定向凝固制备铸造多晶硅的原理及应用综述
《定向凝固Al-Cu-Si共晶合金组织形成与性能》范文
《定向凝固Al-Cu-Si共晶合金组织形成与性能》篇一一、引言近年来，Al-Cu-Si共晶合金因其在机械、物理及化学性能上的优异表现，在多种工程领域得到了广泛应用。
其组织结构的形成及性能的优化是当前材料科学研究的重要课题。
本文主要对定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的组织形成过程及性能进行了研究。
二、Al-Cu-Si共晶合金的组织形成1. 成分设计与熔炼定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的成分设计主要依据合金的共晶成分。
在高温下，将Al、Cu和Si按照预设比例混合并熔炼，待其完全熔化后，进行均匀化处理，以消除成分偏析。
2. 定向凝固过程在定向凝固过程中，合金的冷却速率对组织形成具有重要影响。
通过控制冷却速率，可以获得具有特定组织结构的共晶合金。
在缓慢的冷却过程中，原子有足够的时间进行有序排列，形成定向生长的组织结构。
3. 组织形成机理Al-Cu-Si共晶合金的组织形成主要受到原子扩散、相变及共晶反应的影响。
在冷却过程中，合金中的各元素通过扩散达到共晶反应的成分比例，进而发生共晶反应，形成共晶组织。
三、定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的性能1. 机械性能定向凝固Al-Cu-Si共晶合金具有优异的机械性能，包括高强度、良好的塑性和韧性。
其高强度主要源于共晶组织的强化作用，而良好的塑性和韧性则得益于合金中各相的均匀分布和相互协调。
2. 物理性能该合金具有良好的导热性和导电性，这主要归因于其独特的组织结构和各元素的优良性能。
此外，其还具有较高的热稳定性，能够在高温环境下保持较好的性能。
3. 耐腐蚀性能Al-Cu-Si共晶合金在多种环境下表现出良好的耐腐蚀性能。
这主要得益于其致密的组织结构和元素之间的相互协同作用，使得合金在腐蚀环境下具有较高的抗蚀性。
四、结论本研究通过对定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的组织形成与性能进行研究，发现该合金具有优异的机械性能、物理性能和耐腐蚀性能。
这些性能主要源于其独特的组织结构，包括共晶组织的形成、各相的均匀分布以及元素之间的相互协同作用。
铸造多晶硅制备技术的研究进展
（１ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｎｙｕ ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉｎｙｕ ３３８０００，
２ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈｎｉａｌ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ！Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００９９）
ｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｐｕｌｌｉｎｇ Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ａｎｄ ｂｏｒｏｎ ｉｎ
ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｇｒａｄｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｓ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌｓ，ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ａｎｄ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｃｒｙｓ—
为了降低坩埚对硅锭的污染。研究者提出了一种改进方 法。在坩埚内壁涂上ｓｉ。Ｎ４膜层，以降低来自坩埚杂质的玷 污。同时．＆。Ｎ．涂层还能起到一定的润滑脱模作用，因为硅 熔体在高温时与石墨发生反应，加之硅凝固过程中的体膨胀 作用，易造成硅锭与石墨模具的粘连，冷却后难以脱模，使用 ｓｉ。Ｎ｜涂层后硅熔体和坩埚内壁不粘结，这样既可以降低凝固 时产生的大量应力又能多次使用坩埚，从而降低了生产成 本。但最近美国的研究者Ｂｕｏｎａｓｓｉｓｉ等［２Ｉ］通过分析比较了 口－Ｓｉ３Ｎ．涂层与铸造多晶硅中杂质的种类、相对浓度、含有杂 质颗粒的化学态和杂质分布状况及其形成机理后，认为在铸 造多晶体生长时，ｓｉ。Ｎ。涂层中的金属与非金属杂质可能会 污染铸造多晶硅，并提出了相应解决措施：（１）减少ｍＳｉ。Ｎ中 杂质含量；（２）改善口－Ｓｉ３Ｎ的结构质量，使得在晶体生长时口－ 鼠Ｎ中的分解物降到最低；（３）降低坩埚的表面面积与体积 的比率（如增大坩埚尺寸大小）。 １．２定向凝固法
《2024年定向凝固Al-Cu-Si共晶合金组织形成与性能》范文
《定向凝固Al-Cu-Si共晶合金组织形成与性能》篇一一、引言定向凝固技术是一种重要的金属材料制备技术，它通过控制冷却速率和温度梯度，使合金在凝固过程中形成特定的组织结构。
Al-Cu-Si共晶合金作为一种典型的金属间化合物，具有优异的力学性能和物理性能。
本文旨在研究定向凝固Al-Cu-Si共晶合金的组织形成与性能，为合金的制备和性能优化提供理论依据。
二、材料与方法1. 材料准备选用高纯度的Al、Cu和Si作为原材料，按照一定的比例配制出Al-Cu-Si合金。
在真空熔炼炉中熔炼合金，并采用定向凝固技术进行凝固处理。
2. 定向凝固技术采用高温度梯度定向凝固装置，控制冷却速率和温度梯度，使合金在特定的条件下进行凝固。
通过调整工艺参数，观察组织结构的变化。
3. 性能测试与表征采用光学显微镜、扫描电子显微镜等手段对合金的组织结构进行观察和分析。
通过硬度测试、拉伸试验等手段评估合金的力学性能。
同时，采用X射线衍射等手段对合金的物相组成进行表征。
三、结果与分析1. 组织形成在定向凝固过程中，Al-Cu-Si共晶合金的组织结构发生了明显的变化。
随着冷却速率和温度梯度的调整，合金中的初生相、共晶相和次生相的形态、大小和分布都发生了改变。
当温度梯度较大时，组织呈现出明显的定向性，初生相和共晶相的分布更加均匀。
2. 性能表现（1）力学性能：随着组织结构的优化，Al-Cu-Si共晶合金的力学性能得到了显著提高。
硬度测试表明，合金的硬度值随着温度梯度的增加而提高。
拉伸试验表明，合金的抗拉强度和延伸率也得到了提高。
（2）物相组成：X射线衍射结果表明，Al-Cu-Si共晶合金主要由Al基体、CuAl2和Si相组成。
随着温度梯度的变化，各物相的相对含量和分布也发生了变化。
四、讨论1. 组织形成机制Al-Cu-Si共晶合金的组织形成受冷却速率和温度梯度的影响较大。
在定向凝固过程中，合金中的初生相和共晶相在特定的温度梯度下形成并长大。
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。
复合定向凝固法制备多晶硅铸锭
复合定向凝固法制备多晶硅铸锭3张 剑,马晓东,罗大伟,刘德华,刘 宁,李廷举(大连理工大学材料科学与工程学院,辽宁大连116024)摘 要: 采用复合定向凝固法制备多晶硅铸锭,在精炼和定向凝固过程中施加电磁场控制柱状晶生长过程。
实验制得平行于铸锭中心轴的柱状晶,直径约为1mm ,铸锭表面质量良好。
分析表明金属杂质并未在晶界处发生聚集;且沿铸锭轴向分布也有明显改善,增加了铸锭的有效提纯长度。
并通过理论计算探讨了晶体生长速度和定向凝固次数对杂质去除效果的影响。
关键词: 多晶硅;定向凝固法;提纯中图分类号: TF533.2文献标识码:A 文章编号:100129731(2009)07211462051 引 言随着光伏产业的迅猛发展[1],采用冶金法制备太阳能级多晶硅铸锭成为一个世界性的研究热点[2]。
目前,硅锭制备方法主要有直拉单晶法制备单晶硅[3]和定向凝固法制备多晶铸锭[4]两种。
相较而言,后者的生产成本远低于前者,因此业界普遍倾向于定向凝固法制备太阳能级多晶硅铸锭[5]。
为提高定向凝固法制备的多晶硅铸锭质量,各国学者提出很多方法[6],如Yuge 等人利用电子束熔炼辅助坩埚下降法将Al 、Fe 、Ti 杂质元素降低到1×10-6(质量分数)以下[7]。
Khattak 等人利用热交换法的方法去除Al 、Fe 、Ca 、Ti 等大部分金属杂质[8]。
Li 等人在Al 2Cu 合金中施加电磁场研究固液界面形状和晶粒形貌[9]。
Stelian 提出在定向凝固过程中采用电磁场控制固液凝固界面,可以抑制径向偏析和凝固界面的波动[10]。
本实验采用一种复合定向凝固法制备多晶硅铸锭。
该方法是在精炼和定向凝固过程中利用电磁场以控制杂质元素运动和固液界面形状;同时增加三区控温系统,用以精确控制定向凝固过程中铸锭周侧的温度梯度。
本文对采用该方法制备的多晶硅铸锭从金相组织、杂质分布、电磁场对熔体的作用机理和固液界面形态变化进行了研究,并与理论计算结果进行了对比。
多晶硅锭定向凝固生长方法概述(PPT 96页)
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/dx>0，温度
梯度接近于常数。
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。
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：
布里曼法 热交换法 电磁铸锭法 浇铸法
8.5.1 铸锭浇注法
铸锭浇注法于1975年由Wacker公司首创，其过程是 将硅料置于熔炼坩埚中加热熔化，而后利用翻转机械 将其注入预先准备好的模具内进行结晶凝固，从而得 到等轴多晶硅。
近年来，为了提高多晶硅电池的转换效率，也有人对 此传统工艺加以改进，通过对模具中熔体凝固过程温 度加以控制，形成一定的温度梯度和定向散热的条件 ，获得定向柱状晶组织。
8.5.2 定向凝固法
热交换法基本原理是在坩埚底板上通以冷却水或气进 行强制冷却，从而使熔体自上向下定向散热;
Bridgman法则是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。
实际生产应用中，通常都是将两者综合起来，从而得 到更好的定向效果。
定向凝固法基本原理 1冷却水或气 2.坩埚 3.液态 4.固/液界面 5.固态 6.热源
热交换法的长晶速度及温度梯度为变数。而且锭子高度受 限制，要扩大容量只能是增加硅锭截面积。
最大优点是炉子结构简单。
液相
热源 坩埚
固相
液固界面
散热装置
HEM法示意图
保温框 热源 坩埚 液固界面
石墨块
隔热板 （防止不锈钢炉底过热） 炉型1示意图
多晶硅的原理及应用
多晶硅的原理及应用原理介绍多晶硅是一种由结晶方法制备的硅材料，具有多晶结构特征。
它的制备过程主要包括炼熔、分散和长大三个步骤。
炼熔多晶硅的制备首先需要将硅矿石加热到高温，形成硅的熔体。
通过添加掺杂剂，可以调节硅的电子性质，使其具备半导体的特性。
分散将熔融的硅材料混合悬浊剂，用搅拌方法将硅材料分散成颗粒状。
在分散的过程中，掺杂剂会均匀分布在硅颗粒中。
长大将分散的硅颗粒放入高温高压的容器中，通过控制温度和压力，硅颗粒会逐渐结晶并长大。
这个过程需要精确的控制参数，以保证硅材料的晶体质量。
应用领域多晶硅具有优异的电子特性，因此被广泛应用于半导体行业和太阳能电池制造领域。
半导体行业多晶硅是目前最常用的半导体材料之一。
半导体芯片中的晶体管和电阻器等元件都需要使用多晶硅来制造。
多晶硅可通过控制温度和压力来调控其导电性和半导体特性，使其适用于各种电子器件。
太阳能电池太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装置。
多晶硅被广泛应用于太阳能电池的制造中。
制作太阳能电池的过程中，多晶硅被制成薄片，然后通过掺杂和涂覆等步骤，形成电池的正负极，以将光能转化为电能。
研究领域除了半导体行业和太阳能电池制造，多晶硅还被广泛应用于各种研究领域。
由于其良好的电学性能和机械性能，多晶硅被用作传感器、微机电系统（MEMS）和纳米器件等的材料基础。
优势与展望多晶硅具有以下几个优势，决定了其在电子行业的广泛应用：1.价格低廉：多晶硅的制备成本相对较低，使其在大规模生产中更具竞争力。
2.电学性能优异：多晶硅具备良好的半导体特性和导电性能，适用于各种电子器件。
3.可控性强：通过控制制备过程中的温度和压力等参数，可以对多晶硅的晶体质量和电学性能进行精确调控。
未来，随着科技的发展，多晶硅在电子行业的应用前景依然广阔。
人们对于便携式电子产品的需求不断增加，而多晶硅作为半导体的重要材料，将在新一代电子产品中扮演着重要的角色。
同时，太阳能电池作为一种可再生能源的转化装置，多晶硅的需求量也将会持续增加。
多晶硅铸锭炉的工作原理
多晶硅铸锭炉的工作原理：将多晶硅料装入有涂层的坩埚内放在定向凝固块上；关闭炉镗后抽真空，加热待硅料完全熔化后，隔热笼缓慢往上提升，通过定向凝固块将硅料结晶时释放的热量辐射到下炉腔内壁上，使硅料中形成一个竖直温度梯度。
这个温度梯度使坩埚内的硅液从底部开始凝固，从熔体底部向顶部生长。
硅料凝固后，硅锭经过退火、冷却后出炉完成整个铸锭过程。
热场是多晶硅铸钻炉的心心脏，其内装石墨加热器、隔热层、坩埚和硅料等。
多晶硅工艺生产过程必须通过加热室的调整来实现，因此，多晶硅铸锭炉加热室的结构设计显得至关重要。
1加热方式分析为使硅料熔融，必须采用合适的加热方式。
从加热的效果而言，感应加热和辐射加热均可以达到所需的温度。
如果采用感应加热的方式，由于磁场是贯穿硅料进行加热，在硅料内部内部很难形成稳定的温度梯度，破坏晶体生产的一致性,而采用辐射加热可以对结晶过程的热量传递进行精确控制,易于在坩埚内部形成垂直的温度梯度，因此我们优先采用辐射加热的方式。
2 加热器的设计多晶硅铸锭炉加热器的加热能力必须超过1650℃，同时材料不能和硅材料反应,不对硅料造成污染，能在真空及惰性气氛中长期使用。
符合使用条件可供选择的加热器有金属钨、钼和非金属石墨等。
由于钨、钼价格昂贵，加工困难,而石墨来源广泛，可加工成各种形状。
另外，石墨具有热惯性小、可以快速加热，耐高温、耐热冲击性好，辐射面积大、加热效率高、且基本性能稳定等特点，因此我们采用高纯石墨作为加热材料。
根据盛装硅料坩埚的特点，加热器设计为如图2形状。
1.石墨加热板；2.石墨加热板；3.角接器；4.石墨电极；5.支承环；6、7、8.碳、碳螺栓、螺母图 2 石墨加热器基本结构2．1石墨加热器的设计计算该炉基本参数：额定功率：165 KV A：最大线电流：3800A：最大输出电压：25V。
加热器的接线方式(见图3)。
图3 加热器的接线方式由I线=3800A，可得：I相=3800/ √3=2194A则每个电阻的电流：I R =2194/2=1097每个电阻的阻值：R=25/1097=0.0228欧该加热器由4块加热板组成，则每块加热板电阻：R板=R*4/6=0.0228*4/6=0.0342欧功率校核：P总=6V2/103R代入得：P总=165KV A,符合额定功率指标。
多晶硅铸锭的晶体生长过程
多晶硅铸锭的晶体生长过程在真空熔炼过后，还要经过一个降温稳定，就进入定向凝固阶段。
这个过程既是多晶硅的晶体生长过程，也能够对回收料和冶金法多晶硅料中含有的杂质进行进一步的提纯。
（一）定向凝固和分凝现象硅液中的杂质在硅液从底部开始凝固的时候，杂质趋向于向液体中运动，而不会停留在固体中。
这个现象叫做分凝现象。
在固液界面稳定的时候，杂质在固体中的数量和在液体中的数量的比值，叫做分凝系数。
分凝系数小于1的杂质，在进行定向凝固的时候，都会趋向于向顶部富集。
富集的数量和程度，取决于分凝系数的多少。
一般来说，金属杂质的分凝系数都在10-3以下（铝大约是0.08），所以，定向凝固方式除杂，对于金属杂质比较有效；而硼和磷的分凝系数分别为0.8和0.36，因此，硼和磷的分凝现象就不是太明显。
在定向凝固提纯的同时，考虑硅的长晶工艺，使得定向凝固后的硅能够成为多晶硅锭而直接进行切片，这就是将提纯和铸锭统一在一个工艺流程中完成了。
这也是普罗的提纯铸锭炉的重要提纯手段。
由于含有杂质的硅料和高纯料的结晶和熔液的性质都不太一样，因此，提纯铸锭炉所采用的热场和纯粹铸锭炉的热场是有区别的。
普罗新能源公司目前采用自己研制的提纯铸锭一体化的专利设计，比较成功地解决了这个问题，使得真空熔炼和铸锭是在一次工艺里完成的，既较好地解决了提纯的问题，也圆满地完成了铸锭的要求。
（二）晶体生长过程定向凝固分为以下四个阶段，包括：晶胚形成、多晶生长、顶部收顶、退火冷却。
晶胚形成在熔炼过后，要把硅溶液的温度降低到1440℃左右，并保持一段时间，然后，使坩埚底部开始冷却，冷却到熔点以下6-10℃左右，即1404-1408℃左右。
RDS4.0型的炉体降低底部温度的方法是降低底部功率，和逐渐打开底部热开关的方式。
和常规铸锭炉的提升保温体和加热体方式相比，由于不存在四周先开始冷却然后才逐步到中央的过程，因此，底部温度要均匀得多。
铸锭时，底部红外测温的数据不完全是硅液底部的温度，因为，该测点和坩埚底部的硅液还隔了至少一层坩埚，因此，红外温度仅能参考，还是要根据每台炉子各自的经验数据。
定向凝固技术论文
定向凝固技术论文定向凝固技术控制了凝固组织的晶粒取向，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能。
店铺整理了定向凝固技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!定向凝固技术论文篇一基于定向凝固工艺的高效多晶硅锭制备技术摘要：提高硅片质量是提高太阳电池装换效率的重要途径之一。
文章通过籽晶诱导形核，硅料融化过程中控制籽晶保留高度为20mm，长晶过程中控制固液界面形状和长晶速率来改善硅晶体生长过程，提高晶粒尺寸的均匀性。
研究表明，采用定向凝固技术制备粒径大小均匀多晶硅锭，可使太阳电池的转化效率提高0.3%。
关键词：定向凝固;高效;温度梯度;太阳电池引言硅片质量和电池制备工艺是影响太阳能电池光电转换效率的重要因素，多晶硅片质量的改善很大程度上取决于多晶硅定向凝固技术。
从定向凝固技术的发展来看，最初是研究柱状多晶硅的生长，后来发展到类单晶技术。
类单晶技术在2006年由BPSolar研制成功，需要在坩埚底部平铺一层晶向相同的单晶硅块作籽晶使硅锭晶向与籽晶一致，而在实际生产过程中由于温度梯度和凝固界面的缺陷，使得类单晶边缘出现碎多晶而降低了硅锭产出率[1]。
再后来研究大晶粒技术，即具有显著大尺寸晶粒的多晶硅。
该技术需在初始形核阶段准确控制温度梯度，且对提升电池效率效果不明显而并没有发展起来。
近几年又出现了高效多晶硅锭技术，用该类技术制备的多晶硅片制成太阳电池，其光电转化效率比用普通多晶硅片制成的太阳电池要高0.5%左右。
主要代表产品有赛维LDK高效多晶硅片M2、M3，其高效多晶硅片晶粒较小，位错等缺陷较少，制成的太阳电池平均转换率比用普通工艺高0.3%-0.5%;保利协鑫鑫多晶S2、S3硅片具有碳、氧及金属杂质浓度低、少子寿命高、掺杂分布均匀等特点。
另外还有新日光的A+++硅片、镇江环太硅科技有限公司的高效多晶硅片、台湾中美晶研发出A4+整锭高效多晶硅片效率17.8%等等[2]。
目前该工艺成为高效硅片发展的主要方向。
辽宁工业大学科技成果——多晶硅定向凝固提纯新技术
辽宁工业大学科技成果——多晶硅定向凝固提纯新技术
成果简介
在多晶硅制备工艺中，定向凝固主要是用于晶体生长，获得大尺寸柱状晶。
在冶金法多晶硅制备过程中，利用定向凝固提纯去除硅中金属杂质，提高产品性能。
多晶硅铸锭炉结构直接决定多晶硅的质量。
优质的炉膛材质和高气密封性炉腔、实现温度梯度合理分布，为多晶硅的生长提供优良条件。
该新型多晶硅铸锭炉定向凝固技术减少材料使用量，提高了生产效率，减少能源消耗，降低成本。
优质的炉膛材质和高气密封性炉腔，为多晶硅的生长提供条件。
炉内温度梯度分布合理，使晶体能够快速生长，更易获得大尺寸柱状晶。
炉内加热器采用高纯度石墨，加热温度高，无污染，能长期使用。
多晶硅铸锭炉采用节能技术，减少能源消耗，降低成本。
该炉采用先进的计算机控制技术，实现定向凝固的稳定性。
多晶硅铸锭炉是生产多晶硅铸锭的必需设备，在太阳能工业中应用及其广泛。
目前该炉在工厂中应用效果良好。
合作方式技术转让。
多晶硅工艺原理范文
多晶硅工艺原理范文
多晶硅是一种重要的半导体材料，被广泛应用于光伏发电领域。
多晶硅工艺是将硅石经过一系列的物理处理和化学反应，最终制得多晶硅产品的过程。
本文将详细介绍多晶硅工艺的原理及其主要步骤。
首先是硅石的冶炼。
硅石在电炉中进行高温融化，使硅石中的杂质得以浮出。
在电炉中，通过合适的炉渣控制和搅拌措施，使得草酸盐、氟盐等硅石中的杂质与炉渣发生反应，从而将硅石中的杂质转移到炉渣中，得到纯度较高的硅石浆料。
接下来是硅石的还原。
硅石浆料经过过滤和中和，得到硅石粉末。
硅石粉末在还原炉中进行还原反应，将硅石转化为多晶硅。
还原炉内通过高温还原剂与硅石粉末反应，还原出硅石中的杂质，并得到纯度较高的多晶硅。
最后是多晶硅的生长。
在多晶生长炉中，多晶硅种子被浸入硅石熔体中，开始生长成大尺寸的多晶硅。
多晶硅生长炉中通过合适的炉温和气氛控制，使多晶硅在定向凝固的条件下生长，得到结晶度较高的多晶硅。
多晶硅工艺的发展为光伏发电提供了重要的材料基础。
多晶硅材料具有高效转换光能力、稳定性好、成本低等优点，是目前最主要的光伏电池材料之一、随着光伏发电产业的发展，多晶硅工艺的研究和改进将会进一步推动光伏发电技术的发展。
综上所述，多晶硅工艺是一种将硅石经过冶炼、还原和生长等步骤制得多晶硅产物的过程。
多晶硅工艺的控制需要对各个步骤的参数进行精确控制，以获得高质量的多晶硅产品。
多晶硅工艺的发展为光伏发电提供了重要的材料基础，推动着光伏发电技术的不断进步和发展。
多晶硅的铸锭原理及工艺流程
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定向凝固法在物理提纯多晶硅中的作用
定向凝固技术对物理提纯多晶硅的作用林安中北京中联阳光科技有限公司由于硅材料的紧缺，物理冶金法提纯硅材料，在国内外都形成研发的热门项目，主要其比西门子法提纯多晶硅的投资起点要低很多，降低成本也有一定的潜力。
除了方法中有的采用初步先用化学处理硅料外，在硅原料的冶炼提纯中，大部分都结合定凝固法来进行大部分杂质的去除，其更粗一点的形式也可称为保温去渣法，但定向凝固法因分凝系数的关系对去磷、硼的效果不佳，使得去磷、硼成为物理冶金法中关键及难度较大的部分。
中国目前有不少的厂家生产的高纯冶金硅达到了4个9多的纯度，其典型的达到的纯度水平如下：（1）B4PPMW，P13－20PPMW，Fe 1 PPMW.（2） B 1.5PPMW, P 6－10PPMW, Fe<0.05PPMW.这样产品的电阻率有可能达到型号为0.3Ω·cm或更高。
但其电阻率是补偿形成的，跟太阳能级的要求还有相当的距离。
以这些料为基础，进一步的提纯工作也在进行中，隨时间的进步也是明显的。
在高纯冶金硅的研发中，对硅中杂质的分析是很重要的手段，但P、B的含量在1PPMW 左右时，国内的权威分析单位已不易给出准确的分析数据，国外权威单位的分析收费又很贵，对研发的发展形成一定的障礙。
国内分析精度的不稳定，除了设备的因素外，还与制样的环境条件及制样中污杂因素有关，这方面应得到科技部等科研经费支持单位的重视。
当分析单位的P、B中有一种测的较准时，其它金属杂质含量又在1PPMW以下时，硅的电阻率可作为衡量另一元素是否测准的参考。
建议研发单位总的来说不要太省分析的费用，因其是实验中增快进度的关键所在。
目前对所研制的硅材料达到几个9的定义还不是很明确，特别是5个9以上时，其含量应不包括氧、碳的含量，而应包括P、B的含量。
所得的电阻率没有P、B的含量的数值提供时时将具有很大的不足。
建议说明硅材料达到几个9时同时提供其P、B的含量。
当纯化冶金硅达到6N的初步太阳级时，首先可在单晶生长或多晶硅铸锭时加入10－30%的投炉料的比例，可使太阳电池的效率不下降，进行了初步的使用。
11.多晶硅定向凝固技术的研究进展
多晶硅定向凝固技术的研究进展∗罗大伟1，孙金玲1，张爽1，张国梁1，李廷举1，2（1.大连理工大学材料科学与工程学院，辽宁 大连 116023；2.大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室，辽宁 大连 116023）摘要：多晶硅是目前最主要的光伏材料，通过定向凝固工艺获得的铸造多晶硅具有结晶取向一致、晶粒粗大均一等特点，该方法目前被产业界广泛采用。
本文首先简单地介绍了定向凝固技术的原理，其次重点介绍了国内外多晶硅定向凝固技术的新工艺，最后对目前多晶硅定向凝固技术存在的问题及发展趋势进行了讨论。
关键词：定向凝固；多晶硅；研究进展1 前言人类进入21世纪以来，随着现代工业的发展，一方面加大了对能源的需求，引发能源危机；另一方面在常规能源的使用中释放出大量的二氧化碳气体，导致全球性的“温室效应”。
环境污染和能源短缺己愈来愈制约着人类社会的发展，大力开发可再生清洁能源已成了二十一世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术领域之一。
由于太阳能发电具有安全可靠、无污染、无需消耗燃料、可再生、无机械转动部件等独特优点，尤其是可在用电现场发电，与建筑物相结合，构成光伏屋顶发电系统，已经成为可再生能源中最重要的组成部分，也是近年来发展最快，最具活力的研究领域之一。
在各国政府积极的政策扶持下，全世界太阳能光伏产业得到了十分迅猛的发展。
由于Si材料的成本约占太阳能电池总成本的50%，所以Si 材料价格高也成为阻碍光伏产业发展的重要因素。
在不影响效率的条件下，降低Si材料的成本是降低硅太阳能电池成本的关键措施。
因此，为了满足光伏产业对多晶硅原材料的强大需求，同时摆脱太阳能级硅材料对电子级Si材料的依附，世界各国积极展开了低成本生产太阳能级多晶硅的工艺技术研究。
目前，大力发展针对太阳能用高纯多晶硅的低成本生产技术，已成为国际竞争的新领域[1]。
定向凝固多晶硅铸锭所需原料来源广、纯度要求较低，而且生产效率高，在规模生产上较有优势;同时多晶硅方片比单晶硅天然形成的圆片在组件中有更好的面积利用效率，所以近年来利用定向凝固技术生产铸造多晶硅铸锭的产量迅猛增长。
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定向凝固制备铸造多晶硅的原理及应用综述摘要：阐述了介绍了定向凝固应用于硅材料的理论基础，论述了近年来定向凝固制备技术在杂质提纯和晶体生长的研究进展，提出了定向凝固制备铸造多晶硅研究现状和存在的问题。
展望今后的发展前景，认为新型的定向凝固技术制备出的硅锭在杂质含量、晶体结构方面均优于传统凝固技术，应积极改善定向凝固技术，以制备高品质的太阳能硅材料。
关键词定向凝固；铸造多晶硅；杂质和缺陷；转化效率晶体硅太阳能电池包括单晶电池和多晶电池2种，多晶电池的市场份额占到一半以上，商业化的多晶电池效率可以达到14%左右[1]。
实验条件下，多晶电池的最高转化效率达到20.30左右，多晶电池的效率虽然略低于单晶电池1%～2%，但多晶电池制造成本低、环境污染小，仍有很高的性价比和市场[2]。
近年来，由于技术改良、电池效率提高及生产成本下降等有利因素，因而大大促进了多晶电池应用技术的发展，也使业内专家学者给予了多晶电池制备技术更多研究和关注[3]。
影响多晶电池转换效率主要有2个方面：一是多晶硅铸锭的纯度，即使材料中含有少量的杂质，对电池的光电性能就有很大的影响[4]；二是尽量减少材料中各种缺陷，多晶硅铸锭中的晶界、位错与杂质聚集成载流子复合中心，大大的降低了多晶电池效率。
由以上表述可知，要提高多晶电池的效率，必须围绕提高材料纯度和降低材料缺陷的技术进行研究，而定向凝固技术正是制备硅晶体材料的典型应用。
定向凝固技术开始只用于传统的高温合金研制，经过几十年的发展，它已经是一种成熟的材料制备技术[5]。
定向凝固技术在多晶硅铸造主要是控制晶体生长和杂质提纯2方面的应用。
定向凝固技术可以很好地控制组织的晶面取向，消除横向晶界，获得大晶粒或单晶组织，提高材料的力学性能[6]。
同时，定向凝固可生成按照一定晶面取向、排列整齐的晶体结构,由于分凝系数的不同，杂质凝聚于晶界和铸锭上方，对材料起到提纯作用。
1. 基本原理多晶硅铸锭实际上就是由定向排列的柱状晶体组合形成，形成的理论基础就是定向凝固原理。
定向凝固技术就是在凝固过程中控制凝固体和熔体中的温度场，使其温度梯度形成特定方向，从而使得熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向柱状晶的技术，如图1所示[7]图1 定向凝固生长在这一过程中，熔体中的杂质因在固液两相中的溶解度不同，而发生分凝现象，分凝系数小于1的杂质聚集到铸锭最后凝固的区域，凝固结束之后，利用机械切除法切掉该区域，达到提纯目的。
硅中主要杂质及其平衡分凝系数如表1所示[8]。
表1 各种杂质元素在熔硅中的分凝系数从表1可以看出，很多金属杂质在硅中的平衡分凝系数远远小于1，所以在理论上可以推出，定向凝固提纯太阳能级多晶硅的可行的。
定向凝固技术有2个重要的工艺参数：凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL和固液界面向前推进的速度，即晶体生长速率R，GL/R是控制晶体生长形态的重要判据[9]。
2 定向凝固技术在去除金属杂质的应用冶金法制备多晶硅就是定向凝固技术在去除金属杂质方面的典型应用，而定向凝固技术也是冶金法提纯硅材料的关键工艺。
关于定向凝固技术制备多晶硅技术，专家学者做了大量研究工作，尤其，近几年国内高校昆明理工大学、大连理工大学、太原理工大学等在定向凝固技术制备多晶硅方面做了大量实验，得出很多有用结论[10]。
Morita等人提出，冶金级硅中金属杂质经过2次定向凝固提纯，完全可以达到太阳能级多晶硅要求[11]。
Rannveig Kvande等通过慢冷和快冷快速定向凝固对比实验，测量出碳的含量在2个试块中的含量分布基本一样，慢冷的氧含量比快冷高[12]。
Pires等利用电子束熔炼法，获得了5N的太阳能级多晶硅，得出了硅锭下部和边缘杂质的含量较低，上部和中间杂质含量较高的结论[13]。
Chandra P Khattak等利用真空氧化和定向凝固2步工艺提纯工业硅，结果表明，大部分的金属杂质含量还是很高，虽然部分金属杂质去除效果理想，但还是达不到太阳能级多晶硅的要求[14]。
昆明理工大学的戴永年教授等人利用定向凝固技术去除工业硅中的杂质铝，结果表明，定向凝固法除铝的去除率可达98.6%，这说明定向凝固法去除铝是可行的，但不能去除晶界处富集的铝杂质[15]。
吴亚萍等对真空感应熔炼和定向凝固研究，结果表明定向凝固技术可以去除工业硅中平衡系数小于1的金属杂质，但对不同杂质去除的程度不同[16]。
Liu 等通过研究铁随时间和温度变化的分布情况，得出多晶硅铸锭中的碳浓度以及碳化硅沉淀相的分布[17]。
3 定向凝固技术在晶体生长的应用定向凝固技术制备多晶硅铸锭工艺步骤中，主要包括装料、加热升温、硅料熔化、晶体生长、退火及冷却几个工序，晶体生长是多晶硅铸锭工艺中重要环节，直接影响多晶硅铸锭品质及产出率。
Fujiwara等人对晶体硅定向凝固过程中的生长过程观察，研究发现，可以通过控制凝固阶段早期枝晶生长方式，在坩锅底部形成具有一定晶体学位相关系的大尺寸晶粒，生长至铸锭顶部，得到满足太阳能级多晶硅铸锭[18-19]。
Fujiwara 等人在试验基础上提出了平行双孪晶面结构的硅枝晶小平面生长的新模型[20]。
进一步研究发现，定向凝固初始阶段坩埚底部硅枝晶的生长对晶体结构存在影响，硅熔体在较高过冷度条件下凝固会形成大量孪晶结构[21-22]。
C W Lan等人利用点冷却法控制硅晶体生长，结果发现，通过这种方法制得的多晶硅铸锭晶粒尺寸、少数载流子寿命及光电效率均优于传统方法[23]。
KojiAiafune 等人，提出了连续驰豫过冷（SRS）制备太阳能级多晶硅铸锭的方法，该方法制备的多晶硅铸锭有小晶粒少，腐蚀坑和碳含量低，平均少子寿命高等优点，测试结果也优于传统定向凝固制备技术[24]。
Daeil Kim等人将试块放入坩埚中，进行快速定向凝固，控制晶体生长速度，结果表明，多晶硅铸锭产生了大量的如晶界和孪晶等缺陷，而滑移错位产生的很少[25]。
刘秋娣等对多晶硅硅锭不出现细晶的临界生长速度进行了计算，认为在综合考虑生产成本及硅锭生长速率的前提下，控制固-液界面移动速率，易于得到组织结构理想的多晶硅锭[26]。
4 结束语总体来看，国外对定向凝固提纯方法研究的较为深入，已经通过实验方法制备出合格或者品质较高的太阳能级多晶电池。
而国内对定向凝固提纯方法的研究仅局限于一种或几种杂质的提纯、单一因素对实验结果的影响程度、杂质在铸造多晶硅的含量分布，或者仅局限于提供了一些分散的实验数据，所以现有技术离规模生产多晶电池的路还很长。
要从根本上解决电池的转化效率，需要更加深入进行研究，包括杂质影响电池性能的理论研究、设备方法的改进。
文献表明，新型的定向凝固技术制备出的硅锭在杂质含量、晶体结构方面均优于传统凝固技术，所以积极改善定向凝固技术，对制备高品质的太阳能硅材料有重要的意义。
已查阅文献表明，国内研究较多集中在高等院校，关于企业报道的研究成果还凤毛麟角，今后，应加强高校与企业间的合作，依靠企业的资金实力和高校的科研实力，使科研成果更多更快转化。
定向凝固技术不论在冶金法中提纯硅材料的应用，还是制备多晶电池的应用，均比化学方法提纯硅晶体材料、直拉法制备单晶硅耗能低、污染小。
由于原材料一直是整个光伏产业链的瓶颈，化学方法制备多晶硅的技术受到国外牵制，这也是我们不断开发物理方法制备多晶硅材料的形势所迫，在未来几年，定向凝固制备多晶硅技术一定会得到广泛应用和发展。
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