1.前言

　　當(dāng)前高效多晶硅組件是主流的光伏產(chǎn)品。高效多晶硅的制備方法分為有籽晶高效多晶硅技術(shù)與無(wú)籽晶高效多晶硅技術(shù)，即俗稱的半熔高效與全熔高效。

　　有籽晶高效多晶硅技術(shù)（半熔）采用毫米級(jí)硅料作為形核中心進(jìn)行外延生長(zhǎng)，鑄造低缺陷高品質(zhì)的多晶硅錠[1-3]。無(wú)籽晶高效多晶硅技術(shù)（全熔）采用非硅材料在坩堝底部制備表面粗糙的異質(zhì)形核層，通過(guò)控制形核層的粗糙度與形核時(shí)過(guò)冷度來(lái)獲得較大形核率，鑄造低缺陷高品質(zhì)多晶硅錠。這一理論來(lái)源于經(jīng)典的形核理論[5-6]。有籽晶和無(wú)籽晶高效多晶硅技術(shù)通過(guò)形核層與工藝的優(yōu)化同樣都可以獲得小而均勻的晶粒尺寸。

　　有籽晶高效多晶硅技術(shù)是硅材料的外延生長(zhǎng)，而無(wú)籽晶高效多晶硅技術(shù)是一種異質(zhì)形核。雖然兩者都可以獲得高品質(zhì)的小晶粒高效多晶硅錠，但是由于形核機(jī)理不同，兩種技術(shù)生長(zhǎng)的晶體硅存在一定的差異。本文通過(guò)EBSD晶向檢測(cè)，PL缺陷檢測(cè)等手段對(duì)比晶向分布、晶界比例、電池效率等差異，進(jìn)一步分析兩種技術(shù)因形核差異帶來(lái)的不同，探尋兩種高效技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化的可能方向。

　　2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)述

　　采用同一爐臺(tái)，同種熱場(chǎng)。無(wú)籽晶高效多晶硅使用非硅材料作為異質(zhì)形核層，有籽晶高效多晶硅底部鋪設(shè)碎硅料作為籽晶，采用兩種技術(shù)分別各鑄造一個(gè)重量相同的多晶硅錠。

　　選擇兩個(gè)硅錠相同位置硅塊作為檢測(cè)樣塊，采用μ-PCD (Semilab, model WT2000)測(cè)量對(duì)比少子壽命差異，采用在線PL(LTS-R2)測(cè)量對(duì)比硅片的品質(zhì)區(qū)別，采用EBSD測(cè)量對(duì)比晶向分布與晶界比例之間的差異。

　　3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　3.1 形核率對(duì)比

　　Fig.1.Comparisonof crystalnucleation (a) schematic bricks representation of mc-Si silicon ingot;(b) crystalgrains of brick C15 from the silicon-seeded HP mc ingot horizontalcross section15mm from bottom; (c) crystal grains of brick C15 from thesiliconnitride-seeded HP mc ingot horizontal cross section 15mm from bottom.

　　每個(gè)硅錠切割為36塊，命名方式如圖1（a）。從每錠C15塊挑選底部相同高度位置硅片進(jìn)行形核對(duì)比如圖1（b）與1（c）?？梢钥闯鰞煞N技術(shù)都可以獲得尺寸小而且均勻的晶粒分布。有籽晶高效多晶硅技術(shù)硅錠獲得的小尺寸晶粒來(lái)源于底部碎小的硅料外延生長(zhǎng)，而無(wú)籽晶高效多晶硅技術(shù)硅錠小尺寸晶粒來(lái)源于底部異質(zhì)形核層，異質(zhì)形核層具有足夠的形核粗糙度[7]，再配合特定的過(guò)冷度[9]就可以獲得較高的形核率。兩種技術(shù)都可以獲得尺寸較小晶粒，下面將進(jìn)行更深入的分析對(duì)比。

　　3.2 少子壽命與位錯(cuò)密度對(duì)比

　　Fig.2.Minority carrierlifetime mapping of (a) mc silicon-seeded ingot (b) silicon nitride-seededingotminority carrier lifetime curve comparison of the two ingots.

　　圖2所示為兩硅錠半截面少子壽命差異對(duì)比，圖中彩色區(qū)域代表由于雜質(zhì)、缺陷等引起的低少子區(qū)域。可以明顯看出有籽晶高效多晶硅錠低少子區(qū)域較少，而且分布均衡。而無(wú)籽晶高效多晶硅錠低少子區(qū)域分布較多，但是底部紅區(qū)高度明顯偏低。M.Trempa等通過(guò)一種高效阻擋層的實(shí)驗(yàn)[10]解釋了有籽晶高效多晶硅錠底部紅區(qū)較高的原因，他們認(rèn)為底部紅區(qū)是由于底部坩堝與籽晶雜質(zhì)擴(kuò)散的共同影響引起的。而無(wú)籽晶高效多晶硅技術(shù)僅僅只有坩堝雜質(zhì)的擴(kuò)散，因此底部紅區(qū)的高度相對(duì)較低。本文實(shí)驗(yàn)中有籽晶高效多晶硅錠剩余籽晶的高度為10mm左右，而底部紅區(qū)的高度為 55-60 mm之間，然而無(wú)籽晶高效多晶硅錠底部紅區(qū)高度僅僅為45mm左右，因此無(wú)籽晶高效多晶硅技術(shù)硅錠具有一定的良率優(yōu)勢(shì)。

　　Fig.3.(a-c) the wafer PLquality comparison of the C15, C14 and B13 bricks from thetwo ingots.

　　通過(guò)兩硅錠相同位置硅塊底部到頂部順序片的PL檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，有籽晶高效多晶硅錠的晶體品質(zhì)較高，綜合評(píng)分分別高出7.3%，7.75%和5.5%，且優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在中下部位置，而頂部位置相同或者偏低。位錯(cuò)團(tuán)簇是影響晶體品質(zhì)的主要原因之一，而位錯(cuò)團(tuán)簇往往生成于CSL晶界并湮滅于隨機(jī)晶界[4]，同時(shí)晶向也可以影響位錯(cuò)延伸生長(zhǎng)[4]，因此晶體品質(zhì)與晶界類型和晶向有一定的關(guān)系。為解釋造成晶體品質(zhì)差異的原因，我們進(jìn)行了兩硅錠相同位置晶向晶界比例差異的對(duì)比。

　　3.3 晶向與晶界對(duì)比

　　Fig.4.Comparison of (a) thegrain orientation and (b) the grain boundary of wafersfrom bottom part of thecenter bricks C15 of the ingots.

　　圖4所示為EBSD檢測(cè)晶向與晶界差異對(duì)比。由圖4a所示晶向的分布差異對(duì)比可以得出有有籽晶高效多晶硅錠中{112}晶向占主導(dǎo)，另外{113}、{111}和{315}晶向也占有較高的比例。{112}晶向具有較低的界面能，通常高品質(zhì)的多晶硅錠具有較高比例的{112}晶向[3]。無(wú)籽晶高效多晶硅錠的晶向分布中{111}和{112}晶向占主導(dǎo)，其中{111}占比最高，而{113}和{315}晶向比例較小，因此無(wú)籽晶高效多晶硅錠的晶向分布相對(duì)集中，晶向比例分布不均衡。兩硅錠都具有較高比例的{112}晶向，但是分布存在一定差異。有籽晶高效多晶硅錠的晶向分布相對(duì)均衡的原因在于底部籽晶的隨機(jī)分布，有籽晶高效多晶硅技術(shù)是一種外延生長(zhǎng)，晶向的分布較大程度取決于底部籽晶的隨機(jī)分布，因此獲得的晶向分布相對(duì)均衡。無(wú)籽晶高效多晶硅錠的形核依靠形核層的粗糙度與特定的過(guò)冷度。特定的過(guò)冷度會(huì)使得形核時(shí)的溫度窗口較小，而晶向的形成與形核溫度有直接關(guān)系。因此特定的溫度區(qū)間內(nèi)晶向分布相對(duì)集中，某種晶向會(huì)占據(jù)比較高的比例。

　　圖4b所示為晶界檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可以得出有籽晶高效多晶硅錠具有較高比例的隨機(jī)晶界。位錯(cuò)團(tuán)簇往往易湮滅于隨機(jī)晶界[4]，因此較高的隨機(jī)晶界對(duì)應(yīng)的位錯(cuò)團(tuán)簇密度相對(duì)較低，所以有籽晶高效多晶硅錠的硅片具有較低的位錯(cuò)密度與較高的晶體品質(zhì)。這一檢測(cè)分析結(jié)果與圖3所示PL檢測(cè)結(jié)果相吻合。有籽晶高效多晶硅錠具有較高比例的隨機(jī)晶界歸因于籽晶的隨機(jī)分布。無(wú)籽晶高效多晶硅錠形核在特定的溫度梯度范圍內(nèi)，晶向分布相對(duì)集中，隨機(jī)晶界的比例相應(yīng)減少及CSL晶界相應(yīng)增多，因此無(wú)籽晶高效多晶硅錠的品質(zhì)受到形核過(guò)程溫度的影響較明顯，因此無(wú)籽晶高效多晶還有較多優(yōu)化空間。

　　電池效率方面，有籽晶高效多晶硅錠較無(wú)籽晶高效多晶硅錠平均效率高。但電池效率優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在中下部，這一結(jié)果與PL檢測(cè)結(jié)果相吻合，三塊的效率優(yōu)勢(shì)分別為0.12%(B13), 0.13% (C14)和0.169%(C15)。分析認(rèn)為以上差異主要是由于長(zhǎng)晶初期形核原理不同造成，有籽晶高效多晶硅錠底部晶體品質(zhì)較無(wú)籽晶高效多晶硅錠底部品質(zhì)高，長(zhǎng)晶后期由于長(zhǎng)晶過(guò)程競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)與熱場(chǎng)工藝的共同影響，差異減小或者趨向相同。因此有籽晶高效多晶硅技術(shù)在長(zhǎng)晶初期具有較大的品質(zhì)優(yōu)勢(shì)，但是在長(zhǎng)晶中后期隨著缺陷增加，兩者品質(zhì)逐漸相近。

　　通過(guò)以上分析，有籽晶高效多晶硅技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化的方向是抑制長(zhǎng)晶中后期缺陷的增殖?？梢酝ㄟ^(guò)保持晶柱生長(zhǎng)的垂直性以及晶粒的延續(xù)性，將外延生長(zhǎng)出的高品質(zhì)晶粒豎直生長(zhǎng)至中上部，從而可以有效提升整體效率。無(wú)籽晶高效多晶硅技術(shù)在形核和長(zhǎng)晶初期相比有籽晶形核存在一定的不足，可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化底部異質(zhì)形核層和形核過(guò)程過(guò)冷度提升{112}等優(yōu)質(zhì)晶向的比例。具體進(jìn)一步優(yōu)化的方向包括：通過(guò)對(duì)形核層的優(yōu)化減少對(duì)溫度（過(guò)冷度）窗口的依賴，并且探尋最佳的形核溫度和過(guò)冷度，優(yōu)化長(zhǎng)晶初期的晶向分布與隨機(jī)晶界的比例，提升長(zhǎng)晶初期晶體品質(zhì)。同時(shí)長(zhǎng)晶后期也需要優(yōu)化，同有籽晶高效多晶硅一樣，也需要通過(guò)柱狀晶的生長(zhǎng)抑制長(zhǎng)晶中后期缺陷的增殖。

　　4. 結(jié)論

　?。?）有籽晶（半熔）高效多晶硅技術(shù)與無(wú)籽晶（全熔）高效多晶硅技術(shù)都可以獲得較大的形核率，獲得尺寸小而均勻的晶粒。

　?。?）有籽晶高效多晶硅技術(shù)生長(zhǎng)硅錠底部晶粒晶向分布{112}晶向占主導(dǎo)，隨機(jī)晶界比例相對(duì)較高，硅錠底部晶體品質(zhì)優(yōu)勢(shì)較大。

　?。?）關(guān)于有籽晶與無(wú)籽晶高效多晶硅技術(shù)的優(yōu)化方向：有籽晶高效多晶硅技術(shù)需對(duì)長(zhǎng)晶中后期進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化界面與溫度梯度，保持晶柱垂直性和延續(xù)性。無(wú)籽晶高效多晶硅技術(shù)需要通過(guò)對(duì)長(zhǎng)晶初期形核條件進(jìn)行優(yōu)化，提高優(yōu)質(zhì)晶向的比例和隨機(jī)晶界比例。同時(shí)也要進(jìn)行長(zhǎng)晶中后期的優(yōu)化，長(zhǎng)晶后期的優(yōu)化措施同有籽晶高效多晶硅技術(shù)方案相同。保持硅錠底部到頂部的品質(zhì)延續(xù)性是半熔和全熔高效多晶共同的核心內(nèi)容。