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太阳能电池片科普系列——多晶硅铸锭篇
2017-12-01 14:34:47   来源:北极星太阳能光伏网   作者:于红波采编  点击:

  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。

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  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

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  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

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  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


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  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。
 

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