第六章_铸造多晶硅

1、 直到直到20 20 世纪世纪9090年代，太阳能光伏工业还是主要年代，太阳能光伏工业还是主要建立在建立在单晶硅单晶硅的基础上。虽然单晶硅太阳电池的成本的基础上。虽然单晶硅太阳电池的成本在不断下降，但是与常规电力相比还是缺乏竞争力，在不断下降，但是与常规电力相比还是缺乏竞争力，因此，不断降低成本是光伏界追求的目标。因此，不断降低成本是光伏界追求的目标。 自自2020世纪世纪8080年代铸造多晶硅发明和应用以来，增长年代铸造多晶硅发明和应用以来，增长迅速；迅速；8080年代末期它仅占太阳电池材料的年代末期它仅占太阳电池材料的10%10%左右，而至左右，而至19961996年底它已占整个太阳电池材

2、料的年底它已占整个太阳电池材料的36%36%左右，它以左右，它以相对低成本、高效率的优势不断挤占单晶硅的市场，相对低成本、高效率的优势不断挤占单晶硅的市场，成为最有竞争力的太阳电池材料。成为最有竞争力的太阳电池材料。2121世纪初已占世纪初已占50%50%以上，成为最主要的太阳电池材料。以上，成为最主要的太阳电池材料。 直拉单晶硅为圆片状直拉单晶硅为圆片状不能有效地利用太阳电池组件的有效空间，相对增不能有效地利用太阳电池组件的有效空间，相对增加了太阳电池组件的成本。加了太阳电池组件的成本。直拉单晶硅需要更多的直拉单晶硅需要更多的“人力资源人力资源”，如在晶体生长，如在晶体生长的的“种晶种晶”过

3、程，所以也增加了人力成本。过程，所以也增加了人力成本。 铸造多晶硅是利用铸造多晶硅是利用浇铸浇铸或或定向凝固定向凝固的的铸造技术铸造技术，在方，在方形坩埚中制备晶体硅材料，其形坩埚中制备晶体硅材料，其生长简便生长简便，易于大尺寸生易于大尺寸生长长，易于自动化生长和控制易于自动化生长和控制，并且很容易直接切成方形，并且很容易直接切成方形硅片；硅片；材料的损耗小材料的损耗小，同时铸造多晶硅生长相对能耗小，促，同时铸造多晶硅生长相对能耗小，促使材料的成本进一步降低，而且铸造多晶硅技术对硅原使材料的成本进一步降低，而且铸造多晶硅技术对硅原料料纯度的容忍度纯度的容忍度比直拉单晶硅高。比直拉单晶硅高。铸造

4、多晶硅的优缺点铸造多晶硅的优缺点优优 铸造多晶硅具有铸造多晶硅具有晶界晶界、高密度的位错高密度的位错、微缺陷微缺陷和和相对较高的杂质浓度相对较高的杂质浓度，从而降低了，从而降低了太阳电池的光电转换效率。太阳电池的光电转换效率。铸造多晶硅的优缺点铸造多晶硅的优缺点缺缺6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 铸造多晶硅的制备工艺铸造多晶硅的制备工艺6.3 6.3 铸造多晶硅的晶体生长铸造多晶硅的晶体生长 利用铸造技术制备多晶硅，称为利用铸造技术制备多晶硅，称为铸造多铸造多晶硅晶硅（multicrystalline silicon，mc-Si）。）。 与直拉单晶硅相比，铸造多晶硅与直拉单晶硅相比，铸

5、造多晶硅优点：优点：材料的利用率高、能耗小、制备成本低，而材料的利用率高、能耗小、制备成本低，而 且其晶体生长简便，易于大尺寸生长。且其晶体生长简便，易于大尺寸生长。缺点缺点: 含有晶界、高密度的位错、微缺陷和相对较含有晶界、高密度的位错、微缺陷和相对较 高的杂质浓度高的杂质浓度 ，其晶体的质量明显低于单晶，其晶体的质量明显低于单晶 硅，从而降低了太阳电池的光电转换效率。硅，从而降低了太阳电池的光电转换效率。 材料制备方面，材料制备方面，平面固液相技术平面固液相技术和和氮化硅涂层技术氮化硅涂层技术等等技术的应用、材料尺寸的不断加大。技术的应用、材料尺寸的不断加大。在电池方面，在电池方面，SiN

6、减反射层技术减反射层技术、氢钝化技术氢钝化技术、吸杂吸杂技术技术的开发和应用，使得铸造多晶硅材料的电学性能的开发和应用，使得铸造多晶硅材料的电学性能有了明显改善，其太阳电池的光电转换率也得到了迅有了明显改善，其太阳电池的光电转换率也得到了迅速提高。速提高。 由于铸造多晶硅的优势，世界各发达国家都在努力发展由于铸造多晶硅的优势，世界各发达国家都在努力发展其工业规模。其工业规模。自自20世纪世纪90年代以来，国际上新建的年代以来，国际上新建的太阳电池太阳电池和和材料的材料的生产线大部分是铸造多晶硅生产线生产线大部分是铸造多晶硅生产线，相信在今后会有更相信在今后会有更多的铸造多晶硅材料和电池生产线投

7、入应用。多的铸造多晶硅材料和电池生产线投入应用。目前，铸造多晶硅已占太阳电池材料的目前，铸造多晶硅已占太阳电池材料的53%以上，成为以上，成为最主要最主要的太阳电池材料。的太阳电池材料。铸造技术制备多晶硅的主要工艺：铸造技术制备多晶硅的主要工艺： 浇铸法浇铸法 直熔法直熔法 在一个坩埚内将硅原料溶化，然后浇铸在另一在一个坩埚内将硅原料溶化，然后浇铸在另一个经过预热的坩埚内冷却，通过控制冷却速率，采用个经过预热的坩埚内冷却，通过控制冷却速率，采用定向凝固技术制备大晶粒的铸造多晶硅。定向凝固技术制备大晶粒的铸造多晶硅。6.2.1 浇铸法浇铸法6.2.1 6.2.1 浇铸法浇铸法6.2.2 6.2.

8、2 直熔法直熔法 直接熔融定向凝固法直接熔融定向凝固法，简称，简称直熔法直熔法，又称，又称布里奇曼法布里奇曼法，即在坩埚内直接将多晶硅溶化，即在坩埚内直接将多晶硅溶化，然后通过坩埚底部的热交换等方式，使得熔体然后通过坩埚底部的热交换等方式，使得熔体冷却，采用定向凝固技术制造多晶硅，所以，冷却，采用定向凝固技术制造多晶硅，所以，也有人称这种方法为也有人称这种方法为热交换法热交换法（Heat Exchange Method，HEM）。）。6.2.2 直熔法直熔法6.2.2 直熔法直熔法 前一种技术国际上已很少使用，而后一前一种技术国际上已很少使用，而后一种技术在国际产业界得到了广泛使用。种技术在国

9、际产业界得到了广泛使用。 从本质上讲，两种技术没有根本区别，从本质上讲，两种技术没有根本区别，都是铸造法制备多晶硅，只是采用都是铸造法制备多晶硅，只是采用一只或一只或两只坩埚两只坩埚而已。而已。尺寸：100mm*100mm 150mm*150mm 210mm*210mm 直熔法生长的铸造多晶硅的直熔法生长的铸造多晶硅的质量较好质量较好，它可以，它可以通过控制通过控制垂直方向的温度梯度垂直方向的温度梯度，使固液界面尽量平直，使固液界面尽量平直，有利于生长取向性较好的有利于生长取向性较好的柱状多晶硅晶锭柱状多晶硅晶锭。而且，这。而且，这种技术所需的种技术所需的人工少人工少，晶体生长过程，晶体生长过

10、程易控制易控制、易自动易自动化化，而且晶体生长完成后，一直，而且晶体生长完成后，一直保持在高温保持在高温，对多晶，对多晶硅晶体进行了硅晶体进行了“原位原位”热处理热处理，导致，导致体内热应力的降低体内热应力的降低，最终使最终使晶体内的位错密度降低晶体内的位错密度降低。相较浇铸法，直熔法的的一些相较浇铸法，直熔法的的一些优势优势 利用定向凝固技术生长的铸造多晶硅，利用定向凝固技术生长的铸造多晶硅，生长速度生长速度慢慢，坩埚是消耗件，不能重复循环使用，即每一炉多，坩埚是消耗件，不能重复循环使用，即每一炉多晶硅需要一直坩埚；而且，在晶锭底部和上部，各有晶硅需要一直坩埚；而且，在晶锭底部和上部，各有几

11、厘米厚的区域由于质量低而不能应用。几厘米厚的区域由于质量低而不能应用。 为了克服这些缺点，为了克服这些缺点，电磁感应冷坩埚连续拉晶法电磁感应冷坩埚连续拉晶法（electromagnetic continuous pulling）已经被开发，）已经被开发，简称简称EMC或或EMCP法法。 是利用电磁感应的冷坩埚来熔化硅原料。是利用电磁感应的冷坩埚来熔化硅原料。电磁感应冷坩埚连续拉晶法原理：电磁感应冷坩埚连续拉晶法原理： 这种技术熔化和凝固可以在这种技术熔化和凝固可以在不同部位同时进行不同部位同时进行，节约生产时间节约生产时间；而且，；而且，熔体和坩埚不直接接触熔体和坩埚不直接接触，既既没有坩埚消

12、耗没有坩埚消耗，降低成本，又减少了杂质污染，降低成本，又减少了杂质污染程度，特别是氧浓度和金属杂质浓度有可能大幅程度，特别是氧浓度和金属杂质浓度有可能大幅度降低。度降低。 该技术还可以该技术还可以连续浇铸连续浇铸，速度可达，速度可达 5mm/min。由于电磁力对硅熔体的作用，使得掺杂剂在硅熔由于电磁力对硅熔体的作用，使得掺杂剂在硅熔体中的分布可能更均匀。体中的分布可能更均匀。电磁感应冷坩埚连续拉晶法的电磁感应冷坩埚连续拉晶法的优点优点 显然，这是一种很有前途的铸造多晶硅技术。显然，这是一种很有前途的铸造多晶硅技术。 目前，利用该技术制备的铸造多晶硅硅锭可达目前，利用该技术制备的铸造多晶硅硅锭可

13、达35mm35mm300mm，电池转换效率可达，电池转换效率可达15-17%。 该技术需要进一步改善该技术需要进一步改善晶体制备技术晶体制备技术和和材料质材料质量量，才能使得这种技术在工业界得到广泛应用。，才能使得这种技术在工业界得到广泛应用。电磁感应冷坩埚连续拉晶法的电磁感应冷坩埚连续拉晶法的缺点缺点 制备出的铸造多晶硅的晶粒比较细小，约为制备出的铸造多晶硅的晶粒比较细小，约为3-5mm，而且而且晶粒大小不均匀晶粒大小不均匀。 该技术的固液界面是该技术的固液界面是严重的凹形严重的凹形，会，会引入较多的晶体引入较多的晶体缺陷缺陷。因此，这种技术制备的铸造多晶硅的。因此，这种技术制备的铸造多晶硅

14、的少数载流少数载流子寿命较低子寿命较低，所制备的，所制备的太阳电池的效率也较低太阳电池的效率也较低。6.3.1 铸造多晶硅的原材料铸造多晶硅的原材料铸造多晶硅的原材料铸造多晶硅的原材料 微电子工业应单晶硅生产的微电子工业应单晶硅生产的剩余料剩余料半导体级的高纯多晶硅半导体级的高纯多晶硅 微电子工业应微电子工业应单晶硅生产的单晶硅生产的剩余料剩余料质量相对较差的高纯多晶硅质量相对较差的高纯多晶硅单晶硅棒的头尾料单晶硅棒的头尾料单晶硅生长完成后剩余在石英坩埚单晶硅生长完成后剩余在石英坩埚中的硅底料中的硅底料 与直拉、区熔晶体硅生长方法相比，铸造方法对与直拉、区熔晶体硅生长方法相比，铸造方法对硅原料

15、的不纯具有更大的容忍度，所以铸造多晶硅的硅原料的不纯具有更大的容忍度，所以铸造多晶硅的原料更多地使用电子工业的剩余料，从而使得原料的原料更多地使用电子工业的剩余料，从而使得原料的来源可以更广，价格可以更便宜；来源可以更广，价格可以更便宜； 在多晶硅片制备过程中剩余的硅材料还可以在多晶硅片制备过程中剩余的硅材料还可以重复利用。有研究表明，只要原料中剩余料的比重复利用。有研究表明，只要原料中剩余料的比例不超过例不超过40%，就可以生长出合格的铸造多晶硅。，就可以生长出合格的铸造多晶硅。6.3.1 铸造多晶硅的原材料铸造多晶硅的原材料 在铸造多晶硅制备过程中，可以利用在铸造多晶硅制备过程中，可以利用

16、方形的高纯方形的高纯石墨石墨作为坩埚，也可以利用作为坩埚，也可以利用高纯石英高纯石英作为坩埚。作为坩埚。 高纯石墨的成本比较便宜，但是有较多可能的高纯石墨的成本比较便宜，但是有较多可能的碳污碳污染染和和金属污染金属污染；高纯石英的；高纯石英的成本较高成本较高，但，但污染少污染少，要，要制备制备优质的铸造多晶硅优质的铸造多晶硅就必须利用就必须利用石英坩埚石英坩埚。6.3.2 坩埚坩埚 在制备铸造多晶硅时，原材料熔化、晶体硅结晶过在制备铸造多晶硅时，原材料熔化、晶体硅结晶过程中，硅熔体和石英坩埚长时间接触，会产生程中，硅熔体和石英坩埚长时间接触，会产生黏滞作黏滞作用用。由于两者的。由于两者的热膨胀

17、系数不同热膨胀系数不同，在晶体冷却时很可，在晶体冷却时很可能造成能造成晶体硅或石英坩埚破裂晶体硅或石英坩埚破裂。 由于硅熔体和石英坩埚长时间接触，与制备直拉单由于硅熔体和石英坩埚长时间接触，与制备直拉单晶硅时一样，会晶硅时一样，会造成石英坩埚的腐蚀造成石英坩埚的腐蚀，使得多晶硅中，使得多晶硅中的的氧浓度升高氧浓度升高。石英坩埚的存在的问题石英坩埚的存在的问题6.3.2 坩埚坩埚 工艺上一般利用工艺上一般利用Si3N4或或SiO/SiN等材料作为等材料作为涂层涂层，附加在石英坩埚的内壁附加在石英坩埚的内壁。解决石英坩埚问题的方法解决石英坩埚问题的方法6.3.2 坩埚坩埚涂层的作用涂层的作用 隔离

18、了硅熔体和石英坩埚的直接接触，不仅能隔离了硅熔体和石英坩埚的直接接触，不仅能解解决黏滞问题决黏滞问题，而且可以，而且可以降低多晶硅中的氧、碳杂降低多晶硅中的氧、碳杂质浓度质浓度。 利用利用Si3N4涂层，还使得石英坩埚可能得到重复使涂层，还使得石英坩埚可能得到重复使用，达到用，达到降低生产成本的目的降低生产成本的目的。6.3.2 坩埚坩埚直熔法制备铸造多晶硅的具体工艺如下：直熔法制备铸造多晶硅的具体工艺如下：装料装料加热加热化料化料晶体生长晶体生长退火退火冷却冷却6.3.3 晶体生长工艺晶体生长工艺 将装有涂层的石英坩埚放置在热交换台将装有涂层的石英坩埚放置在热交换台(冷去板冷去板)上，上，放

19、入适量的硅原料，然后安装加热设备，隔热设备和放入适量的硅原料，然后安装加热设备，隔热设备和炉罩，将炉内抽真空，使炉内压力降至炉罩，将炉内抽真空，使炉内压力降至0.05-0.1mbar并并保持真空。通入氩气作为保护气体，是炉内压力基本保持真空。通入氩气作为保护气体，是炉内压力基本保持在保持在400-600mbar左右。左右。6.3.3 晶体生长工艺晶体生长工艺 利用石墨加热器给炉体加热，首先是石墨部件利用石墨加热器给炉体加热，首先是石墨部件（包括加热器、坩埚板、热交换台灯）、隔热层、硅（包括加热器、坩埚板、热交换台灯）、隔热层、硅原料等表面吸附的湿气蒸发，然后缓慢加温，使石英原料等表面吸附的湿气

20、蒸发，然后缓慢加温，使石英坩埚的温度达到坩埚的温度达到1200-1300，该过程约需要，该过程约需要4-5h。6.3.3.2 加热加热6.3.3 晶体生长工艺晶体生长工艺 通入氩气作为保护气，使炉内压力基本维持在通入氩气作为保护气，使炉内压力基本维持在400-600mbar左右。逐渐增加加热功率，使石英坩埚左右。逐渐增加加热功率，使石英坩埚内的温度达到内的温度达到1500左右，硅原料开始熔化。熔化过左右，硅原料开始熔化。熔化过程中一直保持程中一直保持1500，直至化料结束。该过程约需要，直至化料结束。该过程约需要9-11h。6.3.3.3 化料化料6.3.3 晶体生长工艺晶体生长工艺 硅原料熔

21、化结束后，降低加热功率，使石英坩埚的温硅原料熔化结束后，降低加热功率，使石英坩埚的温度降低至度降低至1420-1440硅熔点左右。然后石英坩埚逐渐向硅熔点左右。然后石英坩埚逐渐向下移动，或者隔热装置逐渐上升，使得石英坩埚慢慢脱离下移动，或者隔热装置逐渐上升，使得石英坩埚慢慢脱离加热区，与周围形成热交换。加热区，与周围形成热交换。 同时，冷却板通水，使熔体的温度自底部开始降低，同时，冷却板通水，使熔体的温度自底部开始降低，晶体硅首先在底部形成，并呈柱状向上生长，生长过程中晶体硅首先在底部形成，并呈柱状向上生长，生长过程中固液界面始终保持与水平面平行，直至晶体生长完成，该固液界面始终保持与水平面平

22、行，直至晶体生长完成，该过程约需要过程约需要20-22h。6.3.3.4 晶体生长晶体生长 6.3.3 晶体生长工艺晶体生长工艺 晶体生长完成后，由于晶体底部和上部存在较大的晶体生长完成后，由于晶体底部和上部存在较大的温度梯度，因此，晶锭中温度梯度，因此，晶锭中可能存在热应力可能存在热应力，在硅片加工和，在硅片加工和电池制备过程中容易造成硅片碎裂。所以，晶体生长完成电池制备过程中容易造成硅片碎裂。所以，晶体生长完成后，晶锭保持在熔点附近后，晶锭保持在熔点附近2-4h，使，使晶锭温度均匀，以减少晶锭温度均匀，以减少热应力。热应力。6.3.3.5 退火退火6.3.3 晶体生长工艺晶体生长工艺 晶锭

23、在炉内退火后，关闭加热功率，提升隔热晶锭在炉内退火后，关闭加热功率，提升隔热装置或者完全下降晶锭，炉内通入大流量氩气，使晶装置或者完全下降晶锭，炉内通入大流量氩气，使晶体温度逐渐降低至室温附近；同时，炉内气压逐渐上体温度逐渐降低至室温附近；同时，炉内气压逐渐上升，直至达到大气压，最后除去晶锭，该过程约要升，直至达到大气压，最后除去晶锭，该过程约要10h。6.3.3.6 冷却冷却6.3.3 晶体生长工艺晶体生长工艺 对于重量为对于重量为250-300Kg的铸造多晶硅而言，一般晶体的铸造多晶硅而言，一般晶体生长的速度为生长的速度为0.1-0.2mm/min，其晶体生长的时间约为，其晶体生长的时间约

24、为35-45h。6.3.3 晶体生长工艺晶体生长工艺6.3.3 晶体生长工艺晶体生长工艺多晶硅太阳电池制备流程多晶硅太阳电池制备流程 与直拉单晶硅不同，铸造多晶硅结晶时不需要籽晶。与直拉单晶硅不同，铸造多晶硅结晶时不需要籽晶。晶体生长过程中，一般自坩埚底部开始降温，当硅熔体的晶体生长过程中，一般自坩埚底部开始降温，当硅熔体的温度低于熔点（温度低于熔点（1414）时，在接近坩埚底部处熔体首先）时，在接近坩埚底部处熔体首先凝固，形成柱状晶，柱状的方向与晶体凝固的方向平行，凝固，形成柱状晶，柱状的方向与晶体凝固的方向平行，直至所有的硅熔体都结晶为止，这是典型的定向凝固过程。直至所有的硅熔体都结晶为止

25、，这是典型的定向凝固过程。6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素 尽量均匀的固液界面温度；尽量均匀的固液界面温度； 尽量小的热应力；尽量小的热应力； 尽量大的晶粒；尽量大的晶粒； 尽可能少的来自于坩埚的污染。尽可能少的来自于坩埚的污染。铸造多晶硅中需要解决的主要问题铸造多晶硅中需要解决的主要问题6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素 晶体凝固时，一般自坩埚的底部开始，晶体在底晶体凝固时，一般自坩埚的底部开始，晶体在底部形核并逐渐向上生长。在部形核并逐渐向上生长。在不同的热场设计不同的热场设计中，中，固液界固液界面的形状呈凹状或凸状面的形状呈凹状或凸状，由于，由于硅熔体和晶体

26、硅的密度不硅熔体和晶体硅的密度不同同，此时地球的重力将会影响晶体的凝固过程，产生晶，此时地球的重力将会影响晶体的凝固过程，产生晶粒小、不能垂直生长等问题，影响铸造多晶硅的质量。粒小、不能垂直生长等问题，影响铸造多晶硅的质量。 固液界面的温度固液界面的温度6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素 需要需要特殊的热场设计特殊的热场设计，使得熔体硅在凝固时，自底，使得熔体硅在凝固时，自底部开始到上部结束，其部开始到上部结束，其固液界面始终保持与水平面平行固液界面始终保持与水平面平行，称为称为“平面固液界面凝固技术平面固液界面凝固技术”。 这样制备出来的铸造多晶硅硅片的这样制备出来的铸造多晶硅

27、硅片的表面和界面垂直表面和界面垂直，可以使相关太阳电池有效地可以使相关太阳电池有效地避免晶界的负面影响避免晶界的负面影响。解决方法：解决方法：6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素 在晶体凝固过程中，在晶体凝固过程中，晶体的中部和边缘部分存在晶体的中部和边缘部分存在温度梯度温度梯度。温度梯度越大，多晶硅中的热应力越大，。温度梯度越大，多晶硅中的热应力越大，会导致更多体内位错生长，甚至导致晶锭的破裂。会导致更多体内位错生长，甚至导致晶锭的破裂。6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素2. 温度梯度温度梯度防止温度梯度的方法防止温度

28、梯度的方法 铸造多晶硅在生长时，生长系统必须很好的隔热，铸造多晶硅在生长时，生长系统必须很好的隔热，以便保持熔区温度的均匀性，没有较大的温度梯度以便保持熔区温度的均匀性，没有较大的温度梯度出现。出现。 保证在晶体部分凝固、熔体体积减小后，温度没保证在晶体部分凝固、熔体体积减小后，温度没有变化。有变化。6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素 影响温度梯度的因素，除了热场本身的设计外，冷却影响温度梯度的因素，除了热场本身的设计外，冷却速率起决定性的作用。速率起决定性的作用。 通常晶体的生长速率快，劳动生产率越高，但其温通常晶体的生长速率快，劳动生产率越高，但其温度梯度也越大，最终导致热应

29、力越大，而高的热应力会导度梯度也越大，最终导致热应力越大，而高的热应力会导致高密度的位错，严重影响材料的质量。致高密度的位错，严重影响材料的质量。冷却速率对硅锭温度梯度的的影响冷却速率对硅锭温度梯度的的影响6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素2. 温度梯度温度梯度 在晶体生长初期，在晶体生长初期，晶体生长速率尽量小晶体生长速率尽量小，使得，使得温度梯温度梯度尽量小度尽量小，以保证以，以保证以最少的缺陷密度生长最少的缺陷密度生长；然后，在可以保持然后，在可以保持晶体固液界面平直和温度梯度尽量晶体固液界面平直和温度梯度尽量小小的情况下，尽量地高速生长以提高劳动生产率。的情况下，尽量地高

30、速生长以提高劳动生产率。晶锭的冷却速率的合理设计晶锭的冷却速率的合理设计6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素 对于铸造多晶硅而言，对于铸造多晶硅而言，晶粒越大越好晶粒越大越好，这样晶界的，这样晶界的面积和作用都可以减少，而这主要是有晶体生长过程决定面积和作用都可以减少，而这主要是有晶体生长过程决定的。的。 在实际工业中，铸造多晶硅的晶粒尺寸一般为在实际工业中，铸造多晶硅的晶粒尺寸一般为1-10mm，高质量的多晶硅晶粒大小平均可以达到，高质量的多晶硅晶粒大小平均可以达到10-15mm。3.铸造多晶硅中的晶粒大小铸造多晶硅中的晶粒大小6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素 晶

31、粒的大小还晶粒的大小还与其处于的位置与其处于的位置有关。一般而言，有关。一般而言，晶体硅在晶体硅在底部形核底部形核时，时，核心数目相对较多核心数目相对较多，即使晶粒，即使晶粒的尺寸较小；随着晶体生长的进行，大的晶粒会变得的尺寸较小；随着晶体生长的进行，大的晶粒会变得更大，而小的晶粒会逐渐萎缩，因此，晶粒的尺寸会更大，而小的晶粒会逐渐萎缩，因此，晶粒的尺寸会逐渐变大，如图逐渐变大，如图6.11所示。所示。6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素3.铸造多晶硅中的晶粒大小铸造多晶硅中的晶粒大小 从图从图6.12中可以看出，晶锭上部的晶粒的平均中可以看出，晶锭上部的晶粒的平均面积几乎是底部晶

32、粒的面积几乎是底部晶粒的2倍。倍。6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素 晶粒的大小也与晶体的冷却速率有关：晶粒的大小也与晶体的冷却速率有关：晶体冷晶体冷却得快却得快，温度梯度大温度梯度大；晶体形核的速率快晶体形核的速率快，晶粒多而晶粒多而小小，这也是浇铸法制备的多晶硅的晶粒尺寸小于直熔，这也是浇铸法制备的多晶硅的晶粒尺寸小于直熔法的原因。法的原因。铸造多晶硅晶粒大小与冷却速率的关系铸造多晶硅晶粒大小与冷却速率的关系6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素 由于坩埚壁也与硅熔体接触，与中心部位相比，由于坩埚壁也与硅熔体接触，与中心部位相比，温度相对较低；结晶时，固液界面与石英

33、坩埚接触处温度相对较低；结晶时，固液界面与石英坩埚接触处不断会有新的核心生成，导致多晶硅晶锭的边缘有一不断会有新的核心生成，导致多晶硅晶锭的边缘有一些晶粒不是很完整，相对较小，如图些晶粒不是很完整，相对较小，如图6.6（b）和图）和图6.11所示。所示。6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素 一般而言，在铸造多晶硅中晶锭的一般而言，在铸造多晶硅中晶锭的周边区域存在周边区域存在一层低质量的区域一层低质量的区域，其少数载流子寿命较低，不能应，其少数载流子寿命较低，不能应用与太阳电池的制备。这层区域与多晶硅晶体生长后用与太阳电池的制备。这层区域与多晶硅晶体生长后在高温保留时间有关。通常认为，在高温保留时间有关。通常认为，晶体生长速率越快，晶体生长速率越快，这层区域越小，可利用的材料越多这层区域越小，可利用的材料越多。铸造多晶硅中的低质量的区域铸造多晶硅中的低质量的区域6.3.4 晶体生长的影响因素晶体生长的影响因素 这部分材料虽然不能制备太阳电池，但是可以这部分材料虽然不能制备太阳电池，但是可以回收使用。回收使用。 值得注意的是，在回收料中，显然有越来越多值得注意的是，在回收料中，显然有越来越多的碳化物和氮化物，这些的碳化物和氮化物，这些杂质过多，会导致材料质杂质过多，会导致材料质