引言

隨著光伏行業(yè)的迅猛發(fā)展，多晶硅電池憑借其較高的性價比一直占據(jù)光伏市場的主導(dǎo)地位[1]。但在多晶鑄錠工藝過程中由于鑄錠工藝的局限性，使得硅晶體存在位錯、晶界、氧化物等缺陷，這些缺陷成為少數(shù)載流子的負(fù)荷中心，降低了光生載流子的壽命，從而影響電池的轉(zhuǎn)換效率[2]。如何為電池生產(chǎn)提供轉(zhuǎn)換效率更高、質(zhì)量更穩(wěn)定的硅片一直是行業(yè)研究的熱點。

1、鑄錠技術(shù)原理

多晶硅鑄錠技術(shù)的好壞是影響電池轉(zhuǎn)換效率的重要因素。在鑄錠工藝環(huán)節(jié)采用的主要技術(shù)是定向凝固法，其核心是利用雜質(zhì)在固相和液相中分凝系數(shù)不同達(dá)到排雜提純目的[3-5]。
以GTSolar公司為代表的鑄錠爐示意圖如圖1所示（DS指熱交換塊）。主要運行步驟包括加熱、化料、長晶、退火和冷卻。即采用石墨加熱器加熱，使硅料達(dá)到熔點后，打開隔熱籠，熱量從底部散失，晶體硅在坩堝底部形核，通過控制液固界面的溫度梯度，使晶體向上生長，形成多晶柱狀晶。法國ECM公司設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示，加熱階段采用三區(qū)六面加熱，長晶過程通過打開底部熱門散熱，此設(shè)備的優(yōu)勢是能通過精確控制溫度從而控制固液界面形狀，提純效果好。

2、鑄錠技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　2.1高效多晶用籽晶研究進(jìn)展

高效多晶硅半熔鑄錠過程中如何保留住籽晶是關(guān)鍵。目前普遍使用的籽晶類型有異質(zhì)形核和同質(zhì)形核兩種類型。異質(zhì)形核有SiC、SiO2、Si3N4、C顆粒等。同質(zhì)形核的硅質(zhì)材料主要有碎硅片、硅顆粒和硅粉等。戚鳳鳴等[6]采用不同粒徑的單晶籽晶鑄錠高效多晶硅錠，得出粒徑范圍在1mm～4mm引晶效果最好，粒徑大于4mm或粒徑小于1mm時，晶體中位錯密度都偏高導(dǎo)致少子壽命降低。權(quán)祥等[7]研究硅粉、硅顆粒和碎硅片３種籽晶對引晶效果的影響，得出采用硅粉籽晶生長硅晶體晶粒均勻性最好，并能提高整錠電池效率。朱笛笛等[8]得出0.154mm粒徑范圍的多晶硅顆粒籽晶的引晶效果好，并能提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。晶澳太陽能的黃新明等[9]用Si3N4包覆SiC-SiO2復(fù)合顆粒鋪設(shè)在坩堝底部作籽晶，能顯著降低硅錠中下部的氧含量。常州天合的康海濤等[10]用兩面均涂有硅氧層-硅氮層的單晶硅片，誘導(dǎo)形核來抑制位錯，降低多晶硅材料體內(nèi)缺陷。籽晶料種類見圖3。

　　2.2高效坩堝研究進(jìn)展

采用高效坩堝也是提升硅片質(zhì)量的有效途徑。周海萍等[11]采用Si3N4涂層改性石英顆粒輔助生長柱狀多晶硅晶粒，獲得了均勻細(xì)小的多晶硅晶粒，有效降低了多晶硅缺陷密度，提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。沈維根等[12]在坩堝底部分別制備硅粉、無機(jī)陶瓷膠的混合物涂層和氮化硅粉、無機(jī)硅溶膠、去離子水的混合物涂層，制成的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率也得到提升。王梓旭等[13]發(fā)現(xiàn)采用摻鋇高純隔離層能有效阻擋雜質(zhì)污染硅錠，改善鑄錠中的邊部紅區(qū)，提高硅錠整體質(zhì)量。

　　2.3鑄造單晶技術(shù)

鑄造準(zhǔn)單晶硅由于其生產(chǎn)成本低于直拉單晶，其太陽電池的轉(zhuǎn)換效率高于傳統(tǒng)鑄造多晶硅，一直是光伏行業(yè)研究的熱點。鑄造單晶是在坩堝底部鋪設(shè)特定晶向的籽晶，加熱使部分籽晶熔化，從而生長出特定晶向的大晶粒、小晶界缺陷少的硅錠，切片后得到類似于單晶的大晶粒硅片,在不明顯增加硅片成本的前提下，電池效率能提升0.5%以上。

2006年，BPSolar公司推出該技術(shù)MOMO2TM，近幾年該方法成為鑄錠技術(shù)的研究熱點。在國內(nèi)，研究的主要公司有晶澳、昱輝陽光、常州天合、保利協(xié)鑫、安陽鳳凰光伏、江西賽維等。晶澳太陽能公司率先推出該技術(shù)，黃新明等[14]統(tǒng)研究了超大晶粒準(zhǔn)單晶鑄錠，研究的準(zhǔn)單晶鑄錠技術(shù)制成的“晶楓”電池最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)19%以上。江西賽維的陳紅榮等[15]過在坩堝底部鋪設(shè)籽晶，提供了一種準(zhǔn)單晶硅片的制備方法及準(zhǔn)單晶硅片，并申請了專利。中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所的侯煒強(qiáng)[16]過改進(jìn)鑄錠爐的結(jié)構(gòu)和對工藝優(yōu)化，形成的準(zhǔn)單晶技術(shù)，促進(jìn)了鑄錠工藝的進(jìn)步。常州天合的劉依依等[17]單晶硅中摻雜有Ga、B、Ge三種元素，降低硼氧復(fù)合體的產(chǎn)生，從而降低了電池的光致衰減；同時提高了電池片的機(jī)械強(qiáng)度。江蘇協(xié)鑫[18]通過在多晶硅鑄錠爐的坩堝和石墨護(hù)板之間設(shè)置在鑄錠過程中抑制坩堝外表面的SiO2和石墨護(hù)板中的C發(fā)生反應(yīng)的隔離層；使用所述多晶硅鑄錠爐通過定向凝固法鑄造多晶硅或準(zhǔn)單晶硅。

　　2.4熱場優(yōu)化與數(shù)值模擬

數(shù)值模擬為更好地理解熔體凝固過程中的傳熱傳質(zhì)及溫場、流場的分布提供了有力的工具，已成為光伏學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重要研究和開發(fā)手段。用軟件研究固液界面形狀、等溫線、軸向溫度分布及冷卻量對生長環(huán)境的影響。得出冷卻速率的最佳值范圍5W/m2～15W/m2。晶體軸向溫度梯度增大約1.72K/cm，可促進(jìn)大晶粒的生長。模擬軟件優(yōu)化了鑄錠爐內(nèi)部坩堝形狀，得出將坩堝底面由平底結(jié)構(gòu)改進(jìn)為凸底結(jié)構(gòu)，可有效解決中心區(qū)域結(jié)晶過早、邊角區(qū)域結(jié)晶過慢產(chǎn)生的問題。鑄錠爐熱場改造并進(jìn)行模擬，得出改進(jìn)后的熱場，硅熔體結(jié)晶的軸向溫度梯度增加了大約2K/cm，更有利于柱狀晶的生長，同時硅熔體對流強(qiáng)度增大，有利于抑制結(jié)晶界面細(xì)晶的產(chǎn)生。

3、鑄錠技術(shù)發(fā)展方向

鑄錠工藝發(fā)展的主要趨勢是提升最終電池的轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)制造成本，在未來的發(fā)展中主要是以下幾個方向：

a)在高效半熔工藝基礎(chǔ)上加大對籽晶的保護(hù)，努力做到籽晶保留面積達(dá)到100%，提高整錠電池效率0.1%左右；

b)通過共摻雜技術(shù)，解決多晶電池的光衰問題，為提升電池效率的PERC工藝奠定基礎(chǔ)；

c)鑄造更大尺寸的多晶硅錠也是未來發(fā)展的方向，G8鑄錠爐的單爐投料量可達(dá)1500kg～1600kg，單位產(chǎn)能可達(dá)16kg/h，其更高的性價比為多晶產(chǎn)品在光伏行業(yè)中占主導(dǎo)地位提供可靠保證；

d)鑄錠單晶以其成本低于直拉單晶、電池效率高于普通多晶一直備受關(guān)注，依然是鑄錠工藝研究的的重要方向。

4、結(jié)語

隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，多晶鑄錠工藝環(huán)節(jié)有了很大進(jìn)步，通過優(yōu)化晶體生長工藝和使用高效坩堝來降低晶體缺陷是一種重要途徑；鑄造單晶技術(shù)的研究也促進(jìn)了鑄錠技術(shù)的發(fā)展；隨著計算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的進(jìn)步，計算機(jī)模擬技術(shù)對分析鑄錠爐熱場、流場及傳質(zhì)方面起到了重要作用。未來鑄錠技術(shù)的發(fā)展主要是硅錠尺寸要不斷增大來降低加工成本；在籽晶保護(hù)方面還要力爭做到100%；通過鑄錠單晶技術(shù)提高電池轉(zhuǎn)換效率依然是未來鑄錠技術(shù)研究的熱點