太阳能电池片科普系列——多晶硅铸锭篇

:中国光伏产业经历了风风雨雨几十年，无论是技术，还是成本都经历了翻天覆地的变化，随着市场对于高效率太阳能电池的需求，多晶硅铸锭工艺也在一丁一点的发生着变化，作为电池片原材料的源头，多晶硅铸锭所扮演的角色也就不言而喻了。

铸锭是将各种来源的硅料高温熔融后通过定向冷却结晶，使其形成硅锭的，硅料被加热完全融化后，通过定向凝固块将硅料结晶时释放的热量辐射到下炉腔内壁上，使硅料中形成一个竖直温度梯度。这个温度梯度使坩埚内的硅液从底部开始凝固，从熔体底部向顶部生长。硅料凝固后，硅锭经过退火、冷却后出炉。

一、多晶硅铸锭的主要流程

二、喷涂工序

1、石英坩埚

检查石英坩埚表面——干净无污染、无裂纹，同时内部划痕、凹坑、突起不能超过一定的范围，核对石英坩埚的尺寸（内外部尺寸、上边厚度、底部厚度等），坩埚底部厚度的异常会引起铸锭热场工艺的变化。

2、坩埚涂层

坩埚底边和侧边需要预先进行人工刷涂，待涂层凝结过后进行喷枪喷涂，涂层的量是一定的（刷图次数不限），刷涂的涂层包括氮化硅粉（底部和边部分别为120g、380g）、硅溶胶（60g、150g）、PVA（50g、120g）和纯水（180g、340g），喷涂的涂层中则不需要PVA。

3、检查涂层

在喷涂坩埚侧壁的过程中需用挡板遮住坩埚底部，约为侧壁3／4的地方。喷涂和刷涂过程中要均匀使液体凝聚，涂层必须满足均匀、无气泡、无脱落、无裂缝等条件方为合格。

4、坩埚焙烧

将喷好的坩埚放入烘箱内，开始坩埚焙烧,整个过程大概需要30~40小时，先快速升温至设定温度，保持几小时后，自然冷却至合适温度，再开盖冷却。

值得注意的是，坩埚喷涂车间需要保持一定的温度，温度较低环境需在配比涂层时对纯水加热。原料的杂质浓度会影响铸锭炉的化料时间，铸锭炉在长晶等阶段出现异常，此时铸锭时间可能较一般工艺时间长2-4个小时，底部氮化硅的量太少会导致无法顺利脱模，硅锭底部开裂。而过量的氮化硅会覆盖住石英砂，从而导致引晶效果不明显，因此要在铸锭中做出适当的调整。

三、多晶硅工序

1、备料

对多晶硅的原硅料和回收料使用PN测试仪和电阻率进行分档分类，直到达到配比质量，最后计算出需要的掺杂剂质量。硅料的种类大致有多晶原硅料、多晶碳头硅料、多晶硅锭回收的硅料、单晶棒或单晶头、尾料、单晶锅底料、单晶碎硅片、其他半导体工业的下脚料等。

2、装料

装料时操作工戴上PVC手套和防护服，轻拿轻放防止氮化硅涂层被破坏。形状不规则的片料或大块硅料在指定区域砸碎，对片料进行破碎，使用专用砸料箱，注意此过程必须戴PVC手套、护目镜，防止危害人体。挑选“硅料表面比较光滑的面” 。大小块料要尽量均匀，碎料尽量用来填缝隙。8.在装料过程中，一定不能碰到坩埚内壁，发现破坏要取出硅料，重新喷涂，直至符合要求再用。一半的硅料装完后，领取掺杂剂，用电子天平称重后均匀的放置到硅料的表面。掺杂剂假如完成后，继续加入硅料，直至达到规定数量为止。

3、加热

在真空状态下开始加热、按照一定的工艺程序，对硅料、热场、坩埚等进行排湿、排杂。

4​、熔化

熔化与加热的延伸、也可以理解为加热，但在工艺程序上的设计上有较大的差别，熔化是将固体硅转化成液体硅，温度最高可达1560度。操作者在中心观测孔观测是否融化完成，连续观测3-5分钟，若没有硅料固体出现，程序方可继续向后运行。

5、长晶

熔进入长晶阶段，打开隔热笼以冷却DS-BLOCK，坩埚内硅液顺着温度梯度，从底部向顶部定向凝固。操作者在中心观察孔观察是否透顶手动选择合适的步骤。

6、退火

因在长晶阶段硅锭存在温度梯度，内部存在应力。若直接冷却出炉，硅锭存在隐裂，在开方和线切阶段，外力作用会使硅片破裂，退火的作用是使硅锭内部温度一致，消除硅锭内的应力。

7、冷却

冷却阶段隔热笼慢慢打开，压力逐渐上升，冷却阶段时间较长，其作用与退火一样重要，直接影响硅锭的性能。

太阳电池多晶硅锭是一种柱状晶，晶体生长方向垂直向上，是通过定向凝固（也称可控凝固、约束凝固）过程来实现的，即在结晶过程中，通过控制温度场的变化，形成单方向热流(生长方向与热流方向相反），并要求液固界面处的温度梯度大于0，横向则要求无温度梯度，从而形成定向生长的柱状晶。

四、铸锭车间常见事项

1、在熔化和长晶阶段会出现熔化、中间长晶和边部长晶三次报警。在铸锭循环过程中，这两个阶段需密切关注。

2、当炉内压力低于980mbar时，需要对炉子进行充气。回填操作时炉内压力大于这一数值时没有自动停止，需自动停止。

3、铸锭过程中根据炉内出现不同情况手动调整，如适当延长长晶时间等。注意炉内的水电、气压。

五、硅锭的检测

如图，典型的电阻率分布呈现出上述的变化趋势，尾高头低。主要是因为所添加的母合金的分凝系数造成的，检测硅锭中的电阻率是否出现异常。

正常情况下的硅锭红外检测结果不会出现下图红色区域标识的，造成此现象的原因可能为热场不稳定或硅料杂质比较多造成的。

连载文章欢迎查看更多太阳能电池片科普系列：发电原理篇、流程（电池片）篇、工艺流程(硅片)篇、制绒篇、扩散篇、刻蚀篇、(镀膜)PECVD篇、丝网印刷篇、烧结篇、组件封装篇、多晶硅铸锭篇

原创：北极星（每天不定量更新）