多晶硅电磁冷坩埚连续熔化与定向凝固技术基础研究

摘要

随着市场竞争的加剧及光伏行业本身的迅猛发展,低成本化已成为太阳能电池发展的主要方向。冷坩埚连续熔铸技术由于其生产率高、对熔体无或少污染、无坩埚损耗及所得铸锭组织性能比较均匀等优点,而逐渐被用于太阳能电池用多晶硅锭的制备中。然而,在连续熔铸过程中,由于冷坩埚壁的激冷,往往造成晶粒的斜向生长,因此,如何实现铸锭中晶粒的定向生长是推广利用该技术的关键所在。本论文在国外冷坩埚连续熔铸多晶硅技术基础上，利用实验室的多功能电磁冷坩埚电磁约束成形装置,优化制备了新型电磁冷坩埚,通过大量实验与理论分析,进行了冷坩埚连续熔铸与定向凝固制备多晶硅的研究,获得了表面质量良好,内部组织定向的多晶硅锭,并在此基础上进行了太阳能级多晶硅的冷坩埚连续熔铸与定向凝固实验及其电学性能的测试与分析。
　　优化设计并制备了一个内腔尺寸为60mm×60mm,适用于多晶硅连续熔铸与定向凝固的方形冷坩埚。在空载条件下,利用小线圈法对坩埚内磁场强度分布进行了测量与分析。磁场强度在线圈高度范围内较大,在线圈中上部取得最大值,而后向两端递减,但在坩埚下部递减的趋势更为明显;随着加热功率的增大、线圈安装位置的提高,磁场强度增大;在同一高度上，沿坩埚中轴线及对角线,由坩埚壁往中心轴,磁场强度先逐渐减小,而后又在中心处略微上升。进行了多晶硅启熔实验,研究了加热功率、底托初始位置、底料预置量与颗粒度对启熔效果的影响,并进行热力学与动力学分析,解决了启熔过程中熔体飞溅的问题。
　　通过正交试验,研究了加热功率、抽拉速度及初始熔体保温时间对铸锭表面质量及宏观组织的影响。多晶硅锭表面通常容易出现表面波纹、角部塌陷状褶皱及未熔颗粒等缺陷,根据各表面缺陷的特征,分别揭示了其形成机制。理论分析与实验结果表明,随着加热功率、抽拉速度及初始熔体保温时间的增大,表面质量逐渐得以改善。冷坩埚连续熔铸多晶硅过程中,凝固界面通常呈中间上凸,两侧上翘的形状,即W形。随着加热功率、抽拉速度的提高及初始熔体保温时间的缩短,凝固界面由凸界面逐渐向平界面、凹界面过渡,且晶粒尺寸逐渐减小;随着加热功率、抽拉速度及初始熔体保温时间的增大,铸锭表层凝壳层厚度减小。通过对凝固界面中间最高点及两端最低点的传热分析,解释了工艺参数对宏观组织的影响规律。另外,研究结果还表明,无论是表面质量还是宏观组织,加热功率的影响最大,抽拉速度次之,初始熔体保温时间的影响最小。
　　对定向凝固的铸锭进行了组织与杂质分布的测试与分析。结果表明铸锭宏观组织由表层细晶区及中心粗大柱状晶区组成。组织内含有大量的位错缺陷,沿铸锭纵向,中部与底部位错密度相差不大,为1～2×106cm-2,而顶部较高;沿水平方向,表层凝壳区位错密度比内部高。由于分凝效应,杂质偏聚于铸锭顶部,并析出形成了各杂质元素组成的复杂相。利用连续熔铸过程中溶质的传输行为,建立了杂质沿铸锭生长方向分布的模型,并结合实验结果进行了分析。沿铸锭生长方向,各金属杂质及磷的含量逐渐升高,硼、氧变化不大,而碳含量是先降低而后逐渐升高。研究结果还表明,除分凝外,真空内挥发对于Al、Ca、P、O等易挥发杂质的分布有重要的影响。
　　利用优化的工艺参数,进行了4N与6N多晶硅的冷坩埚连续熔铸与定向凝固实验,并对其组织与性能进行了测试与分析。两不同纯度多晶硅锭组织特征与冶金硅基本相同。电学性能测试显示铸锭电阻率主要受杂质分布的影响,且Ⅲ、Ⅴ族杂质元素影响更大。在6N多晶硅锭中,与工业实际应用多晶硅锭相比,其氧含量较低,碳含量与电阻率基本相当,均控制在有效范围内,少子寿命高于原料(边角料),接近于实际应用水平。

目录

多晶硅电磁冷坩埚连续熔化与定向凝固技术基础研究

FUNDAMENTAL STUDY ON CONTINUOUSMELTING AND DIRECTIONAL SOLIDIFICATIONOF MULTICRYSTALLINE SILICON WITH ANINDUCTIVE COLD CRUCIBLE

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪 论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 太阳能电池的发展现状

1.2.1 太阳能电池的分类

1.2.2 硅太阳能电池的分类及发展现状

1.3 硅太阳能电池材料的发展现状

1.3.1 太阳能级多晶硅的提纯制备技术

1.3.2 多晶硅铸造成形技术

1.4 冷坩埚技术及其在多晶硅制备中的应用

1.4.1 冷坩埚技术及其分类

1.4.2 电磁冷坩埚技术原理与特点

1.4.3 电磁冷坩埚技术的工艺性能与影响因素

1.4.4 电磁冷坩埚技术在多晶硅制备中的应用

1.5 本文的主要研究内容

第2 章 实验材料与方法

2.1 研究方案与技术路线

2.2 电磁冷坩埚与感应线圈的设计与加工

2.2.1 冷坩埚尺寸的设计

2.2.2 冷坩埚开缝结构的设计

2.2.3 冷坩埚循环水冷系统的设计

2.3 加料器的设计与加工

2.4 实验用材料及设备

2.4.1 实验用材料

2.4.2 实验设备

第3 章 冷坩埚内磁场强度分布规律与硅料的预热启熔

3.1 引言

3.2 冷坩埚内磁场强度分布规律

3.2.1 磁场强度测量方法

3.2.2 磁场强度测量位置

3.2.3 磁场强度轴向分量在坩埚内的分布

3.3 加料器加料速度与均匀性

3.4 多晶硅料的预热启熔

3.4.1 预热启熔的可行性及方法

3.4.2 多晶硅预热启熔的影响因素

3.4.3 启熔过程中电源参数的变化

3.5 电磁冷坩埚连续定向凝固多晶硅过程中的热爆分析及控制

3.5.1 热爆现象

3.5.2 热爆分析及控制

3.6 本章小结

第4 章 冷坩埚连续熔铸工业硅宏观组织与缺陷

4.1 引言

4.2 表面缺陷形成机制及工艺参数的影响规律

4.2.1 表面形貌

4.2.2 表面缺陷形成机制

4.2.3 工艺参数对表面质量的影响

4.3 连续熔铸多晶硅宏观组织及工艺参数的影响规律

4.3.1 工艺参数对宏观组织的影响

4.3.2 冷坩埚连续熔铸多晶硅过程中的热传导

4.4 本章小结

第5 章 冷坩埚连续定向凝固工业硅微观组织与缺陷

5.1 引言

5.2 微观组织与缺陷

5.2.1 微观组织演变规律

5.2.2 铸锭中位错缺陷

5.2.3 铸锭中析出物分布与形态

5.2.4 铸锭中晶粒生长取向

5.3 杂质分布规律

5.3.1 杂质分布模型建立

5.3.2 杂质分布实验测定

5.4 本章小结

第6 章 冷坩埚连续定向凝固高纯硅组织与性能

6.1 引言

6.2 冷坩埚连续定向凝固4N 多晶硅组织与性能

6.2.1 冷坩埚连续定向凝固实验

6.2.2 4N 多晶硅铸锭组织与缺陷

6.2.3 4N 多晶硅铸锭电学性能

6.3 冷坩埚连续定向凝固6N 多晶硅组织与性能

6.3.1 冷坩埚连续定向凝固实验

6.3.2 6N 多晶硅铸锭组织与缺陷

6.3.3 6N 多晶硅铸锭电学性能

6.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历