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太阳能级硅片切割中碎片率高原因探讨

2013-8-8 10:49| 发布者: fansiyuan| 查看: 5678| 评论: 0

摘要: 王丽华1.前言 太阳能级多晶硅片由于其工艺是在石墨热场氛围内铸造而成,石墨件及加热体材料的优劣,直接导致硅片质量的优劣,另外由于铸造多晶硅的原材料多采用西门子法生产的原生硅料,原生硅料质量千差万别,料中 ...
王丽华

1.前言
    太阳能级多晶硅片由于其工艺是在石墨热场氛围内铸造而成,石墨件及加热体材料的优劣,直接导致硅片质量的优劣,另外由于铸造多晶硅的原材料多采用西门子法生产的原生硅料,原生硅料质量千差万别,料中有时混有碳头料,铸造过程中往往在硅中会引入碳元素,另外硅料企业为降低成本,通常使用回收料,也会引入碳元素。高温下真空气氛会生成碳化硅,使硅晶体的硬度增大。铸造太阳能级硅,通常在石英坩埚内壁喷涂碳化硅粉体,由于氮化硅粉体质量千差万别,加上喷涂工艺的影响,往往在铸造过程中造成粉体脱落,脱落的氮化硅粉体进入硅熔液,由于氮化硅熔点(1900℃)远高于单质硅熔点(1420℃),铸造过程中脱落的氮化硅即以杂质形式进入硅晶体,以上两种杂质即为“硬质点”,硬质点的存在往往造成硅片硬度加大,而且目前晶体硅多以钢线携带碳化硅砂浆进行切割,由于硬质点的存在,往往增加晶体硅硬度,造成跳线,甚至断线,硅片脆性加大,碎片率增加。

    关于硅片切割过程中碎片率高的问题一直困扰着光伏行业硅片制造业,无形中增加制造成本,降低成品率,但目前由于多晶硅铸造工艺的不成熟性以及原生硅料质量的差异性,所以造成后道硅片切割碎片率高,但对于碎片率高的原因行业内,通常仅停留在经验判断上,缺乏系统的研究和探讨,本文就这个问题,结合金相显微镜及电镜、 能谱仪在材料领域的广泛应用,用来分析硅材料中硬质点的形貌,验证硅片微区中造成硬质点的元素分布情况,以验证行业内的经验假设,对提高切片利用率,提供依据。

2.样品前处理
     金相显微镜观察前取硅片断裂切面,并经过 Wright 溶液(60ml氢氟酸+60ml冰醋酸+60ml去离子水+30ml铬酸溶液+30ml硝酸+2g三水硝酸铜)腐蚀20min。

3.硅片断面显微分析

3.1 金相显微镜分析:

图 1

       硅片碎片界面处肉眼可见集中杂质点,经过腐蚀后,金相显微下观察,可见杂质点位置处呈现黑色,像“孤岛”一样分布在硅片表面,图 1为放大50倍,杂质点全貌图,较亮处为硅片表面。

图2

       图 2 为放大200倍后杂质点局部放大图,可以看出杂质点是成片分布的,肉眼无法观察到。

图3

      图 3 为硬质点局部放大1000倍,明显看到杂质轮廓,与硅片颜色形成强烈反差,初步推测为非硅物质。


图4

       图 4 为碎片处断面(肉眼看不到任何杂质点),放大500倍后,明显看到零星分布杂质点,类似“碎屑”,分布范围较广,散落在断面处,初步推断围尺寸较小类似图3物质。

3.2 用带能谱扫描电镜对硅片进行微区分析
     能谱仪是用来对材料微区成分元素种类与含量分析,配合扫描电子显微镜使用,各种元素具有自己的X射线特征波长,特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量△E,能谱仪就是利用不同元素X射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析的。

3.2.1 图5为低倍下观察硬质点全貌,在颜色较深处(光标指示位置)元素分别为碳(59.96%)硅(31.16%)氧(8.88%),结合上述金相显微镜观察,可以断定硅与碳杂质交界处高温下已形成碳化硅,碳化硅熔点及硬度(莫氏硬度9.5)远高于硅(莫氏硬度7),故有硬质点存

图 5


3.2.2 图6为颜色稍浅区域,碳含量相对第一页区域少(12.7%),从颜色变化上可以看出含量分布的信息,与前面金相显微镜图片信息基本一致。


图6

3.2.3 图7选点在颜色较浅(对应金相显微镜图片中颜色浅硅片区域),碳含量1.48%,第6页(13.83%)对应于金相显微图片(图4),属于分布于硅片碎裂处的隐形杂质。图7为放大图,光标处碳含量(74.40%)

图7

3.2.4 图 8 为硅片肉眼明显可见的针状杂质点,经微区分析主要元素为N(57.31%),结合SEM图片,可以观察到针状物呈柱状,外形较规则,断面处为四边形,符合氮化硅晶体特征,可以断定其为散落的氮化硅涂层,氮化硅晶体呈八面体结构,其硬度要高于硅。

图8

4. 结论

     通过对碎片率高硅片断面处金相显微镜观察,在硅片表面明显存在“孤岛”状点,颜色较周围区域暗,初步判断该孤岛状物质不同于周围物质,类似“镶嵌”状。通过电镜分析,并结合EDX元素分析, 硅片断面处,金相显微镜观察为孤岛处(图5),元素为C和Si,含量分别为碳(59.96%)硅(31.16%),图6中孤岛外元素分析结果表明,元素Si为主要元素,仅含微量碳元素(12.7%),图8中电镜形貌表明针状物为六方晶体,元素分析显示存在N元素,故可确认为氮化硅,因此造成硅片碎片率高的“硬质点”可以断定为碳化硅和氮化硅。因此在硅片铸造工艺中应选用高质量石墨元件,原生多晶原料,及高质量氮化硅涂料,提高喷涂工艺,强化工艺操作,尽量减少杂质引入。








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