三、铸锭单晶当前存在的问题和原因

铸锭单晶目前的确存在着不少问题，简单地说可以分为两类：一个，是单晶率的不高，一个是单晶内部缺陷较大导致晶体质量较低。

先说单晶率的问题。因为铸锭单晶又被称为“准单晶”，这就意味着不是100%的单晶，也就是说，还有一部分是多晶。由于单晶和多晶硅片在后续光伏电池的制绒环节工艺不同，所以准单晶硅片中部分多晶的存在对于电池厂家一度是个比较头痛的问题；但2017年后，由于“黑硅”工艺的逐渐推广，这个问题对于很多电池厂家已经不是太大的问题。不过，由于多晶硅的存在，对于电池片的效率多少还是有影响。

从晶体生长角度，无论是直拉单晶还是多晶硅铸锭，对于工厂来说一个很重要的经济指标就是可切片率。单晶的圆棒要切成方棒，就要去边皮，同时单晶棒头尾的部分也要切除；多晶硅的边皮、顶皮和底部要切掉。而去掉上述边皮和头尾后，在头尾多少还有一部分因为电阻率或者少子寿命原因达不到理想的标准也要再度切除，剩余的部分才能够进行切片。能够用来进行切片的部分占整个硅棒或硅锭的比例，就是可切片率。

过去，无论是单晶还是多晶，可切片率的数值在65%左右。这是目前业内晶体生产厂家可以接受的数值。但是，上述厂家在介绍自己的铸锭单晶的参数时，虽然介绍了铸锭单晶电池效率的指标都逼近直拉单晶，但对自己的可切片率大都避而不谈。据不完全了解，现在不少厂家的铸锭单晶的可切片率仅在55%甚至更低，而前面各家分享的铸锭单晶电池片的各项优异数据则是从硅锭中选取的较好部分切成片，再从硅片中选取优质的硅片制成电池片得到的数据；这些数据很好看，但由于整体的切片率较低，必然导致成本的增高，抵消了铸锭单晶在晶体生长过程中相对直拉单晶的优势；这就是很多厂家不敢把大量的新增产能放在铸锭单晶的原因。归根结底，低成本的优势只有在同等质量或者更高的质量水平下才能算是优势，而如果低成本降低了质量，那么低成本就无法再谈什么优势了。

铸锭单晶锭在去掉边皮后，能否达到95%或者100%以上的单晶率？可切片率能否达到65%甚至70%以上？铸锭单晶的质量能否接近、达到甚至超过直拉单晶？只有上面三个问题的答案都是“YES”的时候，铸锭单晶才能真正取代直拉单晶成为主流硅晶体生长工艺。

要解决这些问题，就要分析问题的原因。上面三个问题， 归根结底是一个问题，就是铸锭单晶的晶体生长质量问题。

首先看单晶率的问题。铸锭单晶硅片的单晶率如果不能达到90%以上，那么在电池效能上就很难和直拉单晶竞争。而单晶率偏低的原因，主要还是由于在铺设籽晶时，籽晶与坩埚壁存在间隙，间隙处的坩埚底部有多晶硅形核，而在晶体生长过程中，这些多晶向内而不是向外生长，导致铸成的单晶硅锭四周（业内称为A区或B区）有多晶存在，此外，在晶体生长过程中，坩埚四壁如果温度偏低也会发生形核后多晶的枝晶向内生长，也会导致A、B区多晶的产生；此外，籽晶之间的拼接缝附近有多晶或枝晶形核生长到顶部产生“晶花”现象，这种现象在C区也有出现。因此，要解决这个问题，一个是在结晶开始时，减少甚至消除多晶硅的形核，第二就是在生长过程中使得四周或者相邻晶体的晶界处的枝晶消除或者向外生长，从而不会影响有效区域的单晶率。

第二，关于铸锭单晶的质量问题。铸锭单晶中，即便是纯单晶硅片（大部分在C区），也有少子寿命偏低导致转换效率不高的问题。据截止到目前的研究，这些大部分是由于晶体中的位错、晶格畸变等缺陷引起的。而铸锭单晶中缺陷较多的原因主要是由于大家对于铸锭单晶的生长规律不了解，对晶体生长过程中的状况（如晶体生长高度及高度分布）无法像直拉单晶那样进行在线监测，在晶体生长过程中各部分导致固液界面不能做到水平，固液界面上升的速度（也就是晶体生长速度）也无法控制，也就是说所有关于晶体生长的参数只能采用经验和“毛估估”的方式进行估计；而目前普遍采用的晶体生长高度测量方式为石英探针方式，而这个测量方式本身就会破坏晶体生长过程，影响晶体质量，造成晶体缺陷。这些问题在多晶硅铸锭时，对于多晶硅锭质量的影响并不大，但对于单晶铸锭则成为影响质量的致命缺点。此外，由于铸锭坩埚的坩埚壁涂层可能会产生脱落，或者对硅液产生污染，导致铸锭单晶的少子复合中心增加，也会降低少子寿命，降低效率。

上述各问题产生的原因虽然各种各样，但要达到完美的铸锭单晶质量，就必须予以解决。与直拉单晶相比，这些问题的产生原因和解决方式是不同的，但有一点可以肯定，那就是在同样的硅原料的条件下，这些问题只能通过设备改造和工艺改造来进行。而目前不少厂家的铸锭单晶就是采用原有的多晶硅铸锭炉稍加改造，甚至设备未进行任何修改，仅在坩埚底部铺籽晶，然后控制加热工艺，尽量做到使籽晶底部不熔化、上部熔化后就开始按照多晶铸锭那样生长；有些厂家根据试验发现的问题仅对热场底部作了少量改动，但对铸锭单晶生长过程参数的测控几乎还是照搬多晶铸锭的经验，这就犯了轻视铸锭单晶生长客观规律的错误，必然会发生上述提到的各种问题。

四、铸锭单晶工艺的晶体生长过程

那么上述铸锭单晶的问题能够解决吗？完全可以。为什么敢于这么说，我们首先从铸锭单晶的生长过程开始说起。

铸锭单晶和直拉单晶在晶体生长过程中有着很大的区别，这一点不用说大家也知道；但铸锭单晶与多晶硅铸锭有着更大的区别，可能很多人虽然自认知道，但并不是真的了解。这里，我们先从铸锭单晶的晶体生长过程开始说起。

我们把铸锭单晶分为硅料熔化、晶体生长初期、晶体生长中期、晶体生长结束四个阶段分别介绍。

1）硅料熔化阶段

将硅料熔化本来是个很简单的工序，在直拉单晶和多晶硅铸锭的工艺过程中都不会发生什么影响晶体质量的问题。但是在铸锭单晶的工艺过程中，这个过程恰恰成为了一个非常要小心甚至关注的节点。因为铸锭的籽晶是铺设在坩埚底部的，而铸锭单晶生长的前提是籽晶的上部要熔化、同时底部又绝对不能熔化；其中原因就不说了。这样，就必然导致在熔料的最后阶段温度控制必须十分仔细。我们把硅料的熔点视为一个节点的话，多晶硅铸锭时，我们不必在意这个节点温度。只要全部硅料熔化后，坩埚底部再降温即可。但是在铸锭单晶的工艺中，底部温度绝对不能超过节点温度，而且在节点温度保持的时间也必须要受到限制。很多厂家的AB区甚至C区的外缘大量形成多晶的原因，都是由于坩埚底部温度超过节点温度，或在节点温度停留时间过长，导致底部所铺的外围籽晶被熔化了导致的；如果温度达不到节点温度，就会发生中间籽晶完全没有熔化的情形，硅液在籽晶顶部另外形核长出多晶；另外，在硅料熔化时，坩埚内的硅料在熔化后从硅料的缝隙向下流淌，这个过程会导致坩埚底部的籽晶顶面温度不均匀的情况，这时采用石英探针下探测量籽晶熔化高度时，往往以偏概全，这也是多晶硅会在一开始就生成的原因。

需要指出的是，上述问题是能够解决的，但目前各厂家所用的方法都不能完全解决，需要一种全新的方法。

图1：一个失败的铸锭单晶的少子寿命分布图

2）晶体生长初期

在全部籽晶都是上半部分熔化、下半部分未熔化后，就进入晶体生长初期阶段。这个阶段，首先籽晶四周与坩埚壁相邻的区域因为有缝隙，所以坩埚壁附近的坩埚底部会有晶核形成，这些晶核在生长时就形成了多晶。另外，如果籽晶之间的缝隙较大，硅液会从缝隙漏到坩埚底部，在晶体生长初期，缝隙中特别是四块籽晶的角端结合部，会有多晶硅从坩埚底部生成并向上生长，这样就会导致铸锭完成后“晶花”的形成。

需要指出的是，晶体生长过程中还有个规律，就是不同的晶粒之间是要“竞争”的。当然，籽晶如果熔化后，由于“基础好、体量大”，竞争力是很强的。这个规律可以被我们利用来消除那些“基础不牢”的多晶硅枝晶，从而提高单晶率。

3）晶体生长中期

晶体生长高度高出籽晶高度后，就进入铸锭单晶的晶体生长中期。很多铸锭单晶的工艺人员以为这段时间的工艺对于最终的单晶率影响是不大的。这对于多晶铸锭是部分正确的，但对于铸锭单晶则完全不正确。因为，在晶体生长中期，坩埚四周如果过冷，硅液同样会在坩埚壁上形核，而随着固液界面的上升，形核后长出的枝晶会向上向内生长，这个过程同样也是硅锭四周的AB区多晶形成的重要原因。

此外，这个过程如果固液界面上升速度过快，单晶生长的速率跟不上温度下降的速率，在单晶生长会中断，然后在中断的地方重新形核生成枝晶继续向上生长，这在多晶铸锭时是允许的，但在铸锭单晶时也会在该区域形成“晶花”。而且这类型的“晶花”往往在硅锭的中部，而不是顶部。如果这个过程中固液界面上升速度过慢，同样也不利。因为单晶的生长因高温遇阻无法生长，如果一直匀速的缓慢，还没有问题，但如果在固液界面上升缓慢后又突然加速，则同样会导致枝晶生成。

图2：铸锭单晶的“晶花”图例

关键是，固液界面的上升速度是无法测量的，人们只能根据硅液顶面和坩埚底部的温度来推测固液界面所在。而石英探针探测固液界面是不能一直探测的；而且，探针的数量也不能多，因此，无法了解整个固液界面的情况。因此，底部温度的匀速下降并不能代表固液界面也是匀速上升。而固液界面的非匀速上升虽然有时不会导致内部枝晶的产生，但会导致硅锭内部热应力的产生；而热应力得不均匀会导致位错、晶格畸变等多种缺陷。所以，很多铸锭单晶的硅锭内部的少子寿命不高是这样产生的。

4）晶体生长后期

对于多晶硅铸锭，晶体生长后期本来也是个重要阶段。收尾不好会导致硅锭开裂或鼓包。但对于铸锭单晶来说，收尾阶段更加重要。因为如果按照多晶铸锭的工艺来收尾，可能表面上看来，硅锭质量没有什么问题，但是，由于收尾阶段顶部相当一部分高度的硅液可能是同时凝固的，这时，硅锭顶部的水平张力特别大，这也是硅锭为什么要去顶皮的原因之一（另一个原因是杂质在顶部的富集）。

图3：一个铸锭单晶硅方的红外透射图（可看出边缘和内部是有局部的多晶产生的）

由于单晶生长速率是有一定的范围的，因此，如果晶体生长后期，固液界面上移速度过快，即便不发生开裂或鼓包的行为，顶部也会有枝晶甚至非晶产生。很多人以为反正顶皮要切除，这部分质量不重要了。其实不然。顶部的晶体生长中断，会导致硅锭内部的机械应力非常大（虽然极端情形才是开裂或鼓包，但那直接就是本炉报废了），而结尾的快速凝固产生的应力，并非是后续退火阶段能够消除的，同样会导致前面已经生长好的单晶内部产生畸变、位错等缺陷，这也是硅锭内部少子寿命不高的一个重要原因。

晶体生长后的退火和冷却阶段则与多晶硅铸锭工艺中类似，这里不再叙述了。

（未完待续）