1.前言

　　當前高效多晶硅組件是主流的光伏產(chǎn)品。高效多晶硅的制備方法分為有籽晶高效多晶硅技術與無籽晶高效多晶硅技術，即俗稱的半熔高效與全熔高效。

　　有籽晶高效多晶硅技術（半熔）采用毫米級硅料作為形核中心進行外延生長，鑄造低缺陷高品質的多晶硅錠[1-3]。無籽晶高效多晶硅技術（全熔）采用非硅材料在坩堝底部制備表面粗糙的異質形核層，通過控制形核層的粗糙度與形核時過冷度來獲得較大形核率，鑄造低缺陷高品質多晶硅錠。這一理論來源于經(jīng)典的形核理論[5-6]。有籽晶和無籽晶高效多晶硅技術通過形核層與工藝的優(yōu)化同樣都可以獲得小而均勻的晶粒尺寸。

　　有籽晶高效多晶硅技術是硅材料的外延生長，而無籽晶高效多晶硅技術是一種異質形核。雖然兩者都可以獲得高品質的小晶粒高效多晶硅錠，但是由于形核機理不同，兩種技術生長的晶體硅存在一定的差異。本文通過EBSD晶向檢測，PL缺陷檢測等手段對比晶向分布、晶界比例、電池效率等差異，進一步分析兩種技術因形核差異帶來的不同，探尋兩種高效技術進一步優(yōu)化的可能方向。

　　2.實驗過程簡述

　　采用同一爐臺，同種熱場。無籽晶高效多晶硅使用非硅材料作為異質形核層，有籽晶高效多晶硅底部鋪設碎硅料作為籽晶，采用兩種技術分別各鑄造一個重量相同的多晶硅錠。

　　選擇兩個硅錠相同位置硅塊作為檢測樣塊，采用μ-PCD (Semilab, model WT2000)測量對比少子壽命差異，采用在線PL(LTS-R2)測量對比硅片的品質區(qū)別，采用EBSD測量對比晶向分布與晶界比例之間的差異。

　　3.實驗結果分析

　　3.1 形核率對比

　　Fig.1.Comparisonof crystalnucleation (a) schematic bricks representation of mc-Si silicon ingot;(b) crystalgrains of brick C15 from the silicon-seeded HP mc ingot horizontalcross section15mm from bottom; (c) crystal grains of brick C15 from thesiliconnitride-seeded HP mc ingot horizontal cross section 15mm from bottom.

　　每個硅錠切割為36塊，命名方式如圖1（a）。從每錠C15塊挑選底部相同高度位置硅片進行形核對比如圖1（b）與1（c）。可以看出兩種技術都可以獲得尺寸小而且均勻的晶粒分布。有籽晶高效多晶硅技術硅錠獲得的小尺寸晶粒來源于底部碎小的硅料外延生長，而無籽晶高效多晶硅技術硅錠小尺寸晶粒來源于底部異質形核層，異質形核層具有足夠的形核粗糙度[7]，再配合特定的過冷度[9]就可以獲得較高的形核率。兩種技術都可以獲得尺寸較小晶粒，下面將進行更深入的分析對比。

　　3.2 少子壽命與位錯密度對比

　　Fig.2.Minority carrierlifetime mapping of (a) mc silicon-seeded ingot (b) silicon nitride-seededingotminority carrier lifetime curve comparison of the two ingots.

　　圖2所示為兩硅錠半截面少子壽命差異對比，圖中彩色區(qū)域代表由于雜質、缺陷等引起的低少子區(qū)域。可以明顯看出有籽晶高效多晶硅錠低少子區(qū)域較少，而且分布均衡。而無籽晶高效多晶硅錠低少子區(qū)域分布較多，但是底部紅區(qū)高度明顯偏低。M.Trempa等通過一種高效阻擋層的實驗[10]解釋了有籽晶高效多晶硅錠底部紅區(qū)較高的原因，他們認為底部紅區(qū)是由于底部坩堝與籽晶雜質擴散的共同影響引起的。而無籽晶高效多晶硅技術僅僅只有坩堝雜質的擴散，因此底部紅區(qū)的高度相對較低。本文實驗中有籽晶高效多晶硅錠剩余籽晶的高度為10mm左右，而底部紅區(qū)的高度為 55-60 mm之間，然而無籽晶高效多晶硅錠底部紅區(qū)高度僅僅為45mm左右，因此無籽晶高效多晶硅技術硅錠具有一定的良率優(yōu)勢。

　　Fig.3.(a-c) the wafer PLquality comparison of the C15, C14 and B13 bricks from thetwo ingots.

　　通過兩硅錠相同位置硅塊底部到頂部順序片的PL檢測數(shù)據(jù)對比可以看出，有籽晶高效多晶硅錠的晶體品質較高，綜合評分分別高出7.3%，7.75%和5.5%，且優(yōu)勢主要體現(xiàn)在中下部位置，而頂部位置相同或者偏低。位錯團簇是影響晶體品質的主要原因之一，而位錯團簇往往生成于CSL晶界并湮滅于隨機晶界[4]，同時晶向也可以影響位錯延伸生長[4]，因此晶體品質與晶界類型和晶向有一定的關系。為解釋造成晶體品質差異的原因，我們進行了兩硅錠相同位置晶向晶界比例差異的對比。

　　3.3 晶向與晶界對比

　　Fig.4.Comparison of (a) thegrain orientation and (b) the grain boundary of wafersfrom bottom part of thecenter bricks C15 of the ingots.

　　圖4所示為EBSD檢測晶向與晶界差異對比。由圖4a所示晶向的分布差異對比可以得出有有籽晶高效多晶硅錠中{112}晶向占主導，另外{113}、{111}和{315}晶向也占有較高的比例。{112}晶向具有較低的界面能，通常高品質的多晶硅錠具有較高比例的{112}晶向[3]。無籽晶高效多晶硅錠的晶向分布中{111}和{112}晶向占主導，其中{111}占比最高，而{113}和{315}晶向比例較小，因此無籽晶高效多晶硅錠的晶向分布相對集中，晶向比例分布不均衡。兩硅錠都具有較高比例的{112}晶向，但是分布存在一定差異。有籽晶高效多晶硅錠的晶向分布相對均衡的原因在于底部籽晶的隨機分布，有籽晶高效多晶硅技術是一種外延生長，晶向的分布較大程度取決于底部籽晶的隨機分布，因此獲得的晶向分布相對均衡。無籽晶高效多晶硅錠的形核依靠形核層的粗糙度與特定的過冷度。特定的過冷度會使得形核時的溫度窗口較小，而晶向的形成與形核溫度有直接關系。因此特定的溫度區(qū)間內晶向分布相對集中，某種晶向會占據(jù)比較高的比例。

　　圖4b所示為晶界檢測結果對比，通過對比可以得出有籽晶高效多晶硅錠具有較高比例的隨機晶界。位錯團簇往往易湮滅于隨機晶界[4]，因此較高的隨機晶界對應的位錯團簇密度相對較低，所以有籽晶高效多晶硅錠的硅片具有較低的位錯密度與較高的晶體品質。這一檢測分析結果與圖3所示PL檢測結果相吻合。有籽晶高效多晶硅錠具有較高比例的隨機晶界歸因于籽晶的隨機分布。無籽晶高效多晶硅錠形核在特定的溫度梯度范圍內，晶向分布相對集中，隨機晶界的比例相應減少及CSL晶界相應增多，因此無籽晶高效多晶硅錠的品質受到形核過程溫度的影響較明顯，因此無籽晶高效多晶還有較多優(yōu)化空間。

　　電池效率方面，有籽晶高效多晶硅錠較無籽晶高效多晶硅錠平均效率高。但電池效率優(yōu)勢主要體現(xiàn)在中下部，這一結果與PL檢測結果相吻合，三塊的效率優(yōu)勢分別為0.12%(B13), 0.13% (C14)和0.169%(C15)。分析認為以上差異主要是由于長晶初期形核原理不同造成，有籽晶高效多晶硅錠底部晶體品質較無籽晶高效多晶硅錠底部品質高，長晶后期由于長晶過程競爭生長與熱場工藝的共同影響，差異減小或者趨向相同。因此有籽晶高效多晶硅技術在長晶初期具有較大的品質優(yōu)勢，但是在長晶中后期隨著缺陷增加，兩者品質逐漸相近。

　　通過以上分析，有籽晶高效多晶硅技術進一步優(yōu)化的方向是抑制長晶中后期缺陷的增殖。可以通過保持晶柱生長的垂直性以及晶粒的延續(xù)性，將外延生長出的高品質晶粒豎直生長至中上部，從而可以有效提升整體效率。無籽晶高效多晶硅技術在形核和長晶初期相比有籽晶形核存在一定的不足，可以通過進一步優(yōu)化底部異質形核層和形核過程過冷度提升{112}等優(yōu)質晶向的比例。具體進一步優(yōu)化的方向包括：通過對形核層的優(yōu)化減少對溫度（過冷度）窗口的依賴，并且探尋最佳的形核溫度和過冷度，優(yōu)化長晶初期的晶向分布與隨機晶界的比例，提升長晶初期晶體品質。同時長晶后期也需要優(yōu)化，同有籽晶高效多晶硅一樣，也需要通過柱狀晶的生長抑制長晶中后期缺陷的增殖。

　　4. 結論

　　（1）有籽晶（半熔）高效多晶硅技術與無籽晶（全熔）高效多晶硅技術都可以獲得較大的形核率，獲得尺寸小而均勻的晶粒。

　　（2）有籽晶高效多晶硅技術生長硅錠底部晶粒晶向分布{112}晶向占主導，隨機晶界比例相對較高，硅錠底部晶體品質優(yōu)勢較大。

　　（3）關于有籽晶與無籽晶高效多晶硅技術的優(yōu)化方向：有籽晶高效多晶硅技術需對長晶中后期進行優(yōu)化，通過優(yōu)化界面與溫度梯度，保持晶柱垂直性和延續(xù)性。無籽晶高效多晶硅技術需要通過對長晶初期形核條件進行優(yōu)化，提高優(yōu)質晶向的比例和隨機晶界比例。同時也要進行長晶中后期的優(yōu)化，長晶后期的優(yōu)化措施同有籽晶高效多晶硅技術方案相同。保持硅錠底部到頂部的品質延續(xù)性是半熔和全熔高效多晶共同的核心內容。