粒不断生成，也使得多晶区域继续朝着硅锭中央扩展。

图5．13　铸造单晶硅顶角　（a）边缘　（b）中央　（b）部位晶片的照片（晶片大小156×156mm2）

由于铸造单晶硅的单晶部分具有无晶界、氧浓度低、光衰减小、绒面减反射小等直拉单晶硅和铸造多晶硅的综合优点，其太阳电池效率比普通多晶硅要高0．7%～1．0%左右，得到产业界的广泛关注。仅仅采用传统的低成本的铸造技术，就可以获得高效的太阳电池用硅单晶料，这为太阳能光伏产业提供了一种新的硅晶体材料选择。

但是，铸造单晶硅也存在一些弱点：①需要单晶籽晶，增加了晶体生长的成本；虽然如果工艺得当，单晶籽晶可以2～3次重复使用，依然是增加了部分成本；②周边多晶硅区域的面积约占整个晶锭面积的30%～40%，这部分的硅晶体的质量比普通多晶硅的质量要差，电池效率要低；也就是说，如果是G5的晶锭（即按5×5的方式可以切割成25个晶块的晶锭），边缘将有16个含有多晶区域、电池效率低的硅块，仅有9块中间部分的晶块是完全单晶的；③边缘含多晶区域的硅片，利用酸腐蚀制绒后，表面呈现明显色差，对太阳电池组件的美观也产生影响；④虽然晶锭中间部分是单晶，但是在冷却过程中热应力的作用，单晶中依然存在大量位错缺陷，使得其电池效率比普通的直拉硅单晶的效率要低0．5%左右。因此，铸造单晶硅的大规模工业生产应用还需要进一步降低成本。