[科普中国]-准方单晶硅片

简介

准方单晶硅片是指通过准单晶铸锭法生产方形单晶硅片。通过直拉法生产的单晶硅棒为圆柱形，制作太阳能电池片时需要将四周切掉，所有硅料利用率仅有50%左右，而准单晶铸锭法生产的方形单晶硅锭为方形，所以硅料利用率可以提升至65%。1

准单晶的特征准单晶也称为铸造单晶硅，是通过铸锭的方法获得外观和电学性能均类似于单晶硅的晶体硅。简言之，准单晶技术就是用多晶硅的成本生产出单晶硅的技术。一般对铸造单晶硅的要求是在一定尺寸的硅片上，单个晶粒面积大于硅片面积的50%。这种硅片的晶界数量远小于传统的铸造多晶硅片。2

优势多晶硅中存在大量的晶界和位错。晶界是晶粒间的过渡区，结构复杂，原子呈无序排列，并存在不完全键合原子，产生大量的悬挂键，形成界面态，有很大的复合性，特别是被金属杂质玷污后其复合强度会提高，大大降低了多晶硅太阳能电池的转换效率。3同时由于多晶硅是由许多晶向不同的晶粒组成，因而制绒后不能形成“金字塔”形貌，这也严重影响其光伏性能。相对于多晶硅来说，准单晶的优点在于晶界更少，制绒后可形成“金字塔”形貌，并很大程度地降低了位错密度，从而提高了少子寿命，提高了太阳能电池的转换效率。

图1是铸造多晶硅与准单晶外观形貌的对比，图1a中的多晶硅晶片存在大量晶界，而图1b中的铸造单晶硅晶片中晶界数量明显减少，只是在边缘处有少量的晶界。图2为化学腐蚀后的铸造多晶硅与准单晶的外观形貌。化学腐蚀是显示硅中位错常用的方法。缺陷附近原子排列无序、晶格畸变、应力比较大，化学腐蚀在这些地方的作用比较强烈，形成对应的腐蚀坑。可以看出，传统铸造多晶硅显现出大量位错坑，而准单晶中大面积区域内位错坑很少，近乎为无位错。

铸造方法根据目前的报道，准单晶的铸造方法主要有两种:一种是有籽晶的方法;另一种是无籽晶的方法。有籽晶的铸锭方法是先把籽晶、硅料及掺杂元素放置在同一坩埚中，籽晶位于坩埚底部。然后加热融化硅料，并且保持籽晶不被完全融化。最后控制降温，调节固液相的温度梯度，确保单晶从籽晶位置开始生长。目前量产的铸锭准单晶技术主要为有籽晶的铸锭。无籽晶铸锭方法和多晶硅铸锭基本相同。其重点是精密控制定向凝固时的温度梯度和晶体生长速度以此来提高多晶晶粒的尺寸大小，形成准单晶。无籽晶铸锭工艺对晶核初期成长控制过程要求很高。因为需要控制的参数太多，无籽晶铸锭工艺显得尤为困难。4

技术难点和存在的问题在目前的生产工艺中需要注意的主要问题有：(1)精确控制熔化程度。这一环节非常难以掌控，但它是是否能够稳定生产的决定性因素；(2)合理控制边角多晶。由于受铸锭炉内温度分布、杂质等多种因素的影响，采用铸造的方法生产单晶硅边角处会出现多晶，要有效合理控制边角处多晶的比例；(3)严格控制位错密度。准单晶的位错密度虽低于铸造多晶硅，但仍高于直拉单晶硅。位错密度对转换效率影响巨大，在生产过程中把位错密度控制到最低是决定产品质量的关键；(4)采用铸锭方法所生产的单晶硅中存在一些硅片，表面看似一个大晶粒，而制绒后会出现大量晶界，有些厂家称之为亚晶界。出现这种现象的原因尚不确定，目前有专家推测为在长晶过程中引入微小夹杂物所致，需要在生产过程中引起高度重视。2