多晶硅铸锭技术及设备-课件.ppt
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1、多晶硅锭定技术及设备多晶硅锭定技术及设备 一、前言 二、多晶硅锭的组织结构 三、定向凝固时硅中杂质的分凝 四、多晶硅锭定向凝固生长方法 五、热交换炉型 六、热交换法现行工艺讨论 七、坩埚设备 一、前言1、太阳电池产业是近几年发展最快的产业之一,最近5年来以超过40%的速度高速增长。2、在各种类型的太阳电池中,晶体硅太阳电池由于其转换效率高,技术成熟而继续保持领先地位,占据了90%以上的份额,预计今后十年内晶体硅仍将占主导地位。3、太阳电池产业的飞速发展,带动硅锭/硅片的需求也大增,2019年以前,我国光伏产业链中晶体硅硅片的生产厂家还只有两、三家,生产能力也只有几十兆瓦。随着市场需求的增长,涌
2、现了很多硅片生产企业,特别是多晶硅硅锭的生产向大规模化发展,单厂生产能力已达到百兆瓦级。4、多晶硅锭生产设备主要从国外引进(美国GTSOLAR,德国ALD)。一、前言二、太阳电池多晶硅锭的组织结构1、太阳电池多晶硅锭是一种柱状晶,晶体生长方向垂直向上,是通过定向凝固(也称可控凝固、约束凝固)过程来实现的,即在结晶过程中,通过控制温度场的变化,形成单方向热流(生长方向与热流方向相反),并要求液固界面处的温度梯度大于0,横向则要求无温度梯度,从而形成定向生长的柱状晶。定向凝固柱状晶生长示意图热流方向侧向无温度梯度,不散热晶体生长方向二、太阳电池多晶硅锭的组织结构 2、一般来说,纯金属通过定向凝固,
3、可获得平面前沿,即随着凝固进行,整个平面向前推进,但随着溶质浓度的提高,由平面前沿转到柱状。对于金属,由于各表面自由能一样,生长的柱状晶取向直,无分叉。而硅由于是小平面相,不同晶面自由能不相同,表面自由能最低的晶面会优先生长,特别是由于杂质的存在,晶面吸附杂质改变了表面自由能,所以多晶硅柱状晶生长方向不如金属的直,且伴有分叉二、太阳电池多晶硅锭的组织结构二、太阳电池多晶硅锭的组织结构多晶硅锭的柱状晶结构三、定向凝固时硅中杂质的分凝1、太阳电池硅锭的生长也是一个硅的提纯过程,是基于杂质的分凝效应进行的。如下图所示,一杂质浓度为C0的组分,当温度下降至T时,其固液界面处固相侧的杂质浓度为C*S。2
4、、对一个杂质浓度非常小的平衡固液相系统,在液固界面处固相中的成分与在液相中的成分比值为一定,可表达为平衡分配系数 K=C*S/C*L 其中,C*L液固界面处液相侧溶质浓度 C*S液固界面处固相侧溶质浓度 金属杂质在硅中平衡分配系数在10-410-8之间,B为0.8,P为0.35。三、定向凝固时硅中杂质的分凝3、实际生产中固液界面还存在一个溶质富集层,杂质的分配系数还与该富集层的厚度、杂质的扩散速度、硅液的对流强度及晶体生长速度均有关,引入有效分配系数K来表示:K =K/K+(1-K)exp(-R/DL)式中:K 有效分配系数,K 平衡分配系数,R 生长速度cm/s,溶质富集层厚度(固液界面的扩
5、散层)cm(0.005-0.05),DL 扩散系数cm2/s R或趋近于0,K趋近于K时,最大程度提纯。R趋近于,K趋近于1时,无提纯作用。三、定向凝固时硅中杂质的分凝三、定向凝固时硅中杂质的分凝05101520963126162199210硅锭高度/生长方向(mm)杂质含量(ppm)FeAl金属杂质含量沿硅锭生长方向分布图三、定向凝固时硅中杂质的分凝四、多晶硅锭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、布里曼法2、热交换法3、电磁铸锭法4、浇铸法1、布里曼法(Bridgeman Method)这是一种经典的较早的定向凝固方法。特点:坩埚和热源在凝固开始时作相对位移,分液相区和凝固
6、区,液相区和凝固区用隔热板隔开。液固界面交界处的温度梯度必须0,即dT/dx0,温度梯度接近于常数。四、多晶硅锭定向凝固生长方法1、布里曼法(Bridgeman Method)长晶速度受工作台下移速度及冷却水流量控制,长晶速度接近于常数,长晶速度可以调节。硅锭高度主要受设备及坩埚高度限制。生长速度约0.8-1.0mm/分。缺点:炉子结构比热交换法复杂,坩埚需升降且下降速度必须平稳,其次坩埚底部需水冷。四、多晶硅锭定向凝固生长方法 坩埚 热源 硅液 隔热板 热开关 工作台 冷却水 固相 固液界面 液相 布里曼法示意图2、热交换法是目前国内生产厂家主要使用的一种炉型。特点:坩埚和热源在熔化及凝固整
7、个过程中均无相对位移。一般在坩埚底部置一热开关,熔化时热开关关闭,起隔热作用;凝固开始时热开关打开,以增强坩埚底部散热强度。长晶速度受坩埚底部散热强度控制,如用水冷,则受冷却水流量(及进出水温差)所控制。四、多晶硅锭定向凝固生长方法由于定向凝固只能是单方向热流(散热),径向(即坩埚侧向)不能散热,也即径向温度梯度趋于 0,而坩埚和热源又静止不动,因此随着凝固的进行,热源也即热场温度(大于熔点温度)会逐步向上推移,同时又必须保证无径向热流,所以温场的控制与调节难度要大。四、多晶硅锭定向凝固生长方法2、热交换法如简图所示,液固界面逐步向上推移,液固界面处温度梯度必须是正值,即大于0。但随着界面逐步
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