一、前言

光伏產業的關鍵科學技術問題是：低成本高效率的光電轉換技術。目前晶硅材料占據了太陽能光伏市場的80%以上，因此，如何降低鑄造多晶硅的制備成本，提高晶體質量，是國內外光伏學術界、產業界關注的前沿科技問題之一。要實現平價上網，真正走入千家萬戶，降低光伏發電成本是關鍵。國際知名光伏權威報告稱：“轉換效率提高1%，成本下降7%”。因此提升鑄造多晶硅晶體質量具有重要的意義。

傳統的普通鑄造多晶硅錠的制備技術主要采用定向凝固法，定向凝固法已成為了光伏行業的主流技術。在硅料完全融化后，從普通坩堝的底部隨機形核，然后逐漸向上生長，最終形成多晶硅錠。由于初始形核沒有得到有效控制，形核過程中容易產生位錯并且導致晶向無規律、晶界不規則、晶粒不均勻等問題，從而嚴重影響了鑄造多晶硅電池的光電轉換效率，增加了制備成本，制約了光伏發電的應用。

二、國內外研究背景

與單晶硅相比，多晶硅具有很多的晶界、高的位錯、雜質等缺陷，是少數載流子的復合中心，一般認為多晶硅缺陷的形成和增殖與晶向、晶界等晶體結構因素有關.Fujiwara等在凝固的起始階段采用高的過冷度來引入沿坩堝底的<110><112>的枝晶生長來獲得具有∑3晶界的大尺寸晶粒，即所謂的枝晶鑄造法。在坩堝底部形成很大的枝晶，硅錠在枝晶上進行生長。2009年T.Y.Yang等人利用水的良好的冷卻性來使得坩堝底部得到迅速的冷卻，制造高的梯度來成核，得到了大量的枝晶，并有高的少子壽命。與此同時2009年江西賽維開始研究高效多晶硅，發明了多孔坩堝法并申請了相關專利，減少<111>晶面引起的多重平行的孿晶晶界，有效地增加硅片的少子壽命，采用此硅片制成的太陽能電池片的轉換效率得到提高，在國內外都研究大晶粒的時候首次提出了小晶粒的思想，但這種方法坩堝存在一定的風險。2012年Li等使用氬氣氣冷增強冷卻效果，獲得具有高孿晶比例大晶粒的硅錠。遺憾的是，位錯的增殖還是難以控制，即有缺陷的硅片還是無法明顯改善，轉換效率仍然得不到明顯提高，沒有得到規模化的推廣應用。也有學者wang等進一步報道了使用冷卻點控制形核的方法，通過局部的冷卻，使得晶核優先在冷卻點形核，∑3晶界的比例最高可到達80%，高密度孿晶使得位錯密度稍有改善。最早臺灣報道的高效硅片，即是采用了過冷度控制的方法得到大晶粒的高效硅片。采用此方法在小型實驗爐中可以得到具有位錯密度低的大晶粒的硅片。但是在工業生產中，由于坩堝尺寸大，裝料量達到450Kg以上，硅液的結晶潛熱大，在如此大的熱慣性的熱場條件下很難做到過冷度的精確控制，晶體生長的位錯也沒有明顯的降低。因此早期單純通過控制過冷的方法很難達到很好的效果。直到2012年底公開文獻報道仍然停留在過冷控制得到大晶粒的方法上。在這之前市場上利用過冷法得到的所謂大晶粒高效多晶硅片，效率并沒有明顯的提升，基本上為不成熟的產品，后面很快被小晶粒高效硅片替代。

三、高效多晶硅的形核方法

江西賽維聯合浙江大學硅材料國家重點實驗室，多年來對鑄造多晶硅缺陷進行了系統研究，揭示了位錯、雜質、晶界等的相互作用規律。研究表明位錯主要來源于初始形核時的位錯和后續的位錯增殖。位錯的形成機制非常復雜，特別是位錯增殖的控制，國內外沒有可借鑒的經驗。

圖1 硅塊IR與少子壽命圖

在實驗中首次發現細小均勻的晶粒具有抑制位錯增殖，減少位錯密度的作用。圖1為鑄造多晶硅塊少子壽命圖與硅塊IR圖。該圖表明細小的晶粒具有抑制位錯增殖，減少位錯的功能。

江西賽維從2009年開始研究多孔坩堝來誘導形核從而改變了單純控制過冷度來或利用類單晶技術來控制形核的方法，得到了小晶粒的硅片，開創了鑄造多晶硅誘導形核的新思路。2011年底江西賽維大規模開始研究小晶粒高效多晶硅，提出了多種實驗的方法，并取得了相關專利，使之得到更加穩定的晶核誘導來控制形核，推動了光伏行業進入高效多晶硅大規模應用時代。

3.1、多孔坩堝

在坩堝底部或附加鋪設的石英板上布置孔洞來誘導形核。根據晶體形核理論，鑄造多晶硅的形核驅動力與坩堝涂層的潤濕性以及硅熔體的表面張力有關。通過坩堝孔洞或單獨鋪設的坩堝板(形核誘導層)粗糙度的設計可以改變表面張力γ，從而減少了形核功，有利于誘導晶核的形成，得到細小均勻的晶粒。細小均勻的晶粒具有更低的位錯密度，這是因為位錯一般沿{111}晶面的<110>晶向進行滑移，由于晶粒尺寸小，位錯更容易滑移到晶界，大部分位錯都消失在晶界上;相比于位錯對少數載流子較強的復合作用，晶界的影響較低。該方法同時能顯著提高晶向的一致性，以<110>和<112>晶向的晶粒占優，從而有效地增加硅片的少子壽命，采用此類硅片制成的太陽電池轉換效率得到提高。2012年中美晶申請的專利也提出的形核促進層中包括利用板體粗糙度來控制形核。杭州精功等單位亦進行了此類的研究，近期C.W.Lan報道了Vesuvius等坩堝廠家推出了此類坩堝。

圖2 多孔坩堝及多晶硅錠底部形貌

3.2、單晶籽晶法

該方法從鑄造類單晶的方法衍生過來，2009年浙江大學在國內最早從事此類工作的研究，并取得了相關專利。該方法依次將單晶硅塊、硅原料、摻雜元素置于坩堝中，加熱使得每個單晶硅塊不被全部融化。使單晶硅塊作為籽晶誘導生長定向凝固形成多晶硅。得到的多晶硅中的晶粒具有同晶向，使電池制備過程中的堿制絨技術能夠被應用，從而提高電池對光的吸收效率。該方法得到的主要是大晶粒的鑄造多晶硅，生產成本較高。2011年江西賽維申請了使用氧化鋁、碳化硅等異質籽晶來生長大晶粒多晶硅錠。2012年中美晶在專利中亦涉及到了使用單晶硅碎料和碳化硅等作為形核促進層。