铸造多晶硅PPT演示文稿
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11
实验室中的效率从1976年的 12.5%提高到21世纪初的19.8%，如 图10.1所示，近年来更达到20.3%。
而在实际生产中的铸造多晶硅
太阳电池效率已达到15%-16%左
右。（见表10.1）
12
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。
13
10.2 铸造多晶硅的制备工艺
铸造技术制备多晶硅的主要工艺
①浇铸法 ②直熔法
14
浇铸法
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。
15
直熔法
直接熔融定向凝固法，简称直熔法， 又称布里奇曼法，即在坩埚内直接将多 晶硅溶化，然后通过坩埚底部的热交换 等方式，使得熔体冷却，采用定向凝固 技术制造多晶硅，所以，也有人称这种 方法为热交换法（Heat Exchange Method，HEM）。
9
铸造多晶硅和直拉单晶硅的比较见表 10.1
10
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。
18
浇铸法
图10.2的上部为预
热坩埚，下部为凝固坩
埚wk.baidu.com在制备多晶硅时，
首先将多晶硅的原料在
预熔坩埚内熔化，然后
硅熔体逐步流入到下部
的凝固坩埚，通过控制
凝固坩埚的加热设备，
使得凝固坩埚的底部温
度最低，从而硅熔体在
凝固坩埚底部开始逐渐
结晶。结晶时始终控制
固液界面的温度梯度，
保证固液界面自底部向
上部逐渐平行上升，最
16
前一种技术国际上已很少使用，而 后一种技术在国际产业界得到了广泛使 用。
从本质上讲，两种技术没有根 本区别，都是铸造法制备多晶硅， 只是采用一只或两只坩埚而已。
17
相较浇铸法，直熔法的的一些优势
直熔法生长的铸造多晶硅的质量较 好，它可以通过控制垂直方向的温度梯 度，使固液界面尽量平直，有利于生长 取向性较好的柱状多晶硅晶锭。而且， 这种技术所需的人工少，晶体生长过程 易控制、易自动化，而且晶体生长完成 后，一只保持在高温，对多晶硅晶体进 行了“原位”热处理，导致体内热应力 的降低，最终使晶体内的位错密度降低。
长相对能耗小，促使材料的成本进
一步降低，而且铸造多晶硅技术对
硅原料纯度的容忍度比直拉单晶硅
高。
5
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。
6
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
7
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
21
直熔法的冷却方式
在直熔法中，石英坩埚是逐渐向下 移动，缓慢脱离加热区；或者隔热装置 上升，使得石英坩埚与周围环境进行热 交换；同时，冷水板通水，使熔体的温 度自底部开始降低，使固液界面始终基 本保持在同一水平上，晶体结晶的速度 约为1cm/h，约10Kg/h。
第十章 铸造多晶硅
1
直到20 世纪90年代，太阳能光伏 工业还是主要建立在单晶硅的基础上。 虽然单晶硅太阳电池的成本在不断下降， 但是与常规电力相比还是缺乏竞争力， 因此，不断降低成本是光伏界追求的目 标。
2
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。
3
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。
22
浇铸法的冷却方式
在浇铸法中，是控制加热区的加热
温度，形成自上部向底部的温度梯度， 底部首先低于硅熔点的温度，开始结晶， 上部始终保持在熔点以上的温度，直到 结晶完成。
在整个制备过程中，石英坩埚
是不懂的。这种结晶工艺中，结晶
速度可以稍微快些。但是，这种
方法不容易控制固液晶界的温度梯
度，在晶锭的四周的石英坩埚接触
终达到所有的熔体结晶
。
19
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。
20
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）。
铸造多晶硅中含有大量的晶 粒、晶界、位错和杂质，但由于 省去了高费用额晶体拉制过程， 所以相对成本较低，而且能耗也 较低，在国际上的到了广泛应用。
8
与直拉单晶硅相比，铸造多晶硅的 主要优势是材料的利用率高、能耗小、 制备成本低，而且其晶体生长简便，易 于大尺寸生长。但是，其缺点是含有晶 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。
部位的温度往往低于晶锭中心的温
直拉单晶硅需要更多的“人力 资源”，如在晶体生长的“种晶” 过程，所以也增加了人力成本。
4
铸造多晶硅的优缺点
优
①铸造多晶硅是利用浇铸或定向凝固的铸 造技术，在方形坩埚中制备晶体硅材料， 其生长简便，易于大尺寸生长，易于自 动化生长和控制，并且很容易直接切成 方形硅片；
②材料的损耗小，同时铸造多晶硅生
实验室中的效率从1976年的 12.5%提高到21世纪初的19.8%，如 图10.1所示，近年来更达到20.3%。
而在实际生产中的铸造多晶硅
太阳电池效率已达到15%-16%左
右。（见表10.1）
12
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。
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10.2 铸造多晶硅的制备工艺
铸造技术制备多晶硅的主要工艺
①浇铸法 ②直熔法
14
浇铸法
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。
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直熔法
直接熔融定向凝固法，简称直熔法， 又称布里奇曼法，即在坩埚内直接将多 晶硅溶化，然后通过坩埚底部的热交换 等方式，使得熔体冷却，采用定向凝固 技术制造多晶硅，所以，也有人称这种 方法为热交换法（Heat Exchange Method，HEM）。
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铸造多晶硅和直拉单晶硅的比较见表 10.1
10
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。
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浇铸法
图10.2的上部为预
热坩埚，下部为凝固坩
埚wk.baidu.com在制备多晶硅时，
首先将多晶硅的原料在
预熔坩埚内熔化，然后
硅熔体逐步流入到下部
的凝固坩埚，通过控制
凝固坩埚的加热设备，
使得凝固坩埚的底部温
度最低，从而硅熔体在
凝固坩埚底部开始逐渐
结晶。结晶时始终控制
固液界面的温度梯度，
保证固液界面自底部向
上部逐渐平行上升，最
16
前一种技术国际上已很少使用，而 后一种技术在国际产业界得到了广泛使 用。
从本质上讲，两种技术没有根 本区别，都是铸造法制备多晶硅， 只是采用一只或两只坩埚而已。
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相较浇铸法，直熔法的的一些优势
直熔法生长的铸造多晶硅的质量较 好，它可以通过控制垂直方向的温度梯 度，使固液界面尽量平直，有利于生长 取向性较好的柱状多晶硅晶锭。而且， 这种技术所需的人工少，晶体生长过程 易控制、易自动化，而且晶体生长完成 后，一只保持在高温，对多晶硅晶体进 行了“原位”热处理，导致体内热应力 的降低，最终使晶体内的位错密度降低。
长相对能耗小，促使材料的成本进
一步降低，而且铸造多晶硅技术对
硅原料纯度的容忍度比直拉单晶硅
高。
5
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。
6
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
7
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
21
直熔法的冷却方式
在直熔法中，石英坩埚是逐渐向下 移动，缓慢脱离加热区；或者隔热装置 上升，使得石英坩埚与周围环境进行热 交换；同时，冷水板通水，使熔体的温 度自底部开始降低，使固液界面始终基 本保持在同一水平上，晶体结晶的速度 约为1cm/h，约10Kg/h。
第十章 铸造多晶硅
1
直到20 世纪90年代，太阳能光伏 工业还是主要建立在单晶硅的基础上。 虽然单晶硅太阳电池的成本在不断下降， 但是与常规电力相比还是缺乏竞争力， 因此，不断降低成本是光伏界追求的目 标。
2
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。
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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。
22
浇铸法的冷却方式
在浇铸法中，是控制加热区的加热
温度，形成自上部向底部的温度梯度， 底部首先低于硅熔点的温度，开始结晶， 上部始终保持在熔点以上的温度，直到 结晶完成。
在整个制备过程中，石英坩埚
是不懂的。这种结晶工艺中，结晶
速度可以稍微快些。但是，这种
方法不容易控制固液晶界的温度梯
度，在晶锭的四周的石英坩埚接触
终达到所有的熔体结晶
。
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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。
20
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）。
铸造多晶硅中含有大量的晶 粒、晶界、位错和杂质，但由于 省去了高费用额晶体拉制过程， 所以相对成本较低，而且能耗也 较低，在国际上的到了广泛应用。
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与直拉单晶硅相比，铸造多晶硅的 主要优势是材料的利用率高、能耗小、 制备成本低，而且其晶体生长简便，易 于大尺寸生长。但是，其缺点是含有晶 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。
部位的温度往往低于晶锭中心的温
直拉单晶硅需要更多的“人力 资源”，如在晶体生长的“种晶” 过程，所以也增加了人力成本。
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铸造多晶硅的优缺点
优
①铸造多晶硅是利用浇铸或定向凝固的铸 造技术，在方形坩埚中制备晶体硅材料， 其生长简便，易于大尺寸生长，易于自 动化生长和控制，并且很容易直接切成 方形硅片；
②材料的损耗小，同时铸造多晶硅生