铸造多晶硅
第6章铸造多晶硅
铸造多晶硅的掺杂： 与单晶硅一样，铸造多晶硅的晶体生长过程中也要 进行掺杂，掺杂时要考虑成本、杂质的分凝系数及 后续的太阳电池制备工艺。实际生产中主要制备p型 多晶硅。 太阳电池最优电阻率1 cm 硼掺杂浓度为2×1016 cm2 2B2O2 = 4B + 3O2 硼的分凝系数为0.8，所以硼的浓度分布比较均匀，所 以铸造多晶硅电阻率分布也比较均匀。图6.13
(3)熔化。通入氩气，使炉内压力维持在 40~60kPα，逐渐增大加热功率，使石 英坩埚内的温度达到1 500℃左右，硅 原料开始熔化，熔化过程中一直保持此 温度，直至化料结束，该过程约需9~11 h。
(4)生长。硅料熔化后，降低加热功率，使石英 坩埚的温度降至1 420℃~1 440℃硅熔点。然后 石英坩埚逐渐向下移动，或者隔热装置逐渐上 升，使石英坩埚慢慢脱离加热区，使硅熔料与 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，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 始终保持与水平面基本平行，直至晶体生长完 成，该过程约需要20~22 h。
晶体生长工艺：
(1)装料。将装好料的坩埚放置在热交换台上， 然后炉内抽真空，使炉内压力为5～10 Pα并保 持真空。通入氩气，使炉内压力维持在40~60 kPα。
(2)加热。用石墨加热器加热，首先使石墨部 件、隔热层、硅原料等表面吸附的湿气蒸发， 然后缓慢加温，使石英坩埚的温度达到1 200℃~1 300℃，该过程约需4~5 h。
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。
第十章讲义铸造多晶硅
不断挤占单晶硅的市场，成为最有竞争
力的太阳电池材料。21世纪初已占50% 以上，成为最主要的太阳电池材料。
直拉单晶硅为圆片状，而硅片制备 的圆形太阳电池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。如果将直拉单晶硅圆柱 切成方块，制备太阳电池，其材料浪费 就增加，同样也增加了太阳电池组件的 成本。
晶硅，从而降低了太阳电池的光电转换 效率。
铸造多晶硅和直拉单晶硅的比较见表 10.1
自从铸造多晶硅发明以后，技术不 断改进，质量不断提高，应用也不断广 泛。在材料制备方面，平面固液相技术 和氮化硅涂层技术等技术的应用、材料 尺寸的不断加大。
在电池方面，SiN减反射层技 术、氢钝化技术、吸杂技术的开发 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速提高。
铸造多晶硅的优缺点
缺
铸造多晶硅具有晶界、高密度的位
错、微缺陷和相对较高的杂质浓度，从 而降低了太阳电池的光电转换效率。
10.1 概述 10.2 铸造多晶硅的制备工艺 10.3 铸造多晶硅的晶体生长
10.1 概述
利用铸造技术制备多晶硅，称为铸 造多晶硅（multicrystalline silicon， mc-Si）。
直熔法
由图可知，硅原材料首先在坩埚中熔 化，坩埚周围的加热器保持坩埚上部温度 的同时，自坩埚的底部开始逐渐降温，从 而使坩埚底部的熔体首先结晶。同样的， 通过保持固液界面在同一水平面并逐渐上 升。使得整个熔体结晶为晶锭。在这种制 备方法中，硅原材料的熔化和结晶都在同 一个坩埚中进行。
直熔法
图10.4 直熔法制备铸造多晶硅用 晶体生长炉的结构
直熔法的冷却方式
铸造多晶硅中杂质对少子寿命的影响
铸造多晶硅中杂质对少子寿命的影响对于太阳电池材料，勺子寿命是衡量材料性能的一个重要参数。
多晶硅锭中存在高密度的缺陷和高浓度的杂质(氧、碳以及过渡族金属铁等)。
有研究表明，相比于晶界和位错，氧、铁等主要的杂质元素对硅锭中少子寿命的影响更大。
氧是铸造多晶硅材料中最主要的杂质元素之一，间隙氧通常不显电学活性，对少子寿命没有影响。
但在晶体生长或热处理时，在不同温度氧会形成热施主、新施主、氧沉淀，氧沉淀会吸引铁等金属元素。
另外铁也被认为铸造多晶硅中最常见的有害杂质之一。
P型硅中，铁通常与硼结合成铁-硼对，铁一硼对在室温下能稳定存在，但在200℃下热处理或者强光照可以使铁一硼对分解而形成间隙铁离子和硼离子，由于间隙铁离子和铁一硼对少数载流子复合能力的不同，使得处理前后少子寿命值出现变化，从而可以建立起间隙铁浓度对应少子寿命值变化之间的关系。
杂质在铸造多晶硅硅锭中的分布，与该杂质在硅中的分凝系数K有关。
在铸造多晶硅锭料由底部向顶部逐渐凝固时，如果杂质的分凝系数K<1，则凝固过程中，固相中的杂质不断地被带到熔体中，出现杂质向底部集中，越接近底部浓度越大，相反，如果分凝系数K>1，则杂质集中在顶部，越接近顶部浓度越大。
氧主要集中在硅锭头部，其浓度呈现从硅锭底部向顶部逐渐降低的趋势。
可以认为分凝机制对于氧在熔体硅中的传递和分布起主要作用。
间隙铁分布为：头部和尾部浓度较高，中间部分浓度较低，且分布较为均匀。
这与仅由分凝机制决定的间隙铁浓度分布，特别是在底部处产生了较大偏离。
硅锭底部处出现了较大的间隙铁浓度，由于铁在硅中具有较大的扩散系数，所以这可能是硅锭底部凝固完成后的冷却过程中，铁由坩埚或者氮化硅保护层向其进行固相扩散的结果。
事实上硅锭的底部最先开始凝固，通常整个凝固过程将持续数十小时，硅锭底部将有较长时间处于高温状态，因而使得固相扩散的现象有可能发生。
固相扩散的程度与凝固后硅锭的冷却速率以及各温度下的铁的扩散系数有关。
多晶硅铸锭工艺流程
多晶硅铸锭工艺流程首先是炉外气氛净化的工艺步骤。
炉外气氛净化是为了防止多晶硅制备过程中受到杂质的污染。
该步骤通常包括热氢气体的预净化、氢气和氩气混合气体的净化和净化后流经硅原料的高纯气流净化等过程，以确保多晶硅的高纯度。
接下来是硅熔炼的工艺步骤。
硅熔炼是将高纯度硅原料进行熔融，形成硅液的过程。
一般采用的炉型有电阻炉和感应炉。
原料硅经过预热后在熔炼炉中加热至熔点以上，形成熔融的硅液。
为了保证硅液的纯度，熔炼中要注意控制氧气含量以避免氧化，同时定期检测硅液中的杂质含量。
第三个步骤是硅液稀释。
硅液稀释是为了减少硅液的纯度，使其适用于铸锭成型。
主要通过向硅液中加入高纯度的硅原料稀释剂，将硅液的纯度降低到所需的水平。
稀释剂加入的量需要根据目标硅液纯度和成本来进行调整。
接下来是浇注成铸锭的工艺步骤。
稀释后的硅液通过铸锭机浇注进铸锭模具中，形成硅铸锭。
为了确保铸锭质量，需要控制浇注速度、温度和铸锭旋转速度等参数。
同时还要注意避免气泡和杂质的污染。
然后是退火的工艺步骤。
铸锭成型后需要进行退火处理，以消除内部应力和杂质的影响，提高硅材料的电学性能。
退火条件通常包括温度、气氛和时长的控制。
通过退火处理，硅铸锭的结晶结构得到优化，提高了电池和集成电路的性能。
最后是切割的工艺步骤。
硅铸锭经过退火处理后，需要进行切割成硅片。
切割通常采用线切割或磁力切割技术。
切割后的硅片可以用于制备太阳能电池或集成电路等应用。
综上所述，多晶硅铸锭工艺流程包括炉外气氛净化、硅熔炼、硅液稀释、浇注成铸锭、退火和切割等步骤。
每一步骤都需要严格控制工艺参数，以确保多晶硅的高纯度和铸锭的质量。
这些工艺步骤是制备高质量多晶硅铸锭的关键。
太阳电池用铸造多晶硅结构缺陷和杂质的
缺陷和杂质2023-11-09•铸造多晶硅太阳电池概述•铸造多晶硅的结构缺陷•铸造多晶硅中的杂质目录•铸造多晶硅结构缺陷和杂质的表征与检测方法•铸造多晶硅结构缺陷和杂质的控制与优化•展望与未来发展趋势01铸造多晶硅太阳电池概述铸造多晶硅太阳电池的制造工艺已经非常成熟，可以实现大规模生产。
制造工艺成熟转换效率较高制造成本较低铸造多晶硅太阳电池的转换效率较高，可以满足大部分应用需求。
铸造多晶硅太阳电池的制造成本较低，具有较好的经济性。
030201吸光层由多晶硅材料构成，能够吸收太阳光并将其转化为电能。
吸光层导电层由掺杂的多晶硅材料构成，能够将吸光层产生的电流导出并传输到外部电路中。
导电层背反射器用于将太阳光反射回吸光层，以增加光吸收效果。
背反射器导电层制备将掺杂的多晶硅材料通过热处理和加工等工艺制成导电层。
铸造多晶硅太阳电池的制造过程原材料准备制造铸造多晶硅太阳电池需要准备多晶硅材料、掺杂剂、反射器等原材料。
吸光层制备将多晶硅材料通过热处理和掺杂等工艺制成吸光层。
背反射器制备将反射器材料通过加工等工艺制成背反射器。
组装将吸光层、导电层和背反射器组装在一起，形成完整的铸造多晶硅太阳电池。
02铸造多晶硅的结构缺陷在铸造多晶硅中，晶界是常见的结构缺陷。
晶界是指不同晶粒之间的交界，通常会对材料的性能产生负面影响。
在太阳电池中，晶界会降低载流子的迁移率，导致光电转换效率下降。
晶界位错是指晶体结构中的原子排列错位。
在铸造多晶硅中，位错会破坏晶体结构的周期性，导致能带结构发生变化。
位错还会影响载流子的散射和复合，进一步降低太阳电池的性能。
位错铸造多晶硅中的晶界与位错杂质陷阱在铸造多晶硅中，杂质原子通常会聚集在晶界或位错等缺陷处。
这些杂质原子会捕获电子或空穴，形成杂质能级，从而影响载流子的迁移和复合过程。
杂质陷阱对太阳电池的光电转换效率产生负面影响。
热处理与杂质陷阱通过热处理可以部分消除杂质陷阱的影响。
在高温下，杂质原子有机会从缺陷处扩散出去，从而减少杂质陷阱的数量。
多晶硅铸锭炉操作与生产流程
多晶硅铸锭炉操作与生产流程多晶硅铸锭是制备太阳能电池元件的重要材料之一、多晶硅铸锭炉的操作与生产流程包括原料准备、炉料制备、炉料充填、炉体封闭、炉体预热、炉体烧结、炉体冷却、铸锭取出等多个环节。
下面将逐一介绍这些环节的具体过程。
首先是原料准备。
多晶硅铸锭的主要原材料是硅石（SiO2）和木炭（C）。
硅石作为含硅的原料，在反应过程中能与木炭发生反应生成多晶硅。
为了保证炉料中硅石和木炭的质量均匀性和纯度，需要进行粉碎、筛分和干燥等处理。
接着是炉料制备。
将经过处理的硅石和木炭按一定比例混合，形成炉料。
炉料的混合比例对最终多晶硅铸锭的质量有很大影响，需要经过工艺参数的优化。
炉料充填是将炉料填充进铸锭炉中的过程。
首先，在铸锭炉的底部放置一层中性炉底材料，然后将炉料均匀地放置在中性炉底材料上，并用振动装置进行压实，以确保炉料充填的均匀性和致密性。
炉体封闭是指将铸锭炉密封起来，以防止炉内温度损失和杂质的进入。
封闭可以通过炉盖或壳体的安装等方式进行。
炉体预热是在充填好炉料并封闭炉体后，将铸锭炉进行加热。
预热的目的是将炉料中的水分和其他杂质蒸发和氧化，为炉体烧结做准备。
炉体烧结是将铸锭炉内的炉料进行高温加热，使硅石和木炭发生化学反应生成多晶硅。
炉体烧结的过程中需要控制炉内的气氛，以保证反应能够正常进行，并通过周期性的气氛调整来降低氧气、水分和其他杂质的含量。
炉体冷却是将烧结好的多晶硅铸锭炉进行冷却。
冷却过程需要控制冷却速度，以避免产生过多的晶界缺陷。
冷却的同时，还需要进行炉体内部的清理，以去除可能存在的杂质。
最后是铸锭取出。
在冷却完成后，将多晶硅铸锭从炉体中取出。
取出后，需要对铸锭进行切割和抛光等处理，得到适合太阳能电池元件制备的晶体硅片。
以上就是多晶硅铸锭炉的操作与生产流程的具体介绍。
通过上述环节的有序进行，能够得到质量稳定、纯度高的多晶硅铸锭，为后续的太阳能电池元件制备提供可靠的材料基础。
铸造多晶硅
1 eC sμ
Cs→N (杂质浓度→载流子浓度）
杂质补偿
P型材料的B原子是带正电（空穴）的，而N型材料 的P原子是带负电（电子）的，如果这两种杂质共 存的话，电子和空穴互相填充，均失去了导电性， 所以宏观上会表现出电阻率升高的情况——施主杂 质与受主杂质的“补偿”现象。 当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是 N型还是P型呢？
6、铸锭浇铸法的一般流程
1000~1400℃ 8.5h 连续充气
预热
室温~1200℃ 15h
熔化
1200~1550℃ 5h 开始充氩气
长晶
1400~1440℃ 10h 连续充气
退火
冷却
400~1000℃ 6h 连续充气
影响多晶硅锭的因素
杂质：C、O、金属 晶体缺陷：晶界；位错 对比单晶硅中的杂质的行为，多晶硅的质量影 响因素的行为？
离子注入法：将N型（或P型）掺杂剂的离子束在静电 场中间加速，注入P型（或N型）半导体表面区域， 在表面形成型号与基体相反的半导体 ，从而形成 半导体。 薄膜生长法：在N型或P型半导体材料的表面，通过气 相、液相等外延技术生长一层具有相反导电类型的 半导体薄膜，从而形成PN结。
4、铸锭原料的配置
在电池方面，SiN减反射层技术 、氢钝化技术、吸杂技术的开发和 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 家都在努力发展其工业规模。自20世纪90年代以 来，国际上新建的太阳电池和材料的生产线大部 分是铸造多晶硅生产线，相信在今后会有更多的 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53%以上，成为 最主要的太阳电池材料。
多晶硅生产工艺流程(3篇)
第1篇一、引言多晶硅是光伏产业和半导体产业的重要原材料，广泛应用于太阳能电池、太阳能热利用、半导体器件等领域。
随着新能源产业的快速发展，对多晶硅的需求量日益增加。
本文将详细介绍多晶硅的生产工艺流程，旨在为相关企业和研究人员提供参考。
二、多晶硅生产工艺流程概述多晶硅的生产工艺流程主要包括以下几个阶段：原料处理、还原反应、熔融提纯、铸造、切割、清洗、包装等。
三、多晶硅生产工艺流程详解1. 原料处理多晶硅的生产原料主要是冶金级硅（Si），其含量在98%以上。
首先，将冶金级硅进行破碎、研磨等处理，使其达到一定的粒度要求。
2. 还原反应还原反应是多晶硅生产的关键环节，其主要目的是将冶金级硅中的杂质去除，得到高纯度的多晶硅。
还原反应分为以下几个步骤：（1）将处理后的冶金级硅加入还原炉中。
（2）在还原炉中通入还原剂，如碳、氢气等，与冶金级硅发生还原反应。
（3）在还原过程中，炉内温度保持在约1100℃左右，反应时间为几小时至几十小时。
（4）反应结束后，将还原炉内的物料进行冷却、破碎、研磨等处理。
3. 熔融提纯还原反应得到的粗多晶硅中仍含有一定的杂质，需要通过熔融提纯的方法进一步去除。
熔融提纯主要包括以下几个步骤：（1）将粗多晶硅加入熔融炉中。
（2）在熔融炉中通入提纯剂，如氢气、氯气等，与粗多晶硅发生反应，生成挥发性杂质。
（3）将挥发性杂质通过炉顶排气系统排出，实现提纯。
（4）提纯结束后，将熔融炉内的物料进行冷却、破碎、研磨等处理。
4. 铸造将提纯后的多晶硅熔体倒入铸造炉中，进行铸造。
铸造过程主要包括以下几个步骤：（1）将熔融的多晶硅倒入铸锭模具中。
（2）在铸锭模具中通入冷却水，使多晶硅迅速凝固。
（3）待多晶硅凝固后，将铸锭模具从熔融炉中取出，得到多晶硅铸锭。
5. 切割将多晶硅铸锭切割成所需尺寸的硅片。
切割过程主要包括以下几个步骤：（1）将多晶硅铸锭放置在切割机上。
（2）在切割机上安装切割刀片，将多晶硅铸锭切割成硅片。
铸锭多晶硅的工艺流程
铸锭多晶硅的工艺流程铸锭多晶硅工艺和直拉单晶工艺都属于定向凝固过程，不过后者不需要籽晶。
当硅料完全融化后，缓慢下降坩埚，通过热交换台进行热量交换，使硅熔液形成垂直的，上高下低的温度梯度，保证垂直方向散热，此温度梯度会使硅在锅底产生很多自发晶核，自下而上的结晶，同时要求固液界面水平，这些自发晶核开始长大，由下而上地生长，直到整锅熔体结晶完毕，定向凝固就完成了，当所有的硅都固化之后，铸块再经过退火，冷却等步骤最终生产出高质量的铸锭。
冷却到规定温度后，开炉出锭。
铸锭多晶硅的优缺点相对于直拉单晶来说，铸锭多晶硅有如下优点1、备制造简单，容易实现全自动控制。
2、料比较广泛，可以利用直拉头尾料、集成电路的废片以及粒状硅料等，当然要将原工艺过程中的污染经过喷砂，腐蚀等手段清洗干净。
3、料量大，产量高，适合大规模生产。
4 、片大小可以随意选取i，例如690MM的方锭可以切成125MM 的方锭25个，也可切成156MM的方锭16个等。
铸锭溶晶生产大尺寸方片，但直拉法就难一些。
点晶体的熔无论融化了已经变成的熔体，或尚未融化的固体都在处在同一个温度值，尽管继续加热，温度却始终保持不变，这个温度就是晶体的熔点。
单晶硅的导热性与方向有关。
多晶硅片上有很多的晶粒，晶粒之间有明显的晶界，由于晶向各不相同，呈现出深浅不同的色差。
直拉单晶炉的热系统及热场1、热系统直拉单晶炉的热系统是指为了融化硅料，并保持在一定温度下进行单晶生长的整个系统，它包括加热器、保温罩、保温盖、托碗（石墨坩埚）、电极等部件，它们是由耐高温的高纯石墨和碳毡材料加工而成的。
加热系统长期使用在高温下，所以要求石墨材质结构均匀致密、坚固、耐用，变形小，无空洞，气孔率≤24%，无裂纹，弯曲强度40~60Mpa,颗粒度0.02~0.05mm,体积密度1.70~1.80g/310-cm,灰分≤1⨯4（100ppm)，金属杂质含量少，一般检测值在410-%数量级。
10-%~6加热器是热系统中最重要的部件，是直接的发热体，温度最高时达到1600。
多晶铸锭工艺流程
多晶铸锭工艺流程多晶铸锭工艺流程指的是将多晶硅（或者硅块）融化并凝固成为晶体锭的过程。
下面是一个典型的多晶铸锭工艺流程。
1. 原料准备：首先，需要准备多晶硅原料。
这些原料通常以硅金属块或者废旧硅切块的形式存在。
原料需要经过化学处理，去除杂质和杂质。
2. 炉料装载：将经过处理的硅原料装入炉中。
炉子通常是石英炉或者石英坩埚。
炉子需要加热到适当的温度，以使硅原料熔化。
3. 熔化：在适当的温度下，硅原料开始熔化。
加热的过程中，炉子中的气氛需要控制，通常是用氢气或者氮气气氛。
这是为了防止氧气与熔化的硅反应，从而避免氧化和杂质生成。
4. 除气：一旦熔化完成，需要除去病毒中的气体，以避免在凝固过程中产生气泡。
为此，可以利用真空泵进行真空处理，或者通过通入气体使熔池表面生成气泡并将其移除。
5. 铸模准备：在硅熔池准备好之后，需要准备合适的铸模。
铸模可以是石英坩埚，也可以是具有特定形状的金属模具，用于定向凝固过程。
6. 凝固：将准备好的铸模浸入硅熔池中，开始凝固过程。
凝固速度需要控制得当，以确保晶体的结晶质量。
通常，凝固速度较快时，多晶硅晶体的结晶度较低；而凝固速度较慢时，晶体的结晶度较高。
此外，凝固过程中，温度和气氛的控制也非常关键。
7. 破模：当多晶硅晶体完全凝固之后，需要将其从铸模中取出。
这通常需要用机械工具或者化学方法进行破模。
在破模过程中，需要小心操作，以避免对晶体造成损害。
8. 切割：一旦晶体从铸模中取出，需要将其切割成合适的尺寸。
这可以用钻石工具进行切割，切割后得到的是硅片。
硅片的尺寸和厚度可以根据需要进行调节。
9. 清洗：最后，需要对切割好的硅片进行清洗和去除杂质。
这是为了确保硅片的纯净度和表面平整度。
综上所述，多晶铸锭工艺流程是一个涉及熔化、除气、凝固、破模、切割和清洗等多个步骤的复杂过程。
不同的工艺参数和条件将直接影响到多晶硅晶体的质量和晶格结构。
因此，精确控制每个步骤是非常重要的，以确保最终产品的质量和性能。
第七章 铸造多晶硅中的缺陷
与直拉单晶硅相比，铸造多晶硅中的碳含量更多。 可超过1*1017cm-3 而直拉单晶硅为低于 5*1015cm-3 . 但碳杂质的基本性质和直拉单晶硅中的一样：分凝 系数、固溶度、扩散速度和测量方法 碳的分凝系数为0.07，因此，碳浓度随晶体的生长， 浓度变大。晶体顶部可到4*1017cm-3 ，从而生成 SiC.
EC
产生 复合
EV
受外界因素(光照、载流子注入等)影响比平衡状 态下多出来的载流子。
非平衡载流子浓度为Δn、Δp。
EC
hν
Δn = Δp
EV
在光激发下，一开始载流子产生率G大于复合率R， 导致载流子增加。到稳态时G = R，此时载流子浓 度趋于稳定。 电子和空穴浓度： n = n0 + Δ n； p = p 0 + Δ p n0 、p0分别为平衡时电子和空穴的浓度。
氮对的热稳定性：750 度全部消失 但硼氮复合体几乎不变
氮氧复合体形成一系列 能级，其能级位于倒带 之下30-60meV. 此性质和直拉单晶硅中 的性质相同
氮氧复合体是一种浅 热施主，并且为单电子 施主，但由于氮的固浓 度很低，因此其对晶体 硅中电阻率的影响几乎 没有。 直拉单晶硅中，氮能 促进氧沉淀，抑制氧施 主，但对铸造多晶硅中 还未有详细的研究。
-
μ-PCD法的测试模型
Excitation pulse
1
eff .
200 ns
1
bulk Sd
1
eff: 有效寿命, 也是测试寿命 bulk : 体寿命 sd: 表面复合影响的寿命
Detected µw signal
Sd
-t/ V = V0 e
多晶硅铸锭工艺流程
2、实验方法
图2-1高效晶硅铸锭工艺流程
➢铸锭：G 6型 810Kg ➢坩埚尺寸：890×890×480mm3 ➢母合金：硼
3、铸锭车间生产流程
3.1 涂层工序
1、准备石英坩埚 检查石英坩埚表面，应干净无污染且无裂纹，内部不能有
3.2装料工序
多晶硅块（chunk）料 碎块（fines）
硅颗粒
电阻率测试仪
硅粉
头料
边料
尾料
碎片 单晶边皮料 单晶头料
PN型测试仪
1、备料
对多晶硅的原硅料和回收料使用PN测试仪和电阻率进行分档 分类，直到达到配比质量，最后计算出需要的掺杂剂质量。
2、装料
a、选取边料垫于坩埚底部
b、将碎片置于边料之上
4、硅锭项目检测
电阻率
1.5
1.45
1.4
1.35
1.3
1.25
1.2 10%尾
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
典型的电阻率分布呈现出上述的变化趋势，尾高头 低。主要是因为所添加的母合金的分凝系数造成的， 检测硅锭中的电阻率是否出现异常。
少子寿命分布状况
检验硅方的边部和底部红区长度和硅锭整体的少子寿 命。
其作用与退火一样重要，直接影响硅锭的性能。
注意事项
在熔化和长晶阶段工会出现熔化、中间长晶和边部长晶 三次报警。在铸锭循环过程中，这两个阶段需予以密切关 注。
当炉内压力低于980mbar时，需要对炉子进行充气。回填 操作时炉内压力大于这一数值时没有自动停止，需自动停 止。
铸锭过程中根据炉内出现不同情况手动调整，如适当延 长长晶时间等。注意炉内的水电、气压。
铸造多晶硅.
铸造多晶硅中氧的主要来源： ①来自于原材料 ②来自于铸造多晶硅生长过程中的溶解反应
氧和硼形成B-O对，在光照下，导致太阳电池 光电转换效率的降低。
铸造多晶硅中碳的主要来源：
①来自于原材料
②来自于铸造多晶硅的制备过程， 由于石墨坩埚或石墨加热器的蒸 发
铸造多晶硅中氮的来源： 石英坩埚或石墨坩埚内壁涂覆的Si3N4，溶
解后进入铸造多晶硅
氮在晶体硅中存在的形式主要是氮对。 这种氮对有两个未配对电子，和相邻的两个 硅原子以共价键结合，形成中性的氮对，对 晶体硅不提供电子，对晶体硅的载流子浓度 没有影响。但氮可以和铸造多晶硅的主要杂 质氧作用，形成氮氧复合体，从而影响材料 的电学性能。氮氧复合体是一种浅热施主， 是一种单电子施主，可以为晶体提供一个电 子。
半导体级的高纯多晶硅微料料微电子工业用单晶硅生产中的剩余料包括质量较差的高纯多晶硅单晶硅棒的头尾料直拉单晶硅生长完成后剩余在石英坩埚中的埚底料质量较差的高纯多晶硅单晶硅棒的头尾料直拉单晶硅生长完成后剩余在石英坩埚中的埚底料直熔法制备铸造多晶硅具体工艺流程
铸造多晶硅
直拉单晶硅与铸造多晶硅的比较
①优点：直拉单晶硅为圆柱状，其硅片制备的圆形太阳电 池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。如果将直拉单晶硅圆柱切成方柱， 制备方形太阳电池，其材料乱费就增加，同样也增加了太 阳电池组件的成本。
②缺点：含有晶界、高密度的位错、微缺陷和相对较高的 杂质浓度，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。
浇
铸
硅熔体
法
铸造 定向凝固多晶硅
坩埚 硅熔体
硅熔体
直熔法坩埚（内壁涂覆氮化硅源自 加热器 多晶硅原料硅熔体
多晶硅锭制备-铸锭多晶硅工艺
铸锭多晶硅在光伏产业中的应用案例
总结词
铸锭多晶硅在光伏产业中得到了广泛应 用，其高效、低成本的优势为光伏产业 的发展提供了有力支持。
VS
详细描述
铸锭多晶硅作为一种高效的光伏材料，在 光伏产业中得到了广泛应用。其具有较高 的光电转换效率和稳定性，能够满足各种 应用场景的需求。同时，铸锭多晶硅的生 产成本相对较低，有利于降低光伏发电的 成本，促进光伏产业的可持续发展。
02
多晶硅锭制备的原料与设备
原料选择与准备
01
02
03
硅源
选择纯度高的工业硅作为 原料，确保硅锭的质量和 纯度。
清洗
对原料进行清洗，去除表 面的杂质和污染物，保证 硅锭的纯净度。
破碎与筛分
将大块工业硅破碎成小块， 并进行筛分，以便于后续 的熔炼和铸锭。
设备配置与使用
熔炼炉
熔炼炉是制备多晶硅锭的 核心设备，用于将破碎筛 分后的工业硅熔化成硅液。
定期保养
按照设备保养要求，对设备进行定期 保养，延长设备使用寿命。
03
多晶硅锭制备的工艺参数
温度控制
熔化温度
熔化温度是制备多晶硅锭的关键参数，它决定了硅材料的纯度和结晶质量。熔 化温度过高会导致硅材料氧化和杂质混入，而温度过低则会导致硅材料无法完 全熔化。
结晶温度
结晶温度是多晶硅锭制备过程中的重要参数，它决定了硅材料的结晶结构和晶 粒大小。结晶温度过低会导致晶粒过小，而温度过高则会导致晶粒过大，影响 多晶硅锭的质量。
06
多晶硅锭制备的案例分析
某公司多晶硅锭制备工艺流程优化案例
总结词
该公司通过对多晶硅锭制备工艺流程的优化，提高了生产效率和产品质量，降低了能耗和生产成本。
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➢合金法 ➢扩散法 ➢离子注入法 ➢薄膜生长法 ➢……
合金法
把一凝受定固特主在温，点型交度在：界杂，NN面P质区型区使处小中硅中小，施球受片杂球主放主上质溶杂杂在浓形解质质一度成，浓浓由块一度然度NN含为后为A型（N有N降单DPA高，型低，晶而）浓也温硅且突度是度片均变均受，上匀为匀主熔分，N分杂D体布加布（质；开。热N的型始到P ）型，硅具薄有层这，种其杂与质分N型布硅的P衬N底结称的为交突界变面结处。即为PN结。
其原理是利用电磁感应的冷坩埚来熔化硅 原料。
优点
这种技术熔化和凝固可以在不同部位同时进行，节 约生产时间；而且，熔体和坩埚不直接接触，既没 有坩埚消耗，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度降低。
该技术还可以连续浇铸，速度可达 5mm/min。不 仅如此，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。
2、铸造多晶硅的制备工艺
➢ 铸锭浇注法 ➢ 定向凝固法 ➢ 磁感应加热连续铸造（EMCP）
铸锭浇注法
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，采用定 向凝固技术制备大晶粒的铸造多晶硅。
定向凝固法
直接熔融定向凝固法，简称直熔法。 ➢ 在坩埚内直接将多晶硅溶化，然后通过坩埚底部的
铸造多晶硅
自20世纪80年代铸造多晶硅发明和应用 以来，增长迅速，80年代末期它仅占太阳 电池材料的10%左右，而至1996年底它已
占整个太阳电池材料的36%左右，它以相
对低成本、高效率的优势不断挤占单源自晶硅的市场，成为最有竞争力的太阳电池 材料。21世纪初已占50%以上，成为最主 要的太阳电池材料。
在电池方面，SiN减反射层技术 、氢钝化技术、吸杂技术的开发和 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 家都在努力发展其工业规模。自20世纪90年代以 来，国际上新建的太阳电池和材料的生产线大部 分是铸造多晶硅生产线，相信在今后会有更多的 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53%以上，成为 最主要的太阳电池材料。
铸造多晶硅和直拉单晶硅的比较
晶体性质 晶体形态 晶体质量 能耗/(kW·h/kg) 晶体大小 晶体形状 电池效率/%
直拉硅单晶 单晶 无位错 >100
约300mm 圆形 15~17
铸造多晶硅 大颗粒多晶 高密度位错
约16 >700mm
方形 14~16
自从铸造多晶硅发明以后，技术不断改进， 质量不断提高，应用也不断广泛。在材料制备 方面，平面固液相技术和氮化硅涂层技术等技 术的应用、材料尺寸的不断加大。
引入能级（掺杂元素引入能级造成的影响是怎样的？）
杂质补偿
电阻率（或电导率）跟杂质的浓度有关。单一一种
杂质浓度时：
1 eC sμ
Cs→N (杂质浓度→载流子浓度）
杂质补偿
P型材料的B原子是带正电（空穴）的，而N型材料 的P原子是带负电（电子）的，如果这两种杂质共 存的话，电子和空穴互相填充，均失去了导电性， 所以宏观上会表现出电阻率升高的情况——施主杂 质与受主杂质的“补偿”现象。
扩散法
在N型（或P型）硅片中 ，利用扩散工艺掺入相反型 号与体特过的基，程点在杂体从及：这质材而杂杂种，料构质质结在相成补的中局反P偿分N，部型决布结杂区号定由。质域的。扩浓形半散度成导 例中：从，，将通P区加P常型到温称半N至为区导1缓是0体0变逐0放~结渐1入2。变0扩0化℃散的，炉 通入P低2O5表，面P浓2O度5在深硅扩片散表结面 分扩—解散—，到线半P性沉导缓淀体变在内结硅，。片在表硅面表并面 形成含高浓度磷的N型半导 体。
显然，这是一种很有前途的铸造多晶硅技术。
缺点
这种技术制备出的铸造多晶硅的晶粒比较细小， 约为3-5mm，而且晶粒大小不均匀。而且，由图 6.9可以看出，该技术的固液界面是严重的凹形， 会引入较多的晶体缺陷。因此，这种技术制备的 铸造多晶硅的少数载流子寿命较低，所制备的太 阳电池的效率也较低。
3、铸造多晶硅的原材料
铸造多晶硅的原材料
高纯多晶硅
微电子工业应单 晶硅生产的剩余料
微电 子工业 应单晶 硅生产 的剩余 料
质量相对较差的高纯多晶硅
单晶硅棒的头尾料 单晶硅生长完成后剩余在石英
坩埚中的硅底料
补充：PN结的制备方法
PN结的制备方法
PN结的制备方法
在一块 N型（或P型）半导体单晶上，用适当的工艺方法 把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别形 成N型和P型的导电类型，两者的交界处就形成了PN结。
当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是 N型还是P型呢？
ND>>NA
因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首 先跃迁到NA个受主能级上，还有ND-NA个电子在施主能级 上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导电电子的浓度为 n= ND-NA。即则有效施主浓度为NAeff≈ ND-NA
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——热交换法（Heat Exchange Method， HEM）。 ➢ 在坩埚内直接将多晶硅溶化，然后将坩埚以一定的 速度移出热源区域，从而建立起定向凝固的条件— —布里曼法（Bridgman）。
定向凝固法
与铸锭浇注法相比，定向凝固法有以下优点：
离子注入法：将N型（或P型）掺杂剂的离子束在静电 场中间加速，注入P型（或N型）半导体表面区域， 在表面形成型号与基体相反的半导体 ，从而形成 半导体。
薄膜生长法：在N型或P型半导体材料的表面，通过气 相、液相等外延技术生长一层具有相反导电类型的 半导体薄膜，从而形成PN结。
4、铸锭原料的配置
杂质的作用
➢在同一个坩埚中进行熔炼与凝固成形，避免了熔体的二次 污染；
➢通过定向凝固得到的是柱状晶，减轻了晶界的不利影响； ➢由于定向凝固过程中的杂质分凝效应，对于硅中分凝系数
与1相差较大的杂质有一定的提纯作用。
缺点：能耗大，生产效率低，操作不连续、产能较小，坩埚 耗费大，其硅锭制备设备成本较高。
电磁感应加热连续铸造（EMCP）