多晶硅铸锭技术及设备

1、多晶硅锭固定技术和设备。前言2。多晶硅锭的组织结构。定向凝固过程中硅中杂质的偏析。多晶硅锭的定向凝固生长方法。热交换炉类型6。对现行换热流程的探讨。坩埚设备1。前言1。太阳能电池产业是近年来发展最快的产业之一，近五年来以超过40%的速度高速增长。2.在各种类型的太阳能电池中，晶体硅太阳能电池由于其高转换效率和成熟的技术继续保持领先地位，占总数的90%以上。预计晶体硅在未来十年仍将占据主导地位。随着太阳能电池产业的快速发展，对硅锭/硅片的需求也大大增加。2004年之前，中国光伏产业链中只有两三家晶体硅晶片制造商，产能只有几十兆瓦。随着市场需求的增长，出现了许多硅片生产企业，特别是多晶硅锭的大规模

2、生产，单个工厂的生产能力已经达到100兆瓦。4.多晶硅锭生产设备主要从国外进口(美国GTSOLAR、德国ALD)。1.序言，2。太阳能电池多晶硅锭的组织结构。太阳能电池多晶硅锭是垂直晶体生长方向的柱状晶体，通过定向凝固(也称可控凝固和约束凝固)实现，即在结晶过程中，通过控制温度场的变化，形成单向热流(生长方向与热流方向相反)，要求液固界面温度梯度大于0，而在横向方向，定向凝固柱状晶体生长示意图、热流方向、横向温度梯度和散热、晶体生长方向、2。太阳能电池多晶硅锭的微观结构。一般来说，纯金属对于金属来说，由于相同的表面自由能，生长的柱状晶体是直的，没有分叉。然而，由于硅是一个小平面，不同晶面的自由

3、能不同，表面自由能最低的晶面会比老师的晶面长。特别是由于杂质的存在，表面自由能因杂质在晶面上的吸附而改变，所以多晶硅柱状晶体的生长方向不像金属那样直，并伴有分叉。二是太阳能电池多晶硅锭的组织结构；二是太阳能电池多晶硅锭的组织结构；第三，定向凝固过程中硅中杂质的偏析；首先，太阳如下图所示，当杂质浓度为C0的成分的温度下降到T时，在固-液界面的固体侧的杂质浓度为C * S.对于杂质浓度很小的平衡固液体系，固相组分与液相组分在液固界面的比例是常数，可以表示为平衡分配系数K=C*S/C*L，其中液固界面的溶质浓度为C*S，液固界面的溶质浓度为C*S。硅中金属杂质的平衡分配系数为10-410-8，硼为0

4、-3。定向凝固过程中硅中杂质的偏析：3.实际生产中，固液界面存在溶质富集层，杂质分布系数也与富集层厚度、杂质扩散速度、硅液对流强度和晶体生长速度有关。引入有效分布系数K，表明K=K/K (1-K)exp(-R/DL)在：K时有效。R生长速率厘米/秒，溶质富集层厚度(固液界面扩散层)厘米(0.005-0.05)，D1扩散系数厘米2/秒或接近0，K接近K时，净化效果最大。当r接近1，k接近1时，没有净化。3.定向凝固过程中硅中杂质的偏析。硅中杂质在定向凝固过程中的偏析，金属杂质含量沿硅锭生长方向的分布。定向凝固过程中硅中杂质的偏析。多晶硅锭的定向凝固生长方法，实现多晶硅定向凝固生长的四种方法：1

5、.布林方法2。热交换方法3。电磁铸锭法4。铸造方法1。Bryman方法(1。特点：坩埚和热源在凝固开始时相对移动，分为液相区和凝固区，液相区和凝固区由隔热板隔开。液体和固体界面的温度梯度必须为0，即dT/dx0，并且温度梯度接近常数。4.多晶硅锭的定向凝固生长方法。1.布里奇曼法晶体生长速度由工作台的下移速度和冷却水的流速控制，冷却水的流速接近恒定，可以调节。硅锭的高度主要受设备和坩埚高度的限制。生长速度约为0.8-1.0毫米/分钟。缺点：炉的结构比热交换法复杂，坩埚需要平稳升降，坩埚底部需要水冷。多晶硅锭定向凝固生长法，坩埚热源硅液保温板热开关工作台冷却水固相固液界面液相布里曼法示意图，目前

6、国内厂家主要采用热交换法。一般在坩埚底部放置一个热开关，熔化时关闭，起到隔热作用；凝固开始时，热开关打开，以增强坩埚底部的散热强度。晶体生长速率由坩埚底部的散热强度控制，如果采用水冷，则由冷却水的流速(以及进出水的温差)控制。4.多晶硅锭的定向凝固生长方法，由于定向凝固只能是单向热流(散热)，而径向(坩埚横向)不能，即径向温度梯度趋于零，而坩埚和热源都是静止的，所以随着凝固的进行，热源即热场的温度(高于熔点温度)会逐渐向上移动，同时必须保证没有径向热流，因此很难控制和调节温度场。4.多晶硅锭的定向凝固生长方法2。热交换方法如图所示，液固界面逐步向上移动，液固界面的温度梯度必须为正，即大于0。然

7、而，随着界面逐渐向上移动，温度梯度逐渐降低，直至趋于零。从以上分析可以看出，热交换法的晶体生长速率和温度梯度是可变的。此外，主轴高度是有限的，而扩大容量的唯一方法是增加硅主轴的横截面积。最大的优点是炉子结构简单。4.多晶硅锭定向凝固生长方法，热源坩埚液固界面散热装置HEM示意图，固相，液相，4。多晶硅锭的定向凝固生长法，实际生产中使用的结晶炉大多采用热交换与溴化相结合的技术。图为热交换法和布里曼法结合的结晶炉示意图。在图中，工作台被供给冷却水，一个热开关被放置在上面，坩埚位于热开关上。当硅材料熔化时，在结晶过程中热开关关闭和打开，坩埚底部的热量被工作台中的冷却水带走，形成温度梯度。同时，坩埚工

8、作台缓慢下降，使凝固的硅锭离开加热区，在固液界面保持相对稳定的温度梯度。在这个过程中，工作台下降非常平稳，以确保可怕的坩埚底部的热量通过保温框架和隔热板之间的间隙散失，形成温度梯度。4.多晶硅锭定向凝固生长法，HEM B脊形法示意图(热源和保温框移动)；3.电磁铸锭法的特点：1 .无坩埚(应时陶瓷坩埚)；2.氧和碳含量低，晶粒比HEM法小；3.净化效果稳定。4.锭子的横截面没有HEM法大，在日本最大350毫米350毫米，但锭子的高度可以达到1米以上。4.多晶硅锭的定向凝固生长方法，图12。电池浇铸方法示意图。4.多晶硅锭的定向凝固生长方法。4.铸造法将熔炼和凝固分开，熔炼在衬有石英砂的感应炉中

9、进行，将熔融的硅液倒入石墨模型中，将石墨模型放置在升降平台上，通过电阻加热，然后以每分钟1毫米的速度下降(凝固过程基本上是布里曼法)。其特征在于在两个不同的坩埚中进行熔化和结晶。从图中可以看出，这种生产方法可以实现半连续生产，其熔化、结晶和冷却位于不同的地方，可以有效提高生产效率，降低能耗。缺点是不同的坩埚用于熔化和结晶，这将导致二次污染。此外，由于坩埚翻转机构和铸锭导向机构，结构相对复杂。4.多晶硅锭定向凝固生长法，图8铸造法硅锭炉示意图1硅原料入口2。感应炉3。凝固炉4。硅锭处理机5。冷却机器6。铸模提升7。感应炉翻转机构。电极，图9凝固炉结构和凝固方法示意图凝固开始前凝固进行中1炉壁2硅

10、液3加热体4浇铸模具(石墨浇铸模具)5浇铸底部6水冷板7隔热壁8氮化硅涂层9炉床区域10隔热壁5。热交换炉类型，炉类型1:下一页是目前在中国广泛使用的一种热交换炉类型的示意图，它是由石墨电阻加热的。容量为240-270公斤。凝固初期，通过提升保温框架(0.12-0.2毫米/分钟)来提高石墨块的散热强度。晶体生长速率是可变的，平均为0.28毫米/分钟。这种炉的最大优点是结构简单，坩埚底部不需要水冷。其次，侧面加热时，底部温度低于表面温度，形成强对流。缺点是热效率不高，每公斤硅锭的功耗约为13 -15度。此外，循环时间长，约50-52小时。保温框架热源坩埚液-固界面石墨块隔热板(防止不锈钢底部过热

11、)1号炉示意图、2号炉：该炉型因其生产能力大正被国内许多厂家引进。特点：(1)石墨棒上下加热。(2)顶部装料，装料时，炉盖水平移出。(3)固化时，关闭底部加热器，同时打开热开关，通过冷却板提高散热强度(即晶体生长速度)。(4)由于顶部加热，液相中形成正温度梯度，晶粒取向得到改善，晶体生长速度比第一炉型快。(5)结构复杂，屋顶由悬臂起重机承载，增加了厂房的高度。(6)热效率高(带热开关，周期缩短至46-50小时)。(7)顶部加热抑制对流，净化效果可能低于第一种炉型。5.热交换炉型，炉盖顶部加热器，坩埚支撑板底部加热器，热开关冷却板炉体，2、5型炉示意图。热交换方法的当前过程讨论，1。生长速度第一

12、台第一类热交换炉的生长速度从节能和缩短周期来提高生产率的角度来看，是否可以通过增加散热强度来提高生长速度，应该与热场相匹配；2.在1200退火将导致杂质在固相中的反向扩散。高温退火的主要目的是消除硅锭因温度不均匀而产生的应力，进而降低位错密度。然而，根据第一种炉型的测量数据，坩埚底部的中心和拐角之间的温差仅为30C，凝固速度仅为0.15-0.28毫米/分钟。硅锭在凝固过程中的温降很小，高温退火后的温降为20C/min。我们可以考虑调整退火工艺吗？(6)对现行热交换法流程的探讨。(7)坩埚设备。(1)当涂层材料用于制备铸造多晶硅时，在原料熔化和晶体生长过程中，硅熔体与坩埚的长期接触会产生粘度。由于两种材料的热膨胀系数不同，如果硅材料与坩埚壁紧密结合，晶体硅或坩埚在晶体冷却时可能会破裂。然而，硅熔体与坩埚之间的长时间接触也会造成陶瓷坩埚的腐蚀，并增加多晶硅中的氧浓度。为了了解这些问题，通常采用Si3N4等材料作为坩埚内壁的涂层，以隔绝硅熔体与坩埚的直接接触，这不仅解决了粘度问题，而且降低了多晶硅中氧和碳的杂质浓度。在大多数情况下，通过定向凝固技术生长的铸造多晶硅坩埚是可消耗的并且不能回收，即一个多晶硅炉需要一个陶瓷坩埚。陶瓷坩埚采用氮化硅涂层可重复使用，降低了生产成本。(2)扩大陶瓷坩埚的尺寸(1)理论上