Freiberg MDP技术：硅锭p-n结高精度在线定位与原料提效

介绍

细节

在光伏产业高速发展的今天，硅材料成本占太阳能电池总成本的40%以上。为降低生产成本，行业普遍采用低纯度冶金级硅（umg-Si），但其高磷杂质含量易导致硅锭顶部形成n型导电区，造成材料浪费。传统电阻率检测技术受限于分辨率低（通常>10 mm）、无法全区域扫描等缺陷，导致切割后硅片良率损失高达5%-8%。
Freiberg Instruments公司凭借自主研发的微波检测光电导技术（MDP），成功实现多晶硅锭导电类型变化的1毫米级高分辨率在线检测，将检测环节前置至硅锭切割前，助力企业精准剔除废料、优化生产工艺。该技术已通过全球数十家光伏巨头的验证，成为硅材料质量控制领域的标杆解决方案。
技术突破
1. 原理创新
MDP技术的核心在于非接触式光电导动态检测
·激光激发：采用500 mW激光脉冲（脉宽200 μs）精准激发0.79 mm²微区，生成载流子。

·微波探测：通过微波吸收实时测量光生载流子浓度，同步解析光电导信号与少子寿命。
·智能算法：独创的导数分析算法（图1）自动识别光电导陡升区域，结合噪声过滤技术，实现pn结的毫米级定位，误判率低于0.1%。

图1. 光电导率线扫描、其导数以及检测算法的结果输出
与传统电阻率线扫描相比，MDP具备三大颠覆性优势：
·分辨率提升10倍：1 mm vs. 10 mm
·检测速度提升50倍：全硅锭双面扫描<2分钟
·数据维度扩展：同步输出光电导、少子寿命、电阻率三维数据图谱

2. 性能验证：从实验室到产线的卓越表现
Freiberg Instruments联合欧洲光伏研究中心开展的实验表明（图2-3）：
·复杂pn结检测：对倾斜、弯曲的pn界面（图2a），MDP检测误差较电阻率法降低20 mm，避免数千片硅片误切。
·灵敏度突破：在电阻率>3 Ω·cm的高阻区，光电导信号增幅达20倍，远超少子寿命的2倍变化，确保检测可靠性。
·兼容性扩展：支持156 mm厚度硅锭的全区域扫描，适应行业主流尺寸需求。

图2. 两个mc-Si 砖的光电导示例图，其中标明了算法的检测区域（绿线）和电阻率线扫描超过3Ωcm的区域（红线）
应用场景
1. 工艺优化
通过MDP硅锭检测系统（MDPingot Tool），企业可在切割前完成以下关键分析：
·pn结分布建模：绘制硅锭三维导电类型图谱，定位n型废料区（图2）。
·晶体生长参数调优：根据磷/硼分凝系数差异（=0.82 vs. =0.35），动态调整炉温、冷却速率，将pn结压缩至顶部低质区。
·成本精准核算：预判可用硅锭体积，优化切割方案，降低原料损耗。

图3. 图1中砖块的平均光电导率线以及pn检测算法的相应输出和在砖块中间测得的电阻率线扫描2. 经济效益
通过1mm分辨率在线检测（图2-3），MDP技术可精准定位硅锭中的p-n结分界线，实现两大核心价值：
·废料区域最小化：传统电阻率线扫描因分辨率不足（>10 mm），需预留更大安全切割余量，而MDP凭借1mm精度，可将废料切除厚度减少20mm，显著提升硅锭可用体积。
·工艺参数闭环优化：通过同步输出光电导、少子寿命与电阻率三维图谱（图4），可快速验证晶体生长炉的温场分布与掺杂均匀性，减少因导电类型异常导致的整锭报废风险。

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图4（a）硼和磷的典型浓度与砖块的关系以及由此产生的电阻率与砖块高度的关系，（b）不同样品厚度的有效寿命和与体积寿命的相对偏差与电阻率和深度的关系（c）模拟pn结的电阻率线扫描，以及与1 Ωcm值相比，测量的寿命（红色）和光电导率（黑色）的变化

实验表明，MDP对复杂pn结形态的检测误差较传统方法降低80%，这意味着在切割环节，每吨硅料可多保留5%-8%的有效区，直接转化为产能提升与成本节约。

Freiberg Instruments将持续优化MDP技术的检测精度与智能化水平，计划通过开发工艺参数预测模型、与晶体生长炉及切割设备的数据联动，构建覆盖“检测-工艺-生产”的全流程质控体系。同时，该技术将向钙钛矿等新型光伏材料检测领域拓展，助力行业突破材料应用瓶颈。随着光伏产业对降本提效需求的加剧，MDP技术凭借1mm级在线检测能力，将成为推动硅料利用率提升，为全球清洁能源转型提供坚实技术支撑。

该文章由Freiberg Instruments公司在Conference Record of the IEEE Photovoltaic Specialists Conference会议上发表的数据，详细文章可查阅：High resolution inline detection of changes in the conduction type of multicrystalline silicon by contact less photoconductivity measurements

2025 年光伏行业发展的预测

MDP技术实现硅材料载流子精准测量