1、太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用 一、前言 二、太陽電池多晶硅錠的組織結構 三、定向凝固時硅中雜質的分凝 四、多晶硅錠定向凝固生長方法 五、熱交換爐型 六、熱交換法現行工藝討論 太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用一、前言太陽電池產業是近幾年發展最快的產業之一，最近5年來以超過40%的速度高速增長。在各種類型的太陽電池中，晶體硅太陽電池由于其轉換效率高，技術成熟而繼續保持領先地位，占據了90%以上的份額，預計今后十年內晶體硅仍將占主導地位。太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用太陽電池產業的飛速發展，帶動硅錠/硅片的需求也大增，2004年以前，我國光伏產業鏈中晶體硅硅片的

2、生產廠家還只有兩、三家，生產能力也只有幾十兆瓦。隨著市場需求的增長，涌現了很多硅片生產企業，特別是多晶硅硅錠的生產向大規模化發展，單廠生產能力已達到百兆瓦級。多晶硅錠/片生產工藝成熟，生產設備主要從國外引進（美國GTSOLAR，德國ALD）。太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用二、太陽電池多晶硅錠的組織結構 太陽電池多晶硅錠是一種柱狀晶，晶體生長方向垂直向上，是通過定向凝固（也稱可控凝固、約束凝固）過程來實現的，即在結晶過程中，通過控制溫度場的變化，形成單方向熱流(生長方向與熱流方向相反），并要求液固界面處的溫度梯度大于0，橫向則要求無溫度梯度，從而形成定向生長的柱

3、狀晶。 太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用定向凝固柱狀晶生長示意圖熱流方向側向無溫度梯度，不散熱晶體生長方向太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用 一般來說，純金屬通過定向凝固，可獲得平面前沿，即隨著凝固進行，整個平面向前推進，但隨著溶質濃度的提高，由平面前沿轉到柱狀。對于金屬，由于各表面自由能一樣，生長的柱狀晶取向直，無分叉。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會優先生長，特別是由于雜質的存在，晶面吸附雜質改變了表面自由能，所以多晶硅柱狀晶生長方向不如金屬的直，且伴有分叉。太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用多晶硅錠的柱狀晶結構太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用三、定向凝固時硅中

4、雜質的分凝 太陽電池硅錠的生長也是一個硅的提純過程，是基于雜質的分凝效應進行的。如下圖所示，一雜質濃度為C0的組分，當溫度下降至T時，其固液界面處固相側的雜質濃度為C*S。太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用對一個雜質濃度非常小的平衡固液相系統 ，在液固界面處固相中的成分與在液相中的成分比值為一定，可表達為平衡分配系數 K=C*S/C*L 其中， C*L液固界面處液相側溶質濃度 C*S液固界面處固相側溶質濃度 金屬雜質在硅中平衡分配系數在10-410-8之間，B為，P為。太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用實際生產中固液界面還存在一個溶質富集層，雜質的分配系數還與該富集層的厚度、雜質的擴散速度、硅液的

5、對流強度及晶體生長速度均有關，引入有效分配系數K來表示： K =K/K+(1-K)exp(-R/DL) 式中:K 有效分配系數, K 平衡分配系數, R 生長速度cm/s, 溶質富集層厚度（固液界面的擴散層）cm （）, DL 擴散系數cm2/s。 R或趨近于0，K趨近于K時，最大程度提純。 R趨近于，K趨近于1時，無提純作用。太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用固液界面處的擴散層太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用h金屬雜質含量沿硅錠生長方向分布圖05101520963126162199210硅錠高度/生長方向(mm)雜質含量(ppm)FeAl太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用四、多晶硅錠定向凝固生長

6、方法實現多晶硅定向凝固生長的四種方法：布里曼法熱交換法電磁鑄錠法澆鑄法太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用1、布里曼法（Bridgeman Method）這是一種經典的較早的定向凝固方法。特點：坩堝和熱源在凝固開始時作相對位移，分液相區和凝固區，液相區和凝固區用隔熱板隔開。液固界面交界處的溫度梯度必須0，即dT/dx0，溫度梯度接近于常數。太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用長晶速度受工作臺下移速度及冷卻水流量控制，長晶速度接近于常數，長晶速度可以調節。硅錠高度主要受設備及坩堝高度限制。生長速度約分。缺點：爐子結構比熱交換法復雜，坩堝需升 降且下降速度必須平穩，其次坩堝底 部需水冷。太陽電池單多晶硅硅

7、錠生產技術應用 坩堝 熱源 硅液 隔熱板 熱開關 工作臺 冷卻水 固相 固液界面 液相 布里曼法示意圖太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用2、熱交換法是目前國內生產廠家主要使用的一種爐型。特點：坩堝和熱源在熔化及凝固整個過程中均無相對位移。一般在坩堝底部置一熱開關，熔化時熱開關關閉，起隔熱作用；凝固開始時熱開關打開，以增強坩堝底部散熱強度。長晶速度受坩堝底部散熱強度控制，如用水冷，則受冷卻水流量（及進出水溫差）所控制。太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用由于定向凝固只能是單方向熱流（散熱），徑向（即坩堝側向）不能散熱，也即徑向溫度梯度趨于 0，而坩堝和熱源又靜止不動，因此隨著凝固的進行，熱源也即熱場溫

8、度（大于熔點溫度）會逐步向上推移，同時又必須保證無徑向熱流，所以溫場的控制與調節難度要大。如簡圖所示，液固界面逐步向上推移，液固界面處溫度梯度必須是正值，即大于0。但隨著界面逐步向上推移，溫度梯度逐步降低直至趨于0。從以上分析可知熱交換法的長晶速度及溫度梯度為變數。而且錠子高度受限制，要擴大容量只能是增加硅錠截面積。最大優點是爐子結構簡單。太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用 熱源 坩堝 液固界面 散熱裝置 HEM法示意圖 固相液相太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用3、電磁鑄錠法特點：1、無坩堝（石英陶瓷坩堝） 2、氧、碳含量低，晶粒比HEM法小 3、提純效果穩定。 4、錠子截面沒有HEM法大，日本

9、最大 350mmx350mm，但錠子高度可達 1公尺以上。太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用圖十二 電池鑄造法示意圖太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用4、澆鑄法 澆鑄法將熔煉及凝固分開，熔煉在一個石英砂爐襯的感應爐中進行，熔清的硅液澆入一石墨模型中，石墨模型置于一升降臺上，周圍用電阻加熱，然后以每分鐘1mm的速度下降（其凝固過程實質也是采用的布里曼法）。 特點是熔化和結晶在兩個不同的坩堝中進行，從圖中可以看出，這種生產方法可以實現半連續化生產，其熔化、結晶、冷卻分別位于不同的地方，可以有效提高生產效率，降低能源消耗。 缺點是因為熔融和結晶使用不同的坩堝，會導致二次污染，此外因為有坩堝翻轉機構及引錠

10、機構，使得其結構相對較復雜。 太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用圖八 鑄造法硅錠爐示意圖 1硅原料裝入口 2. 感應爐 3. 凝固爐 4. 硅錠搬運機 5. 冷卻機 6. 鑄型升降 7. 感應爐翻轉機構 8. 電極太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用圖九 凝固爐結構及凝固法示意圖a凝固開始前 b 凝固進行中1 爐壁 2 硅液 3 發熱體 4鑄型（石墨鑄型） 5 鑄型底6 水冷板 7 保溫壁 8氮化硅涂層 9 爐床區 10 保溫壁太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用五、熱交換法爐型爐型1： 下頁圖為目前國內應用較多的一種熱交換法爐型示意圖，采用石墨電阻在四周加熱。容量240-270公斤。凝固開始時通過提升

11、保溫框（分）以增大石墨塊的散熱強度。長晶速度為變數，平均為分。 這種爐 型最大優點是結構簡單，坩堝底部無需水冷。其次是側面加熱，底部溫度較表層溫度高，形成較強烈對流，有利于提純。 缺點是熱效率不高，每公斤硅錠耗電約13度-15度。此外循環周期較長，約為50-52小時。太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用 保溫框 熱源 坩堝 液固界面 石墨塊 隔熱板 （防止不銹鋼爐底過熱） 爐型1示意圖太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用爐型2：這種爐型由于生產容量大，目前正為國內很多廠家引進。特點： 采用石墨棒頂底加熱。 頂裝料，裝料時爐蓋平推移出。 凝固時底部加熱器斷開，同時打開熱開關，通過冷卻板，提高散熱強度（也即長晶速度）。 由于是頂部 加熱，在液相中形成正溫度梯度，改善了晶粒取向，長晶速度也比第一種爐型快。 結構較復雜，用懸臂吊車頂裝料，廠房高度增加。 熱效率較高（有熱開關，周期縮短，為46-50小時）。 頂加熱，抑制了對流，提純效果可能低于第一種爐型。太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用 爐蓋 頂部加熱器 坩堝 支持板 底部加熱器 熱開關 冷卻板 爐體 爐型2示意圖 太陽電池單多晶硅硅錠生產技術應用六、熱交換法現行工藝討論1、長晶速度。 第一種熱交換法爐型長晶速度為分，第二種爐型有待進一步測定，而布里曼法為分，單晶則大于1mm/分。從節能角度及縮短周