3.3、多孔材料法

由于多孔坩堝制備技術(shù)要求高，使用過(guò)程容易造成開裂等問(wèn)題。江西賽維2012年首先使用了多孔材料或多晶硅碎片(多晶硅碎片，0.5-2cm大小)雜亂的堆積底部誘導(dǎo)形核，進(jìn)行形核長(zhǎng)晶生長(zhǎng)多晶硅錠，該方法最早地被鑄錠廠家所使用。碎片形核與單晶籽晶具有完全不同的作用機(jī)理。籽晶一般為外延生長(zhǎng)，而多孔碎片法采用的多晶硅碎片即使位錯(cuò)密度高，仍然可以制備出高效多晶硅。鑄錠工藝采用開隔熱籠化料，即固液界面是慢慢往下推移，待硅固液界面剛好化到了多晶硅碎片層或進(jìn)入時(shí)，降低爐內(nèi)溫度并開大隔熱籠，使得熔化變?yōu)樾魏碎L(zhǎng)晶，再隨時(shí)間逐步調(diào)整隔熱籠和溫度，使得多晶硅晶體往上垂直生長(zhǎng)，直到頭部全部結(jié)晶完畢，進(jìn)入退火冷卻。之后中美晶也提出了利用單晶硅或多晶硅碎料鑄造多晶硅的方法，中電48所提出多晶硅碎片剛好融化亦有可能獲得高效多晶硅。國(guó)內(nèi)有多家廠家申請(qǐng)了此類專利，如旭陽(yáng)雷迪、英利等公司，但還未獲得授權(quán)。

圖3 多孔材料形核示意圖

3.4、高效涂層法或高效坩堝法

上述方法在硅錠底部剩余一部分未融化的形核源層，導(dǎo)致鑄錠合格率比較低。因此在研究多孔材料法的同時(shí)，2012年江西賽維就開展了全融法的研究，2012年中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，在業(yè)內(nèi)也是最早使用全融法的。目前也有稱之為高效涂層法或高效坩堝法。

在涂層中加入石英粉、硅粉或則碳化硅等材料，也有人在坩堝底部植入石英砂，再在上面噴涂一層氮化硅。由于上述材料的浸潤(rùn)角大，形核功小，有利于硅熔體迅速形核，形成大量的晶核，生長(zhǎng)出細(xì)小均勻的晶粒，該方法簡(jiǎn)單便捷，易于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。但石英會(huì)與融硅發(fā)生反應(yīng)，從而在硅錠中引入氧從而造成電池效率的衰減，并引起嚴(yán)重的粘鍋裂錠等。目前部分坩堝廠家采用了這種方法，并有逐步被植硅坩堝淘汰的趨勢(shì)。植硅坩堝是在涂層中加入具有形核功能的硅粉，或則在坩堝底部植入硅顆粒再噴涂一層氮化硅。賽維最早實(shí)現(xiàn)了該方法的大規(guī)模應(yīng)用，具有操作簡(jiǎn)單，工藝穩(wěn)定，晶體位錯(cuò)低等優(yōu)點(diǎn)。2014年Wong等利用硅粉和石英粉，制備了高效坩堝涂層，得到了高效多晶硅錠。目前江西中材等坩堝廠家已經(jīng)有該坩堝量產(chǎn)。

圖4 高效坩堝

3.5、微晶形核法

由于以上方法形核質(zhì)量不穩(wěn)定，江西賽維開始研究使用微晶材料如微晶硅、不定性硅、微晶硅玻璃等作為誘導(dǎo)形核層，目前該方法使用非常廣泛。由于普通鑄造多晶硅枝晶迅速成核的緣故，形核應(yīng)力大，初始位錯(cuò)多，而且晶粒大，一旦有位錯(cuò)則在整個(gè)晶體中迅速擴(kuò)展。基于此首先提出了“微晶形核”的理論。原生多晶硅實(shí)際上是微晶或非晶硅，利用原生多晶硅的微觀上的近程有序產(chǎn)生大量微觀上細(xì)小的晶核，使得晶粒進(jìn)一步變小，使得位錯(cuò)更加容易滑移出去，在晶界處消失。該方法的原理也被很多研究單位誤讀，認(rèn)為顆粒尺寸決定了形核效果，實(shí)際上使用大塊的原生多晶硅亦能取得良好的形核作用。2014年Y.T.Wong等使用了圓顆粒料來(lái)鑄造高效多晶硅，可以比較穩(wěn)定地制備高效多晶硅。

四、鑄造高效多晶硅錠及硅片

綜合應(yīng)用以上形核方法，結(jié)合熱場(chǎng)改進(jìn)優(yōu)化、工藝控制、位錯(cuò)控制等技術(shù)。江西賽維(M系列)，中美晶(A3+)，協(xié)鑫(S系列)，南玻(HP)等相繼推出了小晶粒高效多晶硅片，最近賽維M4效率在韓國(guó)現(xiàn)代的效率取得新高，比M3高出0.37%。目前市場(chǎng)上90%以上高效硅片為小晶粒高效硅片。光伏市場(chǎng)進(jìn)入了高效多晶硅片大規(guī)模應(yīng)用時(shí)代。中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)江西賽維的工作給予了高度評(píng)價(jià)：“項(xiàng)目率先推出了小晶粒的高效多晶硅片，在推動(dòng)了光伏行業(yè)進(jìn)入‘高效多晶硅片’應(yīng)用時(shí)代過(guò)程中起到了重要作用，降低了光伏發(fā)電成本，有效提升我國(guó)光伏產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，也打破了光伏技術(shù)“兩頭在外”的傳統(tǒng)誤識(shí)!”

圖5 普通多晶硅、M2、M3硅錠少子壽命圖

圖6 普通多晶硅、M2、M3硅片PL圖

五、鑄造多晶硅的研究方向

高效鑄造多晶硅還存在一些問(wèn)題，相比于單晶硅轉(zhuǎn)換率還有一定的提升空間。未來(lái)高效多晶硅的發(fā)展主要集中在N型多晶硅片，滿足PERC電池用的低衰減的多晶硅片，零黑邊的多晶硅片等。另外解決了頭部位錯(cuò)增殖和靠坩堝邊緣低效的問(wèn)題，鑄造類單晶仍然有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>