5.2铸造多晶矽锭之技术.PPT

5.2 鑄造多晶矽錠之技術 鑄造多晶矽錠一般是採用定向凝固(directional solidificaiton)的方式，這樣才不會長出雜亂沒次序的晶粒，經過定向凝固的控制，則可以長出約數毫米到數釐米寬度的柱狀排列晶粒。鑄造多晶矽錠有三種主要的方法，亦即澆鑄法(Block Casting)、布里基曼法(Bridgman method)及電磁鑄造法(Electromagnetic casting ，簡稱EMC)。 5.2.1 澆鑄法(Block Casting) 圖5.1為利用澆鑄法來製備多晶矽錠的示意圖，這個方法必須使用到兩個坩堝，矽原料的熔化是發生在第一個石英坩堝內，之後再將熔化的矽液澆入另一石墨坩堝內，而得到多晶矽錠。 5.2.2 布里基曼法(Bridgman method) 布里基曼法是應用最早的一種定向凝固鑄造技術(如圖5.2所示)，它也可稱為熱交換法(Heat Exchange Method, HEM)。 目前商業上多晶矽錠的生產，都是採用這種布里曼法或熱交換法的定向凝固為主。 在鑄造多晶矽錠時所使用的石英坩堝為方形的。以最先進的450kg多晶鑄造爐為例，石英坩堝之大小約為87cm×87cm。矽在結晶固化的過程中，體積會膨脹而導致多晶矽錠與坩堝間的沾粘，為了減低這種沾粘性，一般的做法是會在石英坩堝的內緣塗上一層氮化矽(Si3N4)。 布里基曼法的凝固速率可達到約1cm/hr，這相當於每小時可以凝固10公斤的矽錠左右。通常要完成一次的鑄造過程要花上2～3天的時間。 鑄造多晶矽錠的操作流程包括有：清洗矽原料、填料、熔化、晶體生長、退火、矽錠出爐、及破錠等步驟。 5.2.3 電磁鑄造法(Electromagnetic casting ，簡稱EMC)。 是採用水冷式指狀坩堝，使得凝固速率可以遠高於其它方法，達到9-12cm/hr左右，這相當於每小時可製造出30公斤的多晶矽錠。除了高產出率的優點外，因為矽熔湯不與坩堝壁接觸，所以多晶矽錠受到雜質污染的程度會比較小。 利用EMC法製造出的多晶矽太陽電池的效率可達13～14%左右。 5.3 多晶矽片之加工成型 以一個690mm×690mm的多晶矽錠為例，它可切出36塊100mm×100mm的四方塊，或25塊125mm×125mm的四方塊、或16塊150mm×150mm的四方塊、或9塊210mm×210mm的四方塊等。 現今的技術可以把多晶矽片切到180?m的厚度，未來的發展技術則是希望可以切到100～150?m的厚度。 5.4 多晶矽片之品質控制 多晶矽片的結晶缺陷主要為晶界(grain boundaries)及差排線(dislocation)，這些缺陷都可能造成少數載子的再結合，進而影響到太陽電池的效率。 1. 晶粒大小之控制與影響性 在一塊多晶矽錠中，在底部最早凝固的部份之晶粒會比較小，隨著矽錠高度的增加，我們可發現晶粒的平均大小會跟著增加，晶粒的增大程度與結晶固化的速率有關。在現代鑄錠法所產生的晶粒大小，似乎不會對太陽電池效率造成太大的影響。這與晶界在電性上的活性度有關。 要降低晶界活性度的方式，主要是設法去消除懸浮鍵的電子活性。最常見的方式是採用氫化熱處理，將氫離子植入多晶矽片上，使之與晶界上的電子結合。 2. 差排密度之控制與影響性 差排在多晶矽錠裡頭的產生，是與矽錠在冷卻過程中的熱應力有關。 5.4.2 不純物之控制 存在於多晶矽錠的主要不純物包括有氧、碳、氮、及金屬。 5.5 薄板多晶矽片(Ribbon Silicon)之製造技術 包括有EFG (Edge Defined Film Feed)法、WEB (Dendritic Web)法、STR (String Ribbon)法、SF (Silicon Film)法、及RGS (Ribbon Growth on Substrate)法。 5.5.1 EFG(Edge Defined Film Feed)法 圖5.10是EFG技術的原理示意圖。長出的薄板厚度主要是由模板頂部的厚度所決定，而不是由開口的寬度所決定。 利用EFG法長出的矽薄板厚度可做到100?m左右，而更先進的技術是去長出多邊形的中空矽薄管，其中以八邊形中空矽薄管在商業化上最普遍見到，而一般的寬度為10或12.5公分左右。一般EFG法的生長速度為1.7～2.0cm/min。圖5.11為EFG技術生產八邊形矽多晶薄板的實際照片。 拉出來的八邊形矽薄管，可利用雷射刀沿著每一邊的相交處切開，這樣就可切出8塊長條形矽薄板出來，接著可把長條形矽薄板切成一片一片的矽薄板，如圖5.12所示。這樣的長條形矽薄板的結構很類似由定向凝固方式所生產出的多晶矽片，其晶粒形狀也是呈現長條狀的，晶粒大小約為100?m左右。現在世界上每年