定向凝固制备单晶硅

⑵制备原理
定向凝固法通常指的是在同一个坩埚中熔炼，利用杂质元素在固 相和液相中的分凝效应达到提纯的目的，同时通过单向热流控制，使坩 埚中的熔体达到一定温度梯度，从而获得沿生长方向整齐排列的柱状晶 组织。工业硅中还有多种金属杂质和非金属杂质，在硅熔体结晶过程中, 由于各种杂质在固相硅和液相硅中的溶解度具有很大的区别，我们可以 利用这个特性来对硅进行提纯，如图1所示，平衡分凝系数远远小于1的 杂质不断从固-液界面偏析到硅熔体中,形成杂质向熔体的输送和富集,反 之亦然。硅熔体全部结晶完毕,采用机械切除杂质浓度高的部分,获得提纯 多晶硅。定向凝固工艺是一种去除杂质非常有效的方法，整个过程中没 有利用任何化学反应，除了P、B、O和C等非金属杂质以外，大部分的 杂质通过两次的定向凝固精练以后都能够满足太阳能级硅的要求，但是 定向凝固工艺成本比较高，通过减少定向凝固的次数，能够大幅度的降 低多晶硅的生产成本。
定向凝固技术制备多晶硅
定向凝固技术制备多晶硅
研究背景及意义
A
目录
B 研究现状及制备原 理
发展前景 D C
结语
一
•
研究背景及意义
随着太阳能光伏产业在全球范围内的迅猛发展, 作为太阳能电池最基础的原材料高纯多晶硅, 在全 球范围内严重短缺, 迫切需要发展一种高效率低成 本的太阳能级多晶硅的制备方法。在各种生产多 晶硅的方法中, 定向凝固多晶硅因其成本低、环境 污染小, 工艺相对简单、成熟, 且能直接使用冶金 级硅为原料的特点, 被寄予很大的希望来实现大规 模太阳能级硅的生产。本文综合评述近年来太阳 能级多晶硅定向凝固技术的研究进展, 着重阐述了 定向凝固技术制备多晶硅的原理以及前景展望, 并 提出今后的研究发展方向。
三 发展前景 • 定向凝固工艺成本比较高，通过减少定向 凝固的次数，能够大幅度的降低太阳能级 硅的生产成本； • 获得并保持单向热流是定向凝固成功的重 要保证； • 提高生产效率和降低成本 • 如何利用定向凝固技术进一步改善多晶硅 晶体生长、降低多晶硅中杂质的含量和优 化晶粒取向仍然是以后多晶硅生产中急需 解决的问题
如下图
多晶硅定向凝固工艺 • • • • • • 传统定向凝固技术 带状多晶硅生长技术 SRG条带生长法 粉末硅片生长法 当代多晶硅定向凝固技术 连续松弛过冷法(SRS)工艺
根据控制硅熔体热流方向的不同，定向凝固法 主要分为热交换法(HEM)和布里奇曼(Bridgman)。 • 热交换法的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; • 而布里奇曼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。 • 目前,通过布里奇曼法可生产出横截面尺寸大于 600mm×600mm、重量超过300kg的多晶硅锭，在实际 生产中，大都采用热交换法与布里奇曼法相结合的技术。 采用定向凝固法，可以通过控制垂直方向的温度梯度，使 得固液界面尽量平直，有利于生长出取向性较好的柱状 mc-Si晶锭，该方法目前被产业界广泛采用。
定向凝固技术制备多晶硅的优点：
• • • • 定向凝固多晶硅铸锭所需原料来源广； 生产纯度要求较低； 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。
定向凝固技术制备多晶硅的缺点：
• 能耗大、产能较小。多晶硅生长速度慢，且坩埚 只能用1次，生产成本较高。 • 在定向凝固过程中，由于分凝现象铸造多晶硅锭 杂质浓度会随着硅锭高度的变化而变化，杂质的 最高浓度分布在最后凝固的硅锭顶部和最先凝固 的锭底部 • 在加热控温和铸型控制方面还不成熟
Байду номын сангаас 四 结语
定向凝固技术在制备多晶硅材料中的应用十分 多，由于定向凝固技术的应用,晶体生长不断改善、 杂质含量不断降低，转化效率大幅度的提升，定 向凝固技术在制备多晶硅中的应用前景越来越好。 定向凝固技术虽然得到了很快的发展，但该制备 工艺也同时存在如下问题：1)能耗大、产能较小， 材料的利用率低。减少多晶硅生产成本的最关键 的因素是降低铸锭中具有较低载流子寿命的部分 占整个铸锭材料的比例，而解决这个问题的最好 办法是减少凝固时间，结晶时间取决于固液界面 处的温度梯度的增加;2)在加热控温和铸型控制方 面还不成熟。进一步提高温度梯度和凝固速率,开 发新的能精确控温和控制铸件形状的技术仍然是 定向凝固技术发展的方向。
以下为常见的多晶硅材料及定向凝固技术 制备图片
二 研究现状及制备原理
⑴研究现状 能源(energy)、经济(economy)和环境(environment),被 称为人类文明可持续发展所面临的三大课题。能源的短缺、 环境的恶化成为了制约经济可持续发展的瓶颈因素。当传 统的燃料能源一天天减少的时候,人们把目光投向了可再 生能源,希望可再生能源能够改变人类的能源结构,维持长 远的可持续发展。因此，多晶硅的需求量很大,因此研究 高效率低成本的多晶硅的制备方法具有现实意义。如今生 产多晶硅主要采用改良西门子法,但此法能耗大污染重,而 且由于国外技术封锁,我国至今还未掌握核心技术。本研 究的目的是发展具有自主知识产权的能耗污染相对小的冶 金法制备太阳能级多晶硅新技术。定向凝固的方法直接由 工业硅制得多晶硅锭,免去了高纯多晶硅的生产环节,环境 污染轻,对外依赖性小。