引言

隨著光伏行業的迅猛發展，多晶硅電池憑借其較高的性價比一直占據光伏市場的主導地位[1]。但在多晶鑄錠工藝過程中由于鑄錠工藝的局限性，使得硅晶體存在位錯、晶界、氧化物等缺陷，這些缺陷成為少數載流子的負荷中心，降低了光生載流子的壽命，從而影響電池的轉換效率[2]。如何為電池生產提供轉換效率更高、質量更穩定的硅片一直是行業研究的熱點。

1、鑄錠技術原理

多晶硅鑄錠技術的好壞是影響電池轉換效率的重要因素。在鑄錠工藝環節采用的主要技術是定向凝固法，其核心是利用雜質在固相和液相中分凝系數不同達到排雜提純目的[3-5]。
以GTSolar公司為代表的鑄錠爐示意圖如圖1所示（DS指熱交換塊）。主要運行步驟包括加熱、化料、長晶、退火和冷卻。即采用石墨加熱器加熱，使硅料達到熔點后，打開隔熱籠，熱量從底部散失，晶體硅在坩堝底部形核，通過控制液固界面的溫度梯度，使晶體向上生長，形成多晶柱狀晶。法國ECM公司設備結構如圖2所示，加熱階段采用三區六面加熱，長晶過程通過打開底部熱門散熱，此設備的優勢是能通過精確控制溫度從而控制固液界面形狀，提純效果好。

2、鑄錠技術發展現狀

　　2.1高效多晶用籽晶研究進展

高效多晶硅半熔鑄錠過程中如何保留住籽晶是關鍵。目前普遍使用的籽晶類型有異質形核和同質形核兩種類型。異質形核有SiC、SiO2、Si3N4、C顆粒等。同質形核的硅質材料主要有碎硅片、硅顆粒和硅粉等。戚鳳鳴等[6]采用不同粒徑的單晶籽晶鑄錠高效多晶硅錠，得出粒徑范圍在1mm～4mm引晶效果最好，粒徑大于4mm或粒徑小于1mm時，晶體中位錯密度都偏高導致少子壽命降低。權祥等[7]研究硅粉、硅顆粒和碎硅片３種籽晶對引晶效果的影響，得出采用硅粉籽晶生長硅晶體晶粒均勻性最好，并能提高整錠電池效率。朱笛笛等[8]得出0.154mm粒徑范圍的多晶硅顆粒籽晶的引晶效果好，并能提高電池的光電轉換效率。晶澳太陽能的黃新明等[9]用Si3N4包覆SiC-SiO2復合顆粒鋪設在坩堝底部作籽晶，能顯著降低硅錠中下部的氧含量。常州天合的康海濤等[10]用兩面均涂有硅氧層-硅氮層的單晶硅片，誘導形核來抑制位錯，降低多晶硅材料體內缺陷。籽晶料種類見圖3。

　　2.2高效坩堝研究進展

采用高效坩堝也是提升硅片質量的有效途徑。周海萍等[11]采用Si3N4涂層改性石英顆粒輔助生長柱狀多晶硅晶粒，獲得了均勻細小的多晶硅晶粒，有效降低了多晶硅缺陷密度，提高了電池的光電轉換效率。沈維根等[12]在坩堝底部分別制備硅粉、無機陶瓷膠的混合物涂層和氮化硅粉、無機硅溶膠、去離子水的混合物涂層，制成的太陽能電池轉換效率也得到提升。王梓旭等[13]發現采用摻鋇高純隔離層能有效阻擋雜質污染硅錠，改善鑄錠中的邊部紅區，提高硅錠整體質量。

　　2.3鑄造單晶技術

鑄造準單晶硅由于其生產成本低于直拉單晶，其太陽電池的轉換效率高于傳統鑄造多晶硅，一直是光伏行業研究的熱點。鑄造單晶是在坩堝底部鋪設特定晶向的籽晶，加熱使部分籽晶熔化，從而生長出特定晶向的大晶粒、小晶界缺陷少的硅錠，切片后得到類似于單晶的大晶粒硅片,在不明顯增加硅片成本的前提下，電池效率能提升0.5%以上。

2006年，BPSolar公司推出該技術MOMO2TM，近幾年該方法成為鑄錠技術的研究熱點。在國內，研究的主要公司有晶澳、昱輝陽光、常州天合、保利協鑫、安陽鳳凰光伏、江西賽維等。晶澳太陽能公司率先推出該技術，黃新明等[14]統研究了超大晶粒準單晶鑄錠，研究的準單晶鑄錠技術制成的“晶楓”電池最高轉換效率達19%以上。江西賽維的陳紅榮等[15]過在坩堝底部鋪設籽晶，提供了一種準單晶硅片的制備方法及準單晶硅片，并申請了專利。中國電子科技集團公司第二研究所的侯煒強[16]過改進鑄錠爐的結構和對工藝優化，形成的準單晶技術，促進了鑄錠工藝的進步。常州天合的劉依依等[17]單晶硅中摻雜有Ga、B、Ge三種元素，降低硼氧復合體的產生，從而降低了電池的光致衰減；同時提高了電池片的機械強度。江蘇協鑫[18]通過在多晶硅鑄錠爐的坩堝和石墨護板之間設置在鑄錠過程中抑制坩堝外表面的SiO2和石墨護板中的C發生反應的隔離層；使用所述多晶硅鑄錠爐通過定向凝固法鑄造多晶硅或準單晶硅。

　　2.4熱場優化與數值模擬

數值模擬為更好地理解熔體凝固過程中的傳熱傳質及溫場、流場的分布提供了有力的工具，已成為光伏學術界和產業界的重要研究和開發手段。用軟件研究固液界面形狀、等溫線、軸向溫度分布及冷卻量對生長環境的影響。得出冷卻速率的最佳值范圍5W/m2～15W/m2。晶體軸向溫度梯度增大約1.72K/cm，可促進大晶粒的生長。模擬軟件優化了鑄錠爐內部坩堝形狀，得出將坩堝底面由平底結構改進為凸底結構，可有效解決中心區域結晶過早、邊角區域結晶過慢產生的問題。鑄錠爐熱場改造并進行模擬，得出改進后的熱場，硅熔體結晶的軸向溫度梯度增加了大約2K/cm，更有利于柱狀晶的生長，同時硅熔體對流強度增大，有利于抑制結晶界面細晶的產生。

3、鑄錠技術發展方向

鑄錠工藝發展的主要趨勢是提升最終電池的轉換效率和降低生產制造成本，在未來的發展中主要是以下幾個方向：

a)在高效半熔工藝基礎上加大對籽晶的保護，努力做到籽晶保留面積達到100%，提高整錠電池效率0.1%左右；

b)通過共摻雜技術，解決多晶電池的光衰問題，為提升電池效率的PERC工藝奠定基礎；

c)鑄造更大尺寸的多晶硅錠也是未來發展的方向，G8鑄錠爐的單爐投料量可達1500kg～1600kg，單位產能可達16kg/h，其更高的性價比為多晶產品在光伏行業中占主導地位提供可靠保證；

d)鑄錠單晶以其成本低于直拉單晶、電池效率高于普通多晶一直備受關注，依然是鑄錠工藝研究的的重要方向。

4、結語

隨著光伏行業的發展，多晶鑄錠工藝環節有了很大進步，通過優化晶體生長工藝和使用高效坩堝來降低晶體缺陷是一種重要途徑；鑄造單晶技術的研究也促進了鑄錠技術的發展；隨著計算機硬件和軟件技術的進步，計算機模擬技術對分析鑄錠爐熱場、流場及傳質方面起到了重要作用。未來鑄錠技術的發展主要是硅錠尺寸要不斷增大來降低加工成本；在籽晶保護方面還要力爭做到100%；通過鑄錠單晶技術提高電池轉換效率依然是未來鑄錠技術研究的熱點