下一代硅片技術(shù)和發(fā)展趨勢

1、張輝張輝 清華大學(xué)工程物理系清華大學(xué)工程物理系鄭麗鄭麗麗麗 清華大學(xué)航天航空學(xué)院清華大學(xué)航天航空學(xué)院第七第七屆中國太陽級硅及光伏發(fā)電屆中國太陽級硅及光伏發(fā)電研討會（研討會（CSPV7）2011年年7月月4-6日日第一代鑄錠技術(shù)第一代鑄錠技術(shù)硅液在坩堝或無坩堝硅液在坩堝或無坩堝狀態(tài)下凝固。熱流從狀態(tài)下凝固。熱流從側(cè)面和底部同時流出。側(cè)面和底部同時流出。晶向中間部分垂直向晶向中間部分垂直向上，邊部水平或偏垂上，邊部水平或偏垂直方向。界面不可控。直方向。界面不可控。SolarexSolarex曾是最大太曾是最大太陽能硅公司，后被陽能硅公司，后被bpbp收購變?yōu)槭召徸優(yōu)閎p solar bp sola

2、r 美國，去年關(guān)閉。美國，去年關(guān)閉。EMCEMC硅片可以制成高硅片可以制成高效電池，如京瓷可以效電池，如京瓷可以把把EMCEMC電池效率做到電池效率做到18.5%18.5%（背電池工藝）（背電池工藝）美國美國GT DSS450HP/DSS650GT DSS450HP/DSS650（G5G5）德國德國ALD ALD SCU450/SCU800SCU450/SCU800紹興精功紹興精功JJL500/JJL660/JJL800JJL500/JJL660/JJL800（G G6 6）北京京運通北京京運通 JZ460/JZ660JZ460/JZ660（G G6 6）第二代鑄錠技術(shù)第二代鑄錠技術(shù)法國法國C

3、yberstar650/800Cyberstar650/硅鑄錠：硅鑄錠：工藝實現(xiàn)工藝實現(xiàn)（JJL500JJL500為例為例原理原理: : 移動下絕熱板，通過開口與冷壁熱交換 通過增大開口或降低加熱器功率產(chǎn)生定向凝固要求要求：界面平或微凸，液相溫梯較大，液硅流動強（多晶鑄錠），雜質(zhì)少，應(yīng)力低。關(guān)鍵技術(shù)：關(guān)鍵技術(shù)：溫度梯度及凝固速度控制(TC1及開口工藝)、界面形狀 (爐子設(shè)計)、成核或單晶控制(晶粒、晶相)、流動控制(碳污染)各種硅鑄錠各種硅鑄錠提隔熱絨通過提隔熱絨通過輻射降溫凝固輻射降溫凝固DSS450/650，JZ460/660通過內(nèi)設(shè)冷源通過內(nèi)設(shè)冷源進行冷卻凝固進行冷卻凝固沒有運動部件沒有

4、運動部件SCU450/800降下?lián)醢逋ㄟ^輻降下?lián)醢逋ㄟ^輻射降溫凝固射降溫凝固JJL500/660/800另外：歐美日廠家如另外：歐美日廠家如REC（ALD改進型），Schott Solar （VGF），京瓷（VGF類型）都有專門設(shè)計的爐子，效果很好。都有專門設(shè)計的爐子，效果很好。設(shè)計優(yōu)點：爐子高度低，熱冷區(qū)分開，頂部預(yù)留氣路控制空間，底部可以做成核控制或進行單晶鑄錠設(shè)計優(yōu)點：爐子小，熱冷區(qū)分開，底部可以做成核控制或進行單晶鑄錠加熱器絕熱材料熱交換臺熱交換臺 護板坩鍋硅液固體硅絕熱材料熱交換臺熱交換臺 護板坩鍋硅液固體硅化料加熱，凝固降溫冷卻加熱器絕熱材料熱交換臺熱交換臺 護板坩鍋硅液固體硅設(shè)計

5、優(yōu)點：頂蓋氣路控制，可開爐進行單晶鑄錠第二第二代多晶鑄錠技術(shù)代多晶鑄錠技術(shù)特點特點第二代第二代爐子的特點包括：爐子的特點包括：n底部大熱交換臺（底部大熱交換臺（被動式的被動式的）。）。熱流從底部排出。其中包熱流從底部排出。其中包括括HEMHEM方法，方法，DSSDSS方法，方法，ALDALD方法。雖然設(shè)計不同，但方法。雖然設(shè)計不同，但理念大理念大體一致體一致。都是讓側(cè)面熱流減小，底部熱流增大。傳統(tǒng)。都是讓側(cè)面熱流減小，底部熱流增大。傳統(tǒng)HEMHEM通通過底部通氬氣冷卻，過底部通氬氣冷卻，DSSDSS通過底部輻射換熱，通過底部輻射換熱，ALDALD通過底部通過底部水冷。都是被動冷卻。水冷。都是被

6、動冷卻。n爐子分為上下兩個區(qū)爐子分為上下兩個區(qū)，上部加熱（側(cè)面或頂部或同時上部加熱（側(cè)面或頂部或同時），），底部冷卻底部冷卻（通過開口進行水冷，（通過開口進行水冷，可有下加熱器可有下加熱器）n上部氣路控制，包括頂蓋設(shè)計上部氣路控制，包括頂蓋設(shè)計n控制系統(tǒng)基本上的工藝設(shè)定控制系統(tǒng)基本上的工藝設(shè)定+ +加熱器的溫度或功率控制加熱器的溫度或功率控制16759001200150016751685169016951700 SiO2+3C=SiC+2CO (坩堝坩堝護板及石墨件上沉積的護板及石墨件上沉積的SiO2） SiC + SiO2 = SiO + CO CO 被帶回液面，分解并流被帶回液面，分解并流

7、動到界面動到界面 碳雜質(zhì)或碳化硅被界面吞噬碳雜質(zhì)或碳化硅被界面吞噬向上的力向上的力向下的向下的力力l碳雜質(zhì)碳雜質(zhì)主要主要在化料階段在化料階段l生長區(qū)產(chǎn)生正壓生長區(qū)產(chǎn)生正壓l外部氣流需通暢外部氣流需通暢碳雜質(zhì)原理碳雜質(zhì)原理解決方法解決方法硅鑄錠硅鑄錠熱場熱場優(yōu)化優(yōu)化( (降碳降碳) )Ma, X., Zheng, L.L., Zhang, H., Zhao, B., Wang, C., Xu, F.H., 2010, “Thermal System Design and Optimization of an Industrial Silicon Directional Solidificatio

8、n Processes.” Journal of Crystal Growth, Vol. 318, pp. 288-292.導(dǎo)致該區(qū)域流動制止導(dǎo)致該區(qū)域流動制止XY-0.4-0.3-0.2-0.100.30.40.50.6siliconsio2Frame 001 23 Jun 2011 fluent6.3.26XY-0.4-0.3-0.2-0.100.30.40.50.61siliconsio2Frame 001 23 Jun 2011 fluent6.3.26化料化料時（加熱器器溫度高）時（加熱器器溫度高）長晶長晶時（加熱器溫度低）時（加熱器溫度低）硅鑄錠硅鑄錠熱場熱場優(yōu)化優(yōu)化( (降碳降

9、碳) )進口速度約為進口速度約為1cm/s, 遠小于加熱器產(chǎn)生的自然對流，這樣需要遠小于加熱器產(chǎn)生的自然對流，這樣需要很好的流場匹很好的流場匹配配，保證在化料和生長過程中保證在化料和生長過程中，都能獲得好的氣流都能獲得好的氣流結(jié)構(gòu)，把雜質(zhì)帶出腔體結(jié)構(gòu)，把雜質(zhì)帶出腔體準(zhǔn)單晶準(zhǔn)單晶鑄錠起源（鑄錠起源（20082008年結(jié)果）年結(jié)果）BP SolarBP Solar單晶鑄錠單晶鑄錠技術(shù)技術(shù) - - 轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化效率接近單晶提拉效率接近單晶提拉錠錠：采用采用開爐化開爐化料保護料保護籽晶（應(yīng)該有能耗和時間問題）籽晶（應(yīng)該有能耗和時間問題）Casting Single Crystal Silicon: Nov

10、el Defect Profiles from BP Solars Mono2 STODDARD Nathan ; BEI WU ; WITTING Ian ; WAGENER Magnus ; PARK Yongkook ; ROZGONYI George ; CLARK Roger , Solid state phenomena B1012-0394 Growth Rate: up to 20 kg/hLight elements concentrations: C = 4*1016 4*1017 atoms/cm3 O = 1 6*1017 atoms/cm3 N = 1*1015 at

11、oms/cm3Mono2 TM Screen Print Cell Process: Average Efficiency: 16.7% Highest Efficiency: 18.3%Pictures are provided by Nathan 高效超薄電池高效超薄電池130微米微米后來達到了后來達到了19%晶澳晶澳 Maple昱輝昱輝Virtue Wafers晶相控制晶相控制 ( (電池平均效率約電池平均效率約17.5%) )晶晶相相控制鑄錠控制鑄錠準(zhǔn)準(zhǔn)單晶鑄錠單晶鑄錠單晶單晶鑄錠鑄錠目前國內(nèi)外能生產(chǎn)目前國內(nèi)外能生產(chǎn)準(zhǔn)單晶準(zhǔn)單晶的至少有的至少有十十幾幾家。使用包括家。使用包括JJL，A

12、LD， GT，JYT改改裝的爐子，也有專裝的爐子，也有專門設(shè)計的爐子。門設(shè)計的爐子。影響效率的主要因素影響效率的主要因素 晶相控制和控制率晶相控制和控制率 位錯密度位錯密度 碳氧濃度和雜質(zhì)分布碳氧濃度和雜質(zhì)分布 紅區(qū)問題紅區(qū)問題影響生產(chǎn)陳本因素影響生產(chǎn)陳本因素 籽晶回收籽晶回收 鑄錠時間鑄錠時間側(cè)邊問題側(cè)邊問題側(cè)邊問題側(cè)邊問題側(cè)邊問題側(cè)邊問題GT 結(jié)果結(jié)果BP 結(jié)果結(jié)果JJL 結(jié)果結(jié)果晶相控制電池晶相控制電池效率相關(guān)問題效率相關(guān)問題韓國錠（展會）韓國錠（展會）n多晶區(qū)與固定側(cè)加熱有關(guān)，導(dǎo)致側(cè)面溫度梯度，若能在側(cè)面形成向上溫度梯度，多晶區(qū)與固定側(cè)加熱有關(guān)，導(dǎo)致側(cè)面溫度梯度，若能在側(cè)面形成向上溫度

13、梯度，可抑制側(cè)面成核，形成全單晶。如用可抑制側(cè)面成核，形成全單晶。如用Bridgman法生長單晶硅，不會在壁面產(chǎn)生法生長單晶硅，不會在壁面產(chǎn)生多晶。多晶。全單晶鑄錠是完全可行的！全單晶鑄錠是完全可行的！n化料與生長的對立與統(tǒng)一：化料過程需要高溫和強對流，生長初期需要穩(wěn)定邊化料與生長的對立與統(tǒng)一：化料過程需要高溫和強對流，生長初期需要穩(wěn)定邊界層和大過冷度（利于界層和大過冷度（利于100方向生長）。解決不了這個問題就不能方向生長）。解決不了這個問題就不能解決長晶時間解決長晶時間（大梯度或下加熱）、能耗（閉爐化料）和晶體質(zhì)量（大梯度或下加熱）、能耗（閉爐化料）和晶體質(zhì)量（100晶相控制）的對立晶相控

14、制）的對立。晶相晶相控制控制鑄錠鑄錠(2011)(2011)多晶多晶區(qū)區(qū)精功早期錠精功早期錠側(cè)加側(cè)加熱器熱器問題？問題？全單晶全單晶多晶鑄錠多晶鑄錠改造為單晶鑄錠改造為單晶鑄錠HEMHEM爐子的原型爐子的原型是藍寶石大單晶是藍寶石大單晶鑄錠鑄錠爐。爐。19721972年，年，F(xiàn)rederick Frederick SchmidSchmid專利專利，可制備單晶可制備單晶。DSSDSS爐子制備準(zhǔn)單晶技術(shù)由爐子制備準(zhǔn)單晶技術(shù)由BP BP SolarSolar開發(fā)，并擁有專利（目前成為開發(fā)，并擁有專利（目前成為AMG Idealcast AMG Idealcast SolarSolar）。ALDALD

15、原型原型是葉片單晶鑄錠是葉片單晶鑄錠，具備，具備單晶鑄錠能力。單晶鑄錠能力。多晶鑄錠爐都可通過多晶鑄錠爐都可通過開口化開口化料控制籽晶融化（控制料控制籽晶融化（控制TC2TC2），電），電池效率高，但化料時間長；也可閉爐化料，需要插棒或用界池效率高，但化料時間長；也可閉爐化料，需要插棒或用界面檢測設(shè)備，優(yōu)點是時間短，缺點是電池效率低。面檢測設(shè)備，優(yōu)點是時間短，缺點是電池效率低。第第三代單晶硅三代單晶硅錠錠制備研發(fā)制備研發(fā)第三代硅錠是第三代硅錠是控制控制型準(zhǔn)單晶或全單晶鑄錠型準(zhǔn)單晶或全單晶鑄錠方法方法。大體采。大體采用修正型用修正型BridgmanBridgman方法或修正型方法或修正型VGFV

16、GF（Vertical Vertical Gradient FreezeGradient Freeze）方法。這些技術(shù)已成功用于光學(xué)晶體）方法。這些技術(shù)已成功用于光學(xué)晶體生長和半導(dǎo)體晶體生長。第一代是傳統(tǒng)鑄錠技術(shù)，第二生長和半導(dǎo)體晶體生長。第一代是傳統(tǒng)鑄錠技術(shù)，第二代是定向鑄錠技術(shù)，第代是定向鑄錠技術(shù)，第三代是晶體生長三代是晶體生長技術(shù)。技術(shù)。晶體生長晶體生長需要控制籽晶熔化，溫度梯度需要控制籽晶熔化，溫度梯度、界面、界面形狀。最終實現(xiàn)單形狀。最終實現(xiàn)單晶生長晶生長，降低位錯，控制濃度，降低位錯，控制濃度。上加熱器上加熱器石墨石墨坩堝坩堝硅液硅液硅錠硅錠熱流控制器熱流控制器可變可變溫度溫度梯度

17、梯度區(qū)區(qū)絕熱材料絕熱材料控制熱流法（控制熱流法（CHFMCHFM） 精功精功CHFM原理圖原理圖熱流控制器有各種設(shè)計，如熱管技術(shù)熱流控制器有各種設(shè)計，如熱管技術(shù)優(yōu)點：控制熱流和內(nèi)部優(yōu)點：控制熱流和內(nèi)部流動，營造小流動，營造小環(huán)境環(huán)境SINTEF，Norway. JCG 318(2011)京瓷京瓷專利專利BP專利專利控制熱流法（控制熱流法（CHFMCHFM） 太陽能硅制備技術(shù)比較太陽能硅制備技術(shù)比較提拉法提拉法鑄錠、類單晶鑄錠、類單晶直接硅片技術(shù)直接硅片技術(shù)生長速度生長速度 (cm/h)4.5-9.01 個錠個錠1.2-1.816 , 25, 36錠錠約約1秒秒1個硅片個硅片尺寸尺寸(cm)6-

18、英寸69x69, 84x84, 100 x100 100,125,和150mm2硅片結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單晶多晶、準(zhǔn)單晶準(zhǔn)單晶、單晶多晶硅料需求硅料需求高低中電池效率電池效率17-2216-20.215-16.5注注到極限熱點再突破再突破10多年前多年前美國晶體生長會議上，本人（代表硅管技術(shù)）、藍崇美國晶體生長會議上，本人（代表硅管技術(shù)）、藍崇文（代表提拉單晶技術(shù)）、文（代表提拉單晶技術(shù)）、Mohan Chandra（代表鑄錠技術(shù)）（代表鑄錠技術(shù)）進行同場展示，鑄錠技術(shù)暫時領(lǐng)先，進行同場展示，鑄錠技術(shù)暫時領(lǐng)先，將來發(fā)展將來發(fā)展還不能斷定。還不能斷定。A用激光槍把硅管從中切開，用激光槍把硅管從中切開，硅管可

19、以像紙一樣展開。硅管可以像紙一樣展開。再用印刷技術(shù)制備大面積再用印刷技術(shù)制備大面積的的太陽能電池太陽能電池(EFG)快速快速生長；減小切割損失生長；減小切割損失NOT “RGS，LASS（Low Angle Silicon Sheet), MW (Molded Wafer), DW (Direct Wafer) , RAFT”需解決的關(guān)鍵問題：需解決的關(guān)鍵問題：快速快速生長液生長液橋橋穩(wěn)定性，晶粒，雜質(zhì)穩(wěn)定性，晶粒，雜質(zhì)第第四四代：代：薄薄硅片生長和一體化硅片生長和一體化Sun, D., Wang, C. L., Zhang, H., Mackintosh, B., Yates, D., an

20、d Kalejs, J., 2004, “A Multi-block Method and Multi-grid Technique for Large Diameter EFG Silicon Tube Growth,” Journal of Crystal Growth 266, 167-174.硅片生長技術(shù)硅片生長技術(shù)很多非常好的水平生長很多非常好的水平生長技術(shù)在發(fā)展過程中被淘技術(shù)在發(fā)展過程中被淘汰了，大多不是因為技汰了，大多不是因為技術(shù)原因。是重新審視這術(shù)原因。是重新審視這些技術(shù)，并進行再創(chuàng)新些技術(shù)，并進行再創(chuàng)新的時候了。的時候了。美貸款美貸款1.5億億美元助美元助1366 Techn

21、ologies發(fā)展發(fā)展太陽能硅片技術(shù)太陽能硅片技術(shù)“U.S. Energy Secretary Steven Chu announced the offer of a conditional commitment for a $150 million loan guarantee to 1366 Technologies, Inc. for the development of a multicrystalline wafer manufacturing project. The project will be capable of producing approximately 700 to 1,000 megawatts (MW) of silicon-based wafers annually using a revolutionary manufacturing process called Direct Wafer.