晶體硅太陽電池硅片質量控制

劉秀瓊

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晶體硅太陽電池硅片質量控制

劉秀瓊

（樂山職業技術學院，四川樂山 614000）

硅片作為太陽能電池片的載體，其質量好壞直接決定電池的轉換效率。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，通過對原料處理過程、晶體硅生長過程及硅片加工等過程規范操作、嚴格控制各項工藝參數指標有效控制硅片質量。

鑄錠多晶硅；直拉單晶硅；多線切割；硅片；質量控制

太陽能光伏產業作為一個新興的綠色能源行業，日益受到各國的重視。隨著光伏產業的迅速發展，高效低成本電池成為企業發展的關鍵。對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最大的部分，所以降低這部分的制造成本、提高產品質量對于提高太陽能光伏產業的競爭力至關重要。晶體硅太陽能電池硅片生產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鍵工序，其產品質量對太陽能電池性能具有重要影響。

一、鑄錠多晶硅生長質量控制

鑄錠多晶硅片制備工藝主要由多晶硅原材料準備、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、檢驗分選組成。多晶硅原料純度、質量是決定太陽能電池性能和轉換效率的因素之一。為此，對多晶硅原材料來源、純度、外觀形貌和后處理工序中物料潔凈處理質量等要有嚴格的要求并制定出相應的標準。驗收原生多晶硅料必須查看產品廠家、產品分析單、包裝袋有無破損。對用于腐蝕清洗多晶硅原料的化學試劑如氫氟酸、硝酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、無水乙醇等質量要求用分析純，摻雜劑硼、鎵質量要求大于等于99.999%。

鑄錠多晶硅生長過程包括預熱→熔化→長晶→退火→冷卻。預熱時要求溫度預熱至1 200℃左右，預熱真空度控制在1.05mPa左右，預熱時間15h；待預熱溫度達1 200℃時，硅料開始熔化，繼續加熱、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℃，退火時間維持大約8.5h，連續充保護氣；繼續抽真空至真空度達52.5Pa，降溫，在1 000℃-400℃下冷卻6h。

為保障鑄錠爐內硅錠質量符合要求，生產中除了穩定控制鑄錠爐的各項工藝參數外，需時刻監視鑄錠爐各系統的運行狀態，隨時對故障做出應急處理。

二、直拉單晶硅棒生長質量控制

直拉單晶硅片制備工藝主要包括多晶硅原材料準備、直拉單晶生長、晶棒截斷、切方、滾磨表面處理、多線切割、清洗、檢驗分選等。供直拉單晶生產的原輔材料進洗料庫前應按質量要求進行檢查和驗收，用于腐蝕清洗硅原料和單晶棒料的化學試劑質量要求符合分析純，腐蝕籽晶時，只能腐蝕籽晶下部，以免改變固定夾頭部的尺寸；供單晶生產需要的主要部件若是用于制備加熱器、反射板、導流筒、坩堝、坩堝軸等部件的石墨材質應具備致密度好，機械強度高，純度高，灰分少等特點的等靜壓石墨材料；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。石英坩堝應具有耐高溫，壞料（二氧化硅）純度高，外形尺寸標準，無氣泡，無黑點等質量特點，內壁要求涂有均勻的耐高溫氧化鋇膜。驗收坩堝時特別注意檢查外形尺寸是否標準，是否存在氣泡、黑點、破損，邊緣損傷等缺陷。

將多晶硅料裝入石英坩堝時應避免帶有尖銳的塊料棱角頂住石英坩堝內壁，為避免或減少硅料在熔化過程中出現坩堝邊“掛料”或“搭橋”，塊料碼成凸起形。若出現這種情況，應及時降低堝位，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。當熔體溫度穩定后開始引晶，若發現籽晶與熔體接觸處未出現光環，則表明引晶溫度偏低，相反，當熔體接觸處立即出現光環，且不斷擴大，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圓形光環，且光環尺寸緩慢擴大，逐漸變得明顯。生產中控制合適的引晶溫度對硅棒質量至關重要。

縮徑是保證獲得無位錯的關鍵因素，為了使籽晶中的位錯排除在晶體體外，籽晶提升速度要快，縮徑要細。單晶在等徑生長過程中應注意對晶體生長界面的控制，進入等徑生長后生長界面是逐漸由凸變平，進而控制成微凹狀，保持這種生長界面。同時，注意觀察晶體生長情況，若發現晶體“斷線”應仔細分析原因，及時調整。如果是幾條棱線同時斷掉，可能是溫度和熱場不合適，反之則可能是雜質和其它因素引起的。

三、多線切割質量控制

多線切割技術是目前世界上比較先進的硅片加工技術，它的原理是使用鋼線帶動附著在鋼絲上的切割刃料對硅棒進行切斷的一種加工方法。鋼線通過十幾個導線輪的引導，在主線輥上形成一張線網，而待加工工件通過工作臺的下降實現工件的進給。在切割過程中，對硅片質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，工件的進給速度等。

為防止切割過程中出現線痕片、斷線、機器報警等，要求砂漿流量均勻，達到切割要求，切割液粘度與機器匹配。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鍵，采用激光劃片機，能提高硅片的切割能力；采用機器要求標準的砂漿粘度能提高切割效率和成品率。

鋼線速度，對單向走線的線切割機，要求鋼線始終保持一個速度運行；對雙向走線的線切割機，其切割能力在一定范圍內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，就會出現線痕片甚至斷線；反之，如果超過砂漿的切割能力，就可能導致砂漿流量跟不上，從而出現厚薄片、線痕片等。

鋼線張力是硅片質量控制的核心要素之一，在切割過程中，需實時有效控制。張力過小，會導致鋼線彎曲度增大，帶砂能力下降，容易出現跳線，產生線痕等殘次片，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入切割部位，易斷線，切割效率降低。生產中需要在基本滿足晶片幾何參數的條件下，適當調整鋼線張力，一般控制在28-30N。

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

四、結語

晶體硅太陽能電池硅片是光伏產業鏈中最重要的關鍵環節之一，其質量的好壞直接影響著太陽能電池組件的內在品質及電池的轉換效率。改善硅片質量的方法有兩種：一是通過改變大的工藝路線實現對硅片質量的控制；二是在大的工藝路線一定的情況下，通過對原料處理過程、晶體硅生長過程及硅片加工過程規范操作、嚴格控制各項工藝參數等有效實現此工藝路線下的硅片質量控制，從而使太陽能電池組件質量可控。太陽能電池的發展方向是不斷提高電池的轉換效率，最大限度降低成本。光伏產業鏈各個制造環節持續降低成本的需求和壓力極大推動了硅片制備在多晶硅鑄錠、單晶硅拉制、多線切割等關鍵技術和質量的全面進步，大量的先進制造技術正在積極研發，將對光伏產業制造技術的進一步發展提供有力支撐。

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

[2]侯煒強.多晶硅鑄錠爐生產工藝控制技術和設備組成[J].電子工藝技術，2008，29（5）：291-293.

[3]硅片多線切割技術[OL].北極星太陽能光伏網：http:// solar. ofweek. com/ 2012-04/ ART-260006-8300-28606164.html.

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

（責任編輯王傲冰）

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目——“晶體硅太陽能電池硅片質量控制研究”，No:13ZA0304。

劉秀瓊（1971—），女，重慶忠縣人，樂山職業技術學院，副教授。