劉秀瓊

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晶體硅太陽電池硅片質(zhì)量控制

劉秀瓊

（樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川樂山 614000）

硅片作為太陽能電池片的載體，其質(zhì)量好壞直接決定電池的轉(zhuǎn)換效率。晶體硅太陽電池硅片制備過程包括鑄錠多晶硅制備、直拉單晶硅制備、硅片切割等，在工藝路線一定的情況下，通過對(duì)原料處理過程、晶體硅生長過程及硅片加工等過程規(guī)范操作、嚴(yán)格控制各項(xiàng)工藝參數(shù)指標(biāo)有效控制硅片質(zhì)量。

鑄錠多晶硅；直拉單晶硅；多線切割；硅片；質(zhì)量控制

太陽能光伏產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)新興的綠色能源行業(yè)，日益受到各國的重視。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，高效低成本電池成為企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。對(duì)于以硅片為基底的光伏電池來說，硅片是晶體硅光伏電池中最昂貴的部分，晶體硅制備及切割成本在電池總成本中占據(jù)最大的部分，所以降低這部分的制造成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)于提高太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。晶體硅太陽能電池硅片生產(chǎn)過程中鑄錠多晶硅生長（或直拉單晶硅生長）、多線切割是晶體硅制備的關(guān)鍵工序，其產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)太陽能電池性能具有重要影響。

一、鑄錠多晶硅生長質(zhì)量控制

鑄錠多晶硅片制備工藝主要由多晶硅原材料準(zhǔn)備、鑄錠多晶硅生長、破錠切方、平磨和倒角表面處理、多線切割、清洗、檢驗(yàn)分選組成。多晶硅原料純度、質(zhì)量是決定太陽能電池性能和轉(zhuǎn)換效率的因素之一。為此，對(duì)多晶硅原材料來源、純度、外觀形貌和后處理工序中物料潔凈處理質(zhì)量等要有嚴(yán)格的要求并制定出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。驗(yàn)收原生多晶硅料必須查看產(chǎn)品廠家、產(chǎn)品分析單、包裝袋有無破損。對(duì)用于腐蝕清洗多晶硅原料的化學(xué)試劑如氫氟酸、硝酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、無水乙醇等質(zhì)量要求用分析純，摻雜劑硼、鎵質(zhì)量要求大于等于99.999%。

鑄錠多晶硅生長過程包括預(yù)熱→熔化→長晶→退火→冷卻。預(yù)熱時(shí)要求溫度預(yù)熱至1 200℃左右，預(yù)熱真空度控制在1.05mPa左右，預(yù)熱時(shí)間15h；待預(yù)熱溫度達(dá)1 200℃時(shí)，硅料開始熔化，繼續(xù)加熱、抽真空，維持硅料熔化溫度在1 200℃-1 550℃、熔化真空度44.1Pa下5h，開始充保護(hù)氣；控制長晶溫度在1 440℃-1 400℃、長晶真空度44.1Pa下10h后，開始退火，退火溫度控制在1 400℃-1 000℃，退火時(shí)間維持大約8.5h，連續(xù)充保護(hù)氣；繼續(xù)抽真空至真空度達(dá)52.5Pa，降溫，在1 000℃-400℃下冷卻6h。

為保障鑄錠爐內(nèi)硅錠質(zhì)量符合要求，生產(chǎn)中除了穩(wěn)定控制鑄錠爐的各項(xiàng)工藝參數(shù)外，需時(shí)刻監(jiān)視鑄錠爐各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，隨時(shí)對(duì)故障做出應(yīng)急處理。

二、直拉單晶硅棒生長質(zhì)量控制

直拉單晶硅片制備工藝主要包括多晶硅原材料準(zhǔn)備、直拉單晶生長、晶棒截?cái)?、切方、滾磨表面處理、多線切割、清洗、檢驗(yàn)分選等。供直拉單晶生產(chǎn)的原輔材料進(jìn)洗料庫前應(yīng)按質(zhì)量要求進(jìn)行檢查和驗(yàn)收，用于腐蝕清洗硅原料和單晶棒料的化學(xué)試劑質(zhì)量要求符合分析純，腐蝕籽晶時(shí)，只能腐蝕籽晶下部，以免改變固定夾頭部的尺寸；供單晶生產(chǎn)需要的主要部件若是用于制備加熱器、反射板、導(dǎo)流筒、坩堝、坩堝軸等部件的石墨材質(zhì)應(yīng)具備致密度好，機(jī)械強(qiáng)度高，純度高，灰分少等特點(diǎn)的等靜壓石墨材料；若是用于制備保溫筒、保溫差、爐盤等部件應(yīng)具有純度比較高和灰分比較少的中粗石墨材料。石英坩堝應(yīng)具有耐高溫，壞料（二氧化硅）純度高，外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)，無氣泡，無黑點(diǎn)等質(zhì)量特點(diǎn)，內(nèi)壁要求涂有均勻的耐高溫氧化鋇膜。驗(yàn)收坩堝時(shí)特別注意檢查外形尺寸是否標(biāo)準(zhǔn)，是否存在氣泡、黑點(diǎn)、破損，邊緣損傷等缺陷。

將多晶硅料裝入石英坩堝時(shí)應(yīng)避免帶有尖銳的塊料棱角頂住石英坩堝內(nèi)壁，為避免或減少硅料在熔化過程中出現(xiàn)坩堝邊“掛料”或“搭橋”，塊料碼成凸起形。若出現(xiàn)這種情況，應(yīng)及時(shí)降低堝位，升高溫度使其緩慢融化掉。

為減少籽晶與熔體間的溫度差，在籽晶與熔體熔接前，先將籽晶降到離液面約3-5cm處烘烤。當(dāng)熔體溫度穩(wěn)定后開始引晶，若發(fā)現(xiàn)籽晶與熔體接觸處未出現(xiàn)光環(huán)，則表明引晶溫度偏低，相反，當(dāng)熔體接觸處立即出現(xiàn)光環(huán)，且不斷擴(kuò)大，則表明引晶溫度偏高。合適的引晶溫度是在籽晶與熔體接觸處逐漸出現(xiàn)圓形光環(huán)，且光環(huán)尺寸緩慢擴(kuò)大，逐漸變得明顯。生產(chǎn)中控制合適的引晶溫度對(duì)硅棒質(zhì)量至關(guān)重要。

縮徑是保證獲得無位錯(cuò)的關(guān)鍵因素，為了使籽晶中的位錯(cuò)排除在晶體體外，籽晶提升速度要快，縮徑要細(xì)。單晶在等徑生長過程中應(yīng)注意對(duì)晶體生長界面的控制，進(jìn)入等徑生長后生長界面是逐漸由凸變平，進(jìn)而控制成微凹狀，保持這種生長界面。同時(shí)，注意觀察晶體生長情況，若發(fā)現(xiàn)晶體“斷線”應(yīng)仔細(xì)分析原因，及時(shí)調(diào)整。如果是幾條棱線同時(shí)斷掉，可能是溫度和熱場(chǎng)不合適，反之則可能是雜質(zhì)和其它因素引起的。

三、多線切割質(zhì)量控制

多線切割技術(shù)是目前世界上比較先進(jìn)的硅片加工技術(shù)，它的原理是使用鋼線帶動(dòng)附著在鋼絲上的切割刃料對(duì)硅棒進(jìn)行切斷的一種加工方法。鋼線通過十幾個(gè)導(dǎo)線輪的引導(dǎo)，在主線輥上形成一張線網(wǎng)，而待加工工件通過工作臺(tái)的下降實(shí)現(xiàn)工件的進(jìn)給。在切割過程中，對(duì)硅片質(zhì)量及成品率起主要作用的是砂漿的粘度、流量，碳化硅微粉的粒型粒度，鋼線速度，切割液粘度，鋼線張力，工件的進(jìn)給速度等。

為防止切割過程中出現(xiàn)線痕片、斷線、機(jī)器報(bào)警等，要求砂漿流量均勻，達(dá)到切割要求，切割液粘度與機(jī)器匹配。碳化硅微粉的粒型及粒度是硅片表面光潔程度和切割能力的關(guān)鍵，采用激光劃片機(jī)，能提高硅片的切割能力；采用機(jī)器要求標(biāo)準(zhǔn)的砂漿粘度能提高切割效率和成品率。

鋼線速度，對(duì)單向走線的線切割機(jī)，要求鋼線始終保持一個(gè)速度運(yùn)行；對(duì)雙向走線的線切割機(jī)，其切割能力在一定范圍內(nèi)隨鋼線速度提高而提高，但不能低于或超過砂漿的切割能力。如果低于砂漿的切割能力，就會(huì)出現(xiàn)線痕片甚至斷線；反之，如果超過砂漿的切割能力，就可能導(dǎo)致砂漿流量跟不上，從而出現(xiàn)厚薄片、線痕片等。

鋼線張力是硅片質(zhì)量控制的核心要素之一，在切割過程中，需實(shí)時(shí)有效控制。張力過小，會(huì)導(dǎo)致鋼線彎曲度增大，帶砂能力下降，容易出現(xiàn)跳線，產(chǎn)生線痕等殘次片，切割能力降低；張力過大，懸浮在鋼線上的碳化硅微粉難以進(jìn)入切割部位，易斷線，切割效率降低。生產(chǎn)中需要在基本滿足晶片幾何參數(shù)的條件下，適當(dāng)調(diào)整鋼線張力，一般控制在28-30N。

工件的進(jìn)給速度由鋼線速度、砂漿的切割能力以及工件形狀在進(jìn)給的不同位置等因素決定，沒有定量。進(jìn)給速度過大，鋼線易斷線；進(jìn)給速度過小可能會(huì)出現(xiàn)線痕片，影響切割質(zhì)量和成品率。

四、結(jié)語

晶體硅太陽能電池硅片是光伏產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其質(zhì)量的好壞直接影響著太陽能電池組件的內(nèi)在品質(zhì)及電池的轉(zhuǎn)換效率。改善硅片質(zhì)量的方法有兩種：一是通過改變大的工藝路線實(shí)現(xiàn)對(duì)硅片質(zhì)量的控制；二是在大的工藝路線一定的情況下，通過對(duì)原料處理過程、晶體硅生長過程及硅片加工過程規(guī)范操作、嚴(yán)格控制各項(xiàng)工藝參數(shù)等有效實(shí)現(xiàn)此工藝路線下的硅片質(zhì)量控制，從而使太陽能電池組件質(zhì)量可控。太陽能電池的發(fā)展方向是不斷提高電池的轉(zhuǎn)換效率，最大限度降低成本。光伏產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)制造環(huán)節(jié)持續(xù)降低成本的需求和壓力極大推動(dòng)了硅片制備在多晶硅鑄錠、單晶硅拉制、多線切割等關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量的全面進(jìn)步，大量的先進(jìn)制造技術(shù)正在積極研發(fā)，將對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供有力支撐。

[1]梁新龍.提高硅片切割質(zhì)量的研究[J].科技與企業(yè)，2012（21）：242-247.

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[5]蘇杰.晶體硅太陽能電池用硅片制備工藝及關(guān)鍵技術(shù)[J].云南冶金，2011，40（4）：53-56.

（責(zé)任編輯王傲冰）

Quality Control of Silicon Wafer for Crystalline Silicon Solar Cell

LIU Xiu-qiong

(Leshan Vocation & Technical College, Leshan, Sichuan 614000, China)

The silicon wafer as a carrier of solar cell ,whether its qualiy is better or not directly decide the transfer efficiency of a cell. The preparation course ofcrystalline silicon solar cell includes polysilicon ingots, Czochralski silicon,multi-line cutting. While the course of craftwork is fixed,the quality of crystalline silicon can be controlled by standardizing materials disposing course,czochralski silicon’s growing course and strictly regulating all kinds of parameter index.

polysilicon ingot；czochralski silicon；multi line cutting；silicon wafer；quality control

TM914.4

A

1008—6129（2015）01—0068—03

2015—01—08

四川省教育廳基金項(xiàng)目——“晶體硅太陽能電池硅片質(zhì)量控制研究”，No:13ZA0304。

劉秀瓊（1971—），女，重慶忠縣人，樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授。