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1、Journal  of  Crystal  Growth    ()  1357911Contents lists available at SciVerse ScienceDirectJournal of Crystal Growth晶體生長雜志journal homepage: Grain control in directional 

2、;solidication of photovoltaic silicon光伏硅材料定向凝固中的晶粒控制13151719Q1C.W.  Lan a,n,  W.C.  Lan b,  T.F.  Lee a,  A.  Yu b,  Y.M.  Yang b,  W.C.  Hsu b,&

3、#160; B.  Hsu b,  A.  Yang ca Department  of  Chemical  Engineering,  National  Taiwan  University,  Taipei  10617,  Taiwan,  ROCb Sino-American&

4、#160; Silicon  Productions  Inc.,  Hsin-chu,  Taiwan,  ROCc Solartech  Energy  Inc.,  Hsin-chu,  Taiwan,  ROCa  r  t  i  c  l  e&#

5、160;  i  n  f  oabstract摘要212325272931Keywords:關鍵詞A1.  Directional  solidication定向凝固A3.  Grain  Growth晶粒生長B2.  Semiconducting  Materials半導體材料B2.  Semiconducting  silicon半導體硅B3.

6、0; Solar  cells太陽能電池光伏產(chǎn)業(yè)中，定向凝固已成為太陽能電池多晶硅生產(chǎn)的主要工藝。晶粒以及晶界的控制對晶體的質(zhì)量以及太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率至關重要。本文，我們將通過從實驗室規(guī)模到產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不同級別的實驗來回顧多晶硅定向凝固的晶?？刂乒に嚨倪M展。研究發(fā)現(xiàn)，控制生長界面能有效增加晶粒大小，但晶粒也會因生長過程中出現(xiàn)亞晶粒而減小尺寸。通過加強均勻或局部點冷降溫來增加過冷度，以此更好地控制形核和晶粒競爭，就能獲得有更多3或者孿晶界的晶粒。因為晶粒尺寸是隨著高度遞增的，位錯的生長比沒有的晶粒生長要慢很多。由晶?？刂乒に囍圃斓墓杵鶚?gòu)成的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率也有

7、了很大幅度的改善。此外，本文還討論了使用籽晶的生長工藝。© 2012 Published by Elsevier B.V.336735Corresponding  author.  Tel./fax:  þ886  2  2363  3917.3739414345474951535557596163651.   引言隨著全球變暖和礦物能源短缺，光伏產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展極為迅速絕大多數(shù)

8、太陽能電池是由硅材料制成的。尤其，由于硅材料成本低，生產(chǎn)流通量高，定向凝固的多晶硅因此受到了關注。2010年，多晶硅的市場占有率接近50%，并且年產(chǎn)出超過10GW。硅是太陽能電池的吸收器，硅的質(zhì)量對于轉(zhuǎn)換效率顯得非常關鍵。但是，在經(jīng)氮化物噴涂的石英坩堝中采用定向凝固方法生成的多晶硅，目前存在很多缺陷，比如，晶界無規(guī)則、位錯、夾雜、雜質(zhì)。這些缺陷，尤其是位錯，通常是光生電子和空穴的復合中心，它們必然對電池性能有不利影響。因此，多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率，一般來說會遠遠低于單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率。1研究發(fā)現(xiàn)，晶粒和晶界對硅片質(zhì)量有深刻影響，同理，對多晶太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率也甚為重要。2-6更有趣的是，晶粒

9、取向、晶界和位錯密度是緊密相關的，在硅片的性能方面它們都扮演著非常重要的角色。4-8nE-mail  address:  .tw  (C.W.  Lan).0022-0248/$ - see  front  matter  &  2012  Published  by  Elsevier  B.V.

10、0;在不同的方向情況下，晶界會造成不同的機械和電氣特性2-3.9。例如，3晶界有較大的切削抗壓力，有助于超薄切片9。此外，它擁有電氣惰性（即使是被污染的樣本）以至于它無法成為電子和空穴的復合中心10,11。另外，含有孿晶或者固定晶向的晶粒，根據(jù)腐蝕坑密度（EPD）顯示出的位錯密度也比較低。8現(xiàn)在普遍認為，對于質(zhì)地潔凈未受污染的硅片，少子壽命和電池轉(zhuǎn)換效率都和位錯密度，尤其是位錯簇群密切相關。所以，為了得到高質(zhì)量的多晶硅片、高轉(zhuǎn)換效率的電池，晶粒控制就顯得格外重要。在多晶硅DS生長技術(shù)發(fā)展早期，增大晶粒尺寸、減少晶界被認為是提高晶體質(zhì)量和轉(zhuǎn)換效率的最直接的方法12。從生長速率和生長界面形狀，業(yè)界

11、一致認為通過降低冷卻速度和晶粒競爭，嚴密控制最初的成核過程是非常關鍵的步驟13。有些觀點是正確的，有些還不能定論。例如，一個平面的或略微凸面的生長界面，對減少來自坩堝內(nèi)壁的寄生成核是很有利的，熱應力同樣如此12-14。然而，如果成核階段的過冷度和生長速率太低，對于晶粒成長的作用也不一定都是正面的。最近的研究結(jié)果表明，高的初始冷卻會誘導枝晶的生長，很有可能會產(chǎn)生高質(zhì)量的大晶粒4,15。697173757779818385878991939597doi:10.1016/j.jcrysgro.2012.01.007Please cite this article

12、0;as: C.W. Lan, et al., Journal of Crystal Growth (2012), doi:10.1016/j.jcrysgro.2012.01.0072C.W.  Lan  et  al.  /  Journal  of  Crystal  Growth    ()

13、  1357911131517192123252729313335373941434547495153555759616365，我們也觀察到，通過使用氬氣氣流加強冷卻促使成核，也有類似的結(jié)果。16所以，在成核階段，使用枝狀鑄造（dendrite  casting）以獲得高比例的更加對稱的晶界，例如CSL（一致晶格位置）晶界和孿晶，這一觀念正逐漸被認可4,6,15,16。因為硅是一種各向異性很高的材料，它的生長習慣會受到過冷度的很大影響17,18。特別的，Nagashio 和 Kuribayashi 曾報告說，(110)或(1

14、12)上表面的樹突是在相對低的過冷度中誘導的，但是在100K以下。枝狀比等軸晶粒的生長速度更快，以至于枝狀晶粒的尺寸更大4。F Fujiwara 19-21等人通過在一次薄膜DS生長過程中使用現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，進一步研究了多晶硅的熔化生長反應。他們觀測到在不同的冷卻條件下，定向晶粒會出現(xiàn)不同的生長反應。<100>和<110>原生多晶晶粒更傾向于高冷卻速率，例如，30 K/min，作為動力學控制的結(jié)果，111小平面型的生長則要慢得多。另一方面，冷卻速率減慢時，比方說降至1K/min，<111>晶粒則更具有優(yōu)勢，原因在于熱力學控制偏向于最低的界面

15、自由能；據(jù)估計，這種轉(zhuǎn)換過程維持在大約2mm/min的生長速率19。因此，在正常的1cm/h的DS速率情況下，111晶粒的顆粒競爭更占優(yōu)勢。Fujiwara等人廣泛研究了對于優(yōu)先晶界的過冷度控制4,22。通過控制DS初始階段的冷卻速率，他們能引導具有 3晶界的大晶粒沿著坩堝底壁展開樹狀生長。近來，王23和Yeh24 等人又進一步闡明了局部冷卻的方法，指出利用定制的冷卻墊就可以在工業(yè)生產(chǎn)中輕松實現(xiàn)。冷卻點會引發(fā)局部的徑向溫度梯度，從而使橫向生長過程中的枝晶或者晶粒排列更佳。更重要的是，它不受坩堝尺寸規(guī)格限制。為控制過冷度而設計的冷卻墊使用的是氬氣或者水，并且作為一種自生籽晶過程，鋸狀有凹凸的坩堝

16、也是被大力推薦的16,25，而且結(jié)果很好，前景可期。利用氬氣實現(xiàn)的瞬間冷卻是有效的、安全的，并且產(chǎn)生的主要是<110>和<112>枝晶。Nakajima26等人還提議在采用枝晶鑄錠方法時可以通過具有不同導熱性的冷卻墊來控制枝晶的排列。它們在相同的方向上控制了枝晶的排列， 從而能夠使得枝晶間的初始缺陷（位錯）最小化。同時，不一致的晶界也見減少了。然而，在張XX27等人最近的報告中提到，大規(guī)模生產(chǎn)條件下，重要的不只是結(jié)晶的質(zhì)量，同樣還有長晶環(huán)境的穩(wěn)健性，以及高產(chǎn)量和成品率。  目前，在實際運作中，通過過冷度控制的生長再現(xiàn)性是一個很引人關注的問題。換句話說

17、，在工業(yè)生產(chǎn)中，這種技術(shù)還沒有取得成功。雖然如此，通過控制最初階段的晶粒，即便沒有形成大的枝晶，也可以大幅降低位錯的生長速率。簡言之，從形成動力學角度，位錯的生長速率和它們本身的密度以及熱應力是存在比例關系的，而熱應力主要是受熱歷史和坩堝壁的影響。它的定向依賴也同樣是由于不同的滑移系8。此外，晶界在阻止位錯生長方面是有效的，晶粒尺寸也在其中扮演著很微妙的角色，同時還對應力松弛有一定作用。所以，為了減少位錯，除了要減少長晶過程中的熱應力，通過過冷度或者種晶層的方法來控制晶粒定向、晶界、缺陷密度和晶粒大小是非常必要的。   本文描述了我們在控制高品質(zhì)DS多晶硅晶粒方面的最新進展

18、，也討論了將實驗室成果應用到工業(yè)生產(chǎn)中的這一可行觀點。實驗室中利用感應加熱的DS爐的原理圖如下圖1（a），坩堝內(nèi)徑是7cm24。坩堝下方是加強版的使用氬氣16或水流 24的冷卻裝置。如果采用水流冷卻，可以用石墨棒來吸取坩堝底部的熱量，根據(jù)石墨棒的直徑看情況進行局部冷卻或均勻冷卻24。在硅料熔化并且狀態(tài)穩(wěn)定之后，就可以進行冷卻，很短的時間內(nèi)，就要開始成核作用。然后，坩堝向下移動開始長晶。工業(yè)生產(chǎn)中的多晶爐（GT DSS 450）原理圖如下圖Fig. 1(b)。根據(jù)投料量的多少，硅錠的尺寸最大可以達到84cm×84cm×36cm 

19、;系統(tǒng)經(jīng)過改進后可以從頂部進行二次裝料，坩堝最多可以裝納580-600kg硅料。成核和凝固過程主要是通過上下移動絕緣（保溫）材料。坩堝下面的冷卻墊可以是塊狀的石墨熱交換器，也可以是類似左圖1（a）中裝置16 的石墨腔室。    6769717375777981838587899193959799101103105107109111113115119121123125127129131133Fig.  1.   Schematic  of  (a) 

20、0;lab-scale  DS  furnace;  (b)  industrial-scale  furnace.工業(yè)鑄錠爐Please cite this article as: C.W. Lan, et al., Journal of Crystal Growth (2012), doi:10.1016/j.jcrysgro.2012.01.007C.

21、W.  Lan  et  al.  /  Journal  of  Crystal  Growth    ()  31357911131517192123文中比照討論了（156*156mm2,200m厚）硅片制成的電池的轉(zhuǎn)換效率，這種硅片是利用先進的長晶理念生產(chǎn)的。在接下來的討論中，我們將按照時間順序，介紹晶體質(zhì)量改善的進展情況。下面第二小節(jié)，我們會首先探討生長界面對晶粒尺寸和

22、晶體質(zhì)量的影響，以及電池的轉(zhuǎn)換效率。第三小節(jié)，探討在成核和晶粒競爭階段利用過冷度控制晶粒和晶界，同時也會簡單解釋下最初的晶粒對后期晶粒尺寸和缺陷的影響。如果能控制好最初晶粒，整體的質(zhì)量和成品率都會有明顯提高。最后，第四小節(jié)將介紹種晶生長，討論位錯密度和生長速率。末尾第五小節(jié)是總結(jié)評論部分。2.  控制生長界面晶體生長的習慣作法是控制生長界面。生長界面決定了晶粒生長的方向是向內(nèi)還是向外。對于凸狀的生長界面，晶粒向外生長，如果沒有分生出出新的晶粒，它的尺寸很容易增大。相反，如果是凹狀界面，晶粒向內(nèi)生長，新的晶粒常常會從側(cè)壁結(jié)晶，隨著柱狀晶粒相互碰撞，在靠近末端處生成等軸晶粒。從

23、基本的熱量轉(zhuǎn)移的角度看，凝固界面垂直于熱流。所以，對于定向凝固，獲得凸界面的最簡單的方法是按壓熱場的接觸面28 或者更好地使坩堝隔熱以避免熱量從側(cè)壁散失23,24。Yeh 等人之前的研究中24，氧化鋁氈可以用來保溫坩堝。接觸面的形狀從使用氧化鋁氈后就由凹狀變成凸狀。67697173757779818385878925272931333537394143454749515355575961相似的概念在工業(yè)生產(chǎn)中也有采用，通過改造熱場減少坩堝壁生長接觸面周圍的熱量散失。也就是說，如果阻止了坩堝壁的熱量損失，熱流就會集中進冷卻墊，接觸面上的凸性也會增大。想法很簡單，改造目前多晶爐的熱場卻并

24、非易事，因為接觸面的位置也是隨著時間變化的。圖2表示了不同熱場長出的硅錠的橫截面，參考右圖默認熱場(a)，熱場 I (b) 和 II (c)，都分別是通過減少坩堝壁靠近接觸面的熱損失實現(xiàn)的。換言之，熱場II 靠近生長界面的坩堝保溫最好。圖2(a)中的晶粒結(jié)構(gòu)表明，默認熱場的接觸面凹得非常厲害，晶粒傾向于向內(nèi)生長。而另一方面，對于改良過的熱場，坩堝保溫效果更好，接觸面徑向的熱損失更少， 如圖2(b) 和 (c)，凹度大幅減小，靠近中央位置的晶粒慢慢趨于向外側(cè)生長。特別是圖2(c)側(cè)壁的晶粒也明顯減少了。 &

25、#160;圖3是一組硅片(15.6×15.6 cm2尺寸)晶粒結(jié)構(gòu)的對比圖，硅片取自默認熱場和熱場II的中央硅錠的不同高度。如圖所示，對于默認熱場，晶粒尺寸隨著位置升高而逐漸減小，頂部出現(xiàn)了很多等軸晶粒。熱場II經(jīng)過更好的接觸面控制后，晶粒大小顯著增加。不同熱場中晶粒尺寸的軸向分布如圖4所示。盡管通過控制生長界面可以改善晶粒尺寸，但是，無論怎樣晶粒大小仍然隨著高度增加而減小。更重要的是，缺陷較多的區(qū)域，即經(jīng)過優(yōu)先腐蝕和圖像處理后顯示出的EPD密度遠遠超出1×106/cm2的區(qū)域，隨著生長距離增加會迅速增多，在熱場II中也不例外。 Fig.  &

26、#160;2.   Longitudinal   grain   structures   from   (a)   default   hot   zones;   (b)   hot   zone   I;(c)  

27、hot  zone  II.靠近生長末端，缺陷面積超過80 cm2 (多于 30%). 生長過程中晶粒尺寸減小被認為是新晶粒的生成。從位錯群和晶界處成核的次晶粒能夠變成含有大量位錯的晶粒。 源于不同熱場的硅片，通過使用典型的酸制絨的絲網(wǎng)印刷生產(chǎn)線可以制成太陽能電池片。不同熱場條件、不同硅錠位置的平均電池轉(zhuǎn)換效率（100片的平均值）在圖5中有所比較展示。圖中用的是2007年的數(shù)據(jù)，處于底部的硅片轉(zhuǎn)換效率為15.8%16.1%，處于頂部的硅片的轉(zhuǎn)換效率為15.5%15.9%。目前隨著硅片質(zhì)量和電池工藝的進步，轉(zhuǎn)換效率已

28、經(jīng)又有很大提高，平均為16.6%。圖5很明顯地表示了通過控制生長界面實現(xiàn)的硅片質(zhì)量的改善。通過降低冷卻速度（利用更低的軸向溫度梯度和生長速率），在成核過程中有可能獲得尺寸更大的晶粒。然而，實際操作時，為提高生產(chǎn)量，大家一般更傾向于偏高的生長速率。但是，較高的溫度梯度同樣需要避免碳化物構(gòu)成成分過冷。碳化物沉淀會引起微晶，并且造成切片和電池分流時斷線。所以，折衷的方法就是在成核階段采用較高的溫度梯度和較低的生長速率。很可惜，這種方法有利于在晶粒競爭階段采用過冷度來選擇<111>晶粒。因為111平面有更多的滑移系統(tǒng)，激活后可以產(chǎn)生位錯8，所以要避免<111>晶粒生長。此外，一

29、旦<111>晶粒出現(xiàn)，在正常的生長速度下(1 cm/h) ，它將占據(jù)主導地位因為它的界面能量更低19.  919395979910110310510710911111311511912112312512712963 3.   控制晶粒和晶界131 65 為了降低位錯的生長速率和亞晶粒的形成，控制成核和最初的晶粒生長至關重要。133Please cite this article as: C.W. Lan, et al., J

30、ournal of Crystal Growth (2012), doi:10.1016/j.jcrysgro.2012.01.007Please cite this article as: C.W. Lan, et al., Journal of Crystal Growth (2012), doi:10.1016/j.jcrysgro.2012.01.0071357911131517192123254C

31、.W.  Lan  et  al.  /  Journal  of  Crystal  Growth    ()  676971737577798183858789912729313335373941434547Fig.  3.   Grain  structure  of &#

32、160;wafers  from  (a)  default  hot  zone;  (b)  hot  zone  II.Fig.   5.   截取不同熱場生成的硅錠的不同位置所制硅片的轉(zhuǎn)換效率9395979910110310510710911111349Fig.  4.  不同熱場的晶粒大小分布.根據(jù)成核理論，

33、成核需要特定的過冷度，并且較快的冷卻速率可以導致較高的過冷度和成核速率。比較常見的鑄錠做法是，利用較快的成核速率生成更多晶粒，結(jié)果是晶粒尺寸便會減小。換做枝晶鑄錠方法4,22，<112> 枝晶生長越快，得到的晶粒就會越大。然而枝晶鑄錠的方法在工業(yè)生產(chǎn)中卻無法一蹴而就27。就硅材料而言，均相成核需要的過冷度溫度要達到420K29,但是含有氮粒子的異相成核一般要遠遠低于20K30,31。所以，在正常的定向凝固1155153555759616365生長中，更合理的方法是，過冷度不必太高，這樣<110>和<112>才會更占優(yōu)勢。 事實上，如同 L

34、eung 和 Kui描述的32，在低于22K過冷度時，通常是 <110>，而不是<112>占據(jù)主導地位。在枝晶鑄錠方法中4,22，112相對占優(yōu)勢，因為 <110>枝晶趨于橫向生長4,22。 我們檢驗了在實驗室條件下，通過控制水流24進行局部冷卻的方法和通過氬氣流16加強冷卻效果的設計，如圖1（a）所示。生產(chǎn)中使用氬氣更簡單也更安全。但是，要想效果更明顯，必須要減少冷卻腔室里的輻射。局部冷卻同樣也可以應用到氬氣冷卻裝置中2325。. 這樣，初步冷卻就可以輕松應用于過冷度，以此得到雙晶密度較高的晶粒。

35、增強的冷卻， 在圖1(a)的裝置里，氬氣流速高達1min/10slpm, 起先主要是112，這預示著<110>枝晶會后來居上16。含有孿晶的區(qū)域也理所當然變大，并且隨著高度上升而增加。雙晶密度較高的晶粒里，位錯密度非常低（約為103 to 104/cm2）。更重要的是，119121123125127129131133C.W.  Lan  et  al.  /  Journal  of  Crystal &

36、#160;Growth    ()  51357911在使用氬氣進行初步冷卻的情況下，軸向晶粒的尺寸隨著生長也會增大（3.54.2mm）。另外，也比較有趣的現(xiàn)象是冷卻速率最快的結(jié)果會產(chǎn)生最大的晶粒；而沒有利用氬氣冷卻的晶粒尺寸一般在2.5mm(頂部)2mm(底部)之間。盡管我們沒有得到Fujiwara等人報告中描述的大枝晶（3cm）4,但是硅片質(zhì)量一直保持優(yōu)良?，F(xiàn)實不像實驗，很難在工業(yè)生產(chǎn)中控制枝晶生長的過冷度環(huán)節(jié)，因為石英壁（3cm）和石墨熱交換臺(10cm)比實驗室中的材料（坩堝壁2mm,石英塊2cm)厚太多。使用擋板、氬氣流和定

37、制的石墨熱交換器控制冷卻速率所取得的效果和實驗室里得到的結(jié)果類似；但重現(xiàn)性仍是個問題。 的確，在工業(yè)生產(chǎn)中，較高的過冷度是非常困難的，因為冷卻速率比實驗室環(huán)境里低太多。另一方面，一旦出現(xiàn)成核，過冷度很快會因為熔解熱釋放而被消耗盡。對于大面積來講，均勻控制過冷度也不簡單。除了熱量傳遞外，氮化物噴涂的表面質(zhì)量也會影響成核過程的過冷度。采用氮化物噴涂時，成核的過冷度可以低至2K30。所以，枝晶生長中能有充足的過冷度確實很困難。6769717375771315171921232527293133在控制成核方面我們做了一些嘗試，通過控制溫度梯度和冷卻速率，還有定制的冷卻墊，我們可以更好地掌控工

38、業(yè)生產(chǎn)爐上的晶粒生長和缺陷。噴涂質(zhì)量的改善也同樣重要。更關鍵的是，和實驗室結(jié)果相近，晶粒尺寸隨著高度、晶粒生長的增加，對減少位錯的生長速率影響很大。此外，如果沒有晶粒生長的(A+錠)，位錯密度會迅速增加，而具有晶粒生長的(A+錠)，位錯的生長則大大減緩。圖6表示了這兩種條件下鑄錠的PCD少子壽命掃描圖。圖6(a) 表示的是A+錠，在凝固的末端，低少子壽命區(qū)更多。然而，A+錠的少子壽命更加均勻。圖7展示了從鑄錠的不同高度截取的硅片的位錯分布，可以看出位于A+錠頂部的硅片，位錯密度非常低，位錯最嚴重的區(qū)域面積小于25cm2。換言之，A+ 錠 的位錯生長速率相當?shù)?。因?/p>

39、，利用A+條件再行裝料是很有益處的。 我們已經(jīng)通過再裝料得到了580kg的硅錠，頂部的缺陷面積小于30 cm2。更重要的是，利用A+硅片制成的電池的轉(zhuǎn)換效率大約在17%（400多片wafer的平均值），而A+硅片的轉(zhuǎn)換效率僅16.7%。79818385878991939597993537Q3      Fig.    6.   Longitudinal  m-PCD    lifetim

40、e    mapping    of    the    ingots    from    two    growthconditions     for     nucleation   

41、;  and     initial     growth     control     having:     (a)     grain     sizedecreased   with

42、0;  height   (A+);  (b)   grain   size  increased   with   height   (A+);   the   redor  yellow  areas  indicate &#

43、160;the  lower  lifetime.  (For  interpretation  of  the  references  to10110339414345474951535557596163color  in  this  gure  legend,  the  reader  i

44、s  referred  to  the  web  version  of  this  article.)10510710911111311511912112312512712913165Q2      Fig.  7.   Defect  mapping  of  

45、; the  wafers   at   different  positions   of  the   ingots  having  two  growth   conditions  for  nucleation   and &#

46、160; initial   growth   control  having:   (a)  grain   sizedecreased  with  height  (A+);  (b)  grain  size  increased  with 

47、0;height  (A+);  the  red  or  yellow  areas  indicate  the  lower  lifetime.Please cite this article as: C.W. Lan, et al., Journal of Crystal

48、60;Growth (2012), doi:10.1016/j.jcrysgro.2012.01.0071336C.W.  Lan  et  al.  /  Journal  of  Crystal  Growth    ()  13579111315171921A+硅片的轉(zhuǎn)換效率分布情況也比較均勻。從底部到頂端，分別是16.72（底），17.02%（中下）

49、，16.97%（中上），17.02%（頂）。這些結(jié)果看上去很有前景，但是112/110晶粒的比例大約只有50%，不如實驗室的數(shù)據(jù)高。另一方面，A+硅片中111晶粒的比例大約為10%，稍微低于A+硅片中14%的111晶粒比例。所以，人們相信軸向過冷度的增大對晶粒競爭中的非111晶粒更為有利21。4K的冷卻度足夠產(chǎn)生動力學控制。我們還嘗試提高開始的冷卻速率，但硅片質(zhì)量并沒有改善，并且碳化物經(jīng)常在開始時沉淀。我們相信這還不是最佳條件。但很明顯的是，隨著對于初始結(jié)晶成核與生長的控制，鑄錠頂部的亞晶粒和位錯簇的比例明顯減少了。所以，從鑄錠到高質(zhì)量硅片的成品率是有很大的上升空間的。  

50、A+硅片 (580 Kg)的缺陷分布也同樣拿來與之做了比較。如圖所示，A+硅片看起來不及籽晶區(qū)硅片好。然而，如果我們通過使生長距離標準化的方法來比較兩者的生長速率，A+硅片中位錯的生長速率就不比籽晶硅片的快了。 我們還使用25塊籽晶（每塊156mm*156mm）試驗鑄錠。獲得的底部籽晶區(qū)域的平均轉(zhuǎn)換效率高于17.5%，整個類單晶錠的轉(zhuǎn)換效率為17%。最近，類單晶硅片因為其較高的轉(zhuǎn)換效率33獲得了越來越多的關注。然而，坩堝壁上位錯和寄生成核的生長也是急需解決的一大問題；從籽晶接縫處產(chǎn)生的初始位錯也是難題。此外，對于大規(guī)模生產(chǎn)來講，籽晶的成本和成品率也都是討論的焦點。

51、不過，使用堿制絨方法加工的類單晶電池的轉(zhuǎn)換效率高達18%。類單晶硅片在市場上已經(jīng)有所銷售，尤其是中國的硅片廠家。類單晶硅片的組件也能得到，60-cell的組件平均轉(zhuǎn)換效率超過250W。因此，有理由相信籽晶鑄錠的方法將會普及，市場占有率會逐步升高。然而，技術(shù)的進步進度取決于缺陷控制的進度。如果位錯的生長速度能夠有效的抑制，使用籽晶生長將變成定向凝固技術(shù)的主流。 6769717375777981838587232527293133353739414.   籽晶生長的確，控制成核與晶粒生長的過冷度是不簡單的，而且這種控制并不精確。有效控制晶粒的一種方法是通過籽

52、晶生長，自生籽晶或者外部籽晶都可以。最近，我們有個提議，利用凹口形坩堝25產(chǎn)出自生籽晶，這樣一來晶粒選擇就可以在凹口內(nèi)部實現(xiàn)控制。這一研究成果是有前途的?？上У氖?，實際操作中會有坩堝破裂的風險。所以我們還測試了使用籽晶的方法，尤其是單晶籽晶33。   圖8所示的是 局部籽晶在不同的生長階段，其晶粒大小和缺陷面積的分布情況；在坩堝的中央放一塊(100)籽晶。如圖，單晶區(qū)域的面積隨著高度增加會逐漸減少。更有，缺陷面積隨著生長距離變大也逐漸增多。然而，不同于多晶硅生長的是，缺陷面積的增加速率，例如位錯簇群，在籽晶內(nèi)部是非常低的。圖9從籽晶到非籽晶區(qū)域所制成的硅片的缺陷面積的發(fā)展。

53、圖中可以看出，在籽晶區(qū)域，位錯的生長更慢，在靠近生長末端的面積大約為12 cm2 。 89919395979910110310510743 ,Fig.   9.   Comparison   of   defect   developments   in   the   wafers   from 

54、  the   seeded   andunseeded  areas.  The  defect  distribution  of  A+ wafers  (580  Kg)  is  also  included  for109454749515355575961

55、63comparison.11111311511912112312512712913165Fig.   8.   Grain   structures   (upper   row)   and   defect   mappings   (lower   row)   

56、;of   the   wafers   from   seeded   growth   at   different   ingot   positions;   the   solid   line   

57、indicates   theseeded  area.Please cite this article as: C.W. Lan, et al., Journal of Crystal Growth (2012), doi:10.1016/j.jcrysgro.2012.01.007133C.W.  Lan  et  al.  

58、;/  Journal  of  Crystal  Growth    ()  71這一技術(shù)的推廣率依賴于缺陷控制方法的進展。如果能有效抑制位錯的生長速率，籽晶生長將會成為DS鑄錠方法的主流技術(shù)。致謝67-35697179115.   總結(jié)與評論 我們討論了太陽能電池有關多晶硅定向凝固技術(shù)中晶?？刂频淖钚逻M展。重點介紹了工業(yè)生產(chǎn)中減緩位錯生長速率的方法。進一步在電池轉(zhuǎn)換效率方面比較了硅片的性能參數(shù)。對于減少坩堝壁和生長末端的等

59、軸晶粒，控制生長界面是平直還是略有凸起是非常關鍵的步驟。同時在減弱熱應力和位錯密度方面也是有幫助作用的。因此，平直的生長界面可以得出轉(zhuǎn)換效率更高的、尺寸更大的晶粒。通過熱場設計進行坩堝隔熱，對實現(xiàn)平直的生長界面非常有效。然而，隨著高度增加，無定向的晶粒會引發(fā)缺陷和次晶迅速生長，這些無定向晶粒含有這份報告受到臺灣科學委員會、中美Si有限公司和國立臺灣大學研發(fā)項目組的大力支持。CWL同樣感激與KN教授進行的枝晶鑄錠和缺陷控制方面的探討。References737577大量的位錯和非共格晶界，從而導致晶粒尺寸減小。亞晶?？梢栽谖诲e簇群或者1315171921232527293133353739414

60、34547495153555759616365非共格晶界處結(jié)晶成核。經(jīng)研究，成核的初始冷卻和晶粒生長的最初控制對于進一步改善以上這些狀況是有用的。通過在坩堝底部進行加強性的瞬時的均勻冷卻或者局部冷卻，在實驗爐可以引導枝晶生長，并且雙晶密度較高的<112> 和<110>晶粒占主導地位。晶粒尺寸和少子壽命也會隨著高度增加而有所改善，這就說明次晶的形成被阻制了。另一方面，作為晶粒競爭的結(jié)果，晶粒尺寸的增長似乎對應力松弛有幫助，而這也減少了位錯的生成。這種理念在工業(yè)爐下實施，隨著高度增加，晶粒遞增，位錯生長減緩；但是枝晶生長不明顯，大概是過冷度太少的原因。低位錯生長率

61、對于高投料（比如再投料）生產(chǎn)的硅錠頂部的質(zhì)量至關重要。實際上，工業(yè)爐由于坩堝熱阻高、熱交換器、大面積噴涂不均勻等原因，控制過冷度非常困難。為進一步控制初始晶粒的生長，還考慮了自生籽晶和使用籽晶生長的方法，結(jié)果很有前景。   最后，雖然通過晶?？刂埔呀?jīng)獲得了高品質(zhì)多晶硅生長技術(shù)的巨大進步，但仍需要進一步改善質(zhì)量與均勻度來減少與單晶硅質(zhì)檢的性能差距。事實上，在這一發(fā)展中，2011年是非常重要的一年。在本文完成之前，通過晶?？刂埔呀?jīng)獲得了多晶500kg硅錠整體平均轉(zhuǎn)換效率達到17.3%的突破。確實，從位錯的生長動力學角度，在晶體生長過程中，降低初始的缺陷密度和壓力是很關

62、鍵的。平行的枝晶生長和籽晶生長在減少初始缺陷密度方面都是有效的。但是，坩堝的應力松弛問題并沒有得到解決，即便進行頂部籽晶是一條出路。由于晶粒競爭和新成核的晶粒，晶粒生長似乎對減緩位錯生長中的應力松弛有一定作用。此外，選擇更有效抵制缺陷和次晶形成的晶向和晶界也很重要。對所有的制晶人來說，如何在大規(guī)模生產(chǎn)中實現(xiàn)這些理論概念，同時降低成本、提升質(zhì)量，仍然是巨大的挑戰(zhàn)。  1   D.   Sarti,   R.   Einhaus,  

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