太阳能级单晶硅铸造技术研究进展
随着常规能源日益枯竭、环境问题不断加剧，世界各国对可再生能源进行了大量的研究，并把大力发展新能源和可再生能源作为重振经济的重要途径。正因如此，太阳能光伏以其环保、高储量、安全及潜在的经济性成为大家所关注的焦点。在德国削减光伏补贴的预期下，中国硅片出口猛增，导致国内市场供应出现缺口，硅片价格因此大涨，不过，专家分析认为多晶硅价格仍会有回落。故而，降低原料制造成本是维持光伏行业稳步发展的重点。
硅基薄膜电池设备投资高、系统成本没有优势等因素，导致其无法进一步扩大市场占有率；化合物薄膜电池的微量元素来源问题及环境污染问题，使其也无法继续扩大市场占有率；最重要的是多晶硅成本的大幅降低，从根本上抑制了薄膜电池的发展。目前，单晶硅电池市场占有率为35%，多晶硅电池市场占有率为40%。预计上述状况还会持续很长一段时间。
■ 文/李宏军 董海成 朱 旭 张愿成 张滢清 李红波
上海太阳能工程技术研究中心有限公司
鉴于铸造多晶硅产量大以及单晶
硅电池转换率高的各自优点，许多厂家
提出了一种新的单晶硅生长技术——
铸造单晶硅技术。铸造单晶硅技术是一
种新型的单晶生长方式，这种方法采用
与多晶铸锭炉类似的设备进行单晶硅
的生长。铸造单晶硅的基本工艺过程是
将硅熔体从石英坩埚底部开始缓慢冷
却生长成一个单晶的方锭，而铸造单晶
硅工艺与传统多晶硅铸锭工艺最大的
不同在于铸造单晶硅工艺需要在石英
坩埚底部排列一层籽晶，这种技术既具
有单晶硅材料低缺陷、高转换效率的优
点，又具有铸锭技术高产量、低能耗、低
光致衰减的优点。
一、国内外铸造单晶硅研究现状
2006年，美国BP Solar公司宣布
发明了一项新的太阳能电池用单晶
硅生长技术，他们将此单晶硅称为
“Mono2”。美国BP Solar公司用类似于
制造多晶硅的方法生产出具有单晶硅
特征的“准单晶”来，并将由“准单晶”制
成的电池组件装在美国加州0.5MW的
试验电站。2009年，浙江大学杨德仁教
授研究了在掺氮和掺锗2种条件下，由
定向凝固炉诱导生长单晶硅的实验，
见图1。浙江大学的单晶硅铸造过程和
多晶硅铸造基本相同，即将籽晶铺满
坩埚底，装好多晶硅料，加热至籽晶半
熔、多晶硅全熔时做热交换定向凝固，
在实验过程中采用通氮气或者掺入锗
改变铸造单晶硅性能的方法。由于锗
和硅是等价元素，锗的掺入不影响铸
造单晶硅的电学性质；同时，由于硅
和锗的原子半径比不同，锗引入硅晶
格中处于替位位置产生应力场，可以
阻止晶格位移，既降低了位错密度，又
能抑制位错的滑移，从而提高了铸造
单晶硅的机械强度。此外，浙江大学还
利用向炉内通入氮气，通过掺氮来控
制单晶硅的位错密度。
杨德仁教授还认为，柱状大晶粒
多晶硅可以有效降低材料中的晶界密
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度，基本消除了当前普通铸造多晶硅中由于晶界导致电池效率降低的问题。取向相同的晶粒使高效的碱制绒技术能被应用，从而提高电池对光的吸收效率。此外，常州天合光能有限公司也进行了多次铸锭炉生成单晶硅的实验。
二、铸造单晶硅与直拉法单晶硅及铸造多晶硅的比较
一般通过直拉法（C Z）或区熔法（F Z）生产的太阳能级单晶硅，在处理中均产生晶体硅的圆柱形晶棒。对于C Z法，所述晶棒可从熔融硅池中缓慢拉出；对于F Z法，固体材料通过熔融区进料并在熔融区的另一侧重新固化。按这些方式制造的单晶硅包含径向分布的杂质和缺陷，例如线缺陷、氧致堆垛层错（OSF）环和间隙的“漩涡”缺陷或空位簇，即便如此，C Z法仍被用于主要的单晶硅生长，因为其可以用来制作高效的太阳能电池。但是在成本上，对于现在光伏行业的情形而言，CZ法太过昂贵了。
对于铸造多晶硅而言，简单来说，就是熔融硅被容纳在石英（或陶瓷）坩埚中，并通过控制的方式冷却，从而使其中的硅结晶。通常，将得到的多晶硅块切成截面与用来制造太阳能电池晶片相同尺寸的砖，并用线切割加工成晶片，这种方式生产的多晶硅为晶粒的团聚，在此种晶片之内，晶粒彼此间的取向实际上是随机的。
常规的多晶硅中，晶粒的随机取向使其难以对所得到的晶片表面进行纹饰。纹饰用于通过减少光反射和提高透过电池表面光能的吸收来提高电池效率。此外，多晶硅晶粒之间边界（晶界）上形成的“扭折”倾向于以簇或位错线形式成为结构缺陷的核，这些位错和位错的吸杂效应会引起多晶硅制成的电池中载流子快速复合，从而导致电池
效率降低。然而，由于多晶硅成本较低，
电池加工过程中能够发生有效地缺陷
钝化，其已普遍应用于太阳能电池。
1.铸造单晶硅和多晶硅的强度对比
如图2所示，
（a）图中的多晶硅晶
片出现了很多花纹，而（b）图中的铸造
单晶硅晶片则明显很少有花纹，只是隐
约有条竖的条纹，这是由于晶片表面的
晶粒取向不同，导致其光线的吸收强弱
以及反射方向存在差异，出现了明暗不
等的条纹，且在经过镀膜以后，电池片
上的花纹会更加明显（图3）。相对于多
晶硅来说，铸造单晶硅的优点在于大
（a）铸造单晶硅电池 （b）多晶硅电池
图3 两种晶片制成的电池形貌对比
（a）多晶硅晶片（b）铸造单晶硅晶片图片来源:杨德仁在第二届中国光伏发电研讨会上的论文图示。
图1 定向凝固炉诱导生长单晶硅实验示意图
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大降低了缺陷密度，晶界更少，从而提高了少子寿命；相对于C Z单晶硅来说，铸造单晶硅的效率有点偏低，机械强度稍低，却有更低的光衰减现象、产量大等优点。
美国BP Solar公司曾经在美国加州建造0.5M W的铸造单晶硅太阳能电站，该公司对铸造单晶硅制成的电池进行了一系列的室内热力循环、拉力等可靠性测试，其测试的结果表明，在电池片厚度为200μm的条件下，铸造单晶电池片具有良好的稳定性。
2.铸造单晶硅电池和直拉法单晶硅电池的光致衰减对比
CZ单晶硅中含有间隙氧浓缩物，而铸造单晶没有，所以铸造单晶硅（显示出更小）的光致衰减（LID），如表1所示。
3.铸造单晶硅电池和多晶硅电池受不均匀辐照影响的对比
美国B P S o l a r公司在室内进行了多次弱光下铸造单晶硅电池和多晶硅电池的效率对比，结果表明，在2种组件结构相同的条件下，同等辐照条
件下得到的稳态最大相对电流（I d n）变化却不一致。如图4所示，在单位面积辐照能量为200～300W /m 2区间内，铸造单晶硅电池组件的Idn值远大于多晶硅电池组件的Idn值，这证明在低强度的辐照下铸造单晶硅电池效率要高于多晶硅电池效率。
三、发展铸造单晶硅技术的意
义及技术难点
传统型单晶炉能耗在30kWh/kg 左右，单晶硅电池效率为18%左右;而传统型多晶硅铸锭炉能耗在12kWh/kg 左右，多晶硅电池效率达16%。由此可以看出，铸造单晶硅的优势相当明显：相对于CZ单晶硅Mono 2电池具有产量大、耗能低、光致衰减少等优势，相对于多晶硅则具有电池效率高晶界少、杂质聚集少、低辐照下效率高等优点。
如果铸造单晶硅技术能够实现产业化，就能够以接近多晶硅铸锭的能耗生产出单晶硅材料，而由这种单晶硅材料制成的电池效率也会接近传统
的单晶硅电池。这项技术的突破将会改变现有太阳能电池用硅材料的竞争格局，取代部分直拉单晶硅和铸造多晶硅的市场份额，形成直拉单晶硅、铸造单晶硅、铸造多晶硅3种材料相互竞争的局面。
当然，铸造单晶硅材料实现产业化还有很长一段路要走。首先就是要
实现小尺寸单晶硅铸锭的工艺突破，然后才能逐步地将单晶硅铸锭单炉的产量提高到几百千克量级。另外，电池厂商只有对这种新型材料的性质有了利充分了解后才可能大规模地采用。现今，国内各科研单位对铸造单晶硅的主要研究仅仅是在探讨其生产的可行性，通过小批量的实验摸索工艺，并由此推测其市场前景。从美国B P Solar公司的成功经验看，实现铸造单晶硅产业化并不遥远，关键就是需要国内企业加大技术研发力度，通过开拓新的铸造单晶硅生长工艺，设计出先进的大型单晶硅铸锭炉。
10.3969/j.issn.1008-892X.2011.04.013
图4 Mono 2电池组件与多晶硅电池组件在不同光照条件下的稳态最大相对电流
表1 铸造单晶硅与CZ单晶硅的LID测试值