冶金法提纯多晶硅过程中氮化硅涂层的研究

摘要

无论是在太阳能电池行业还是半导体工业中，硅都是该领域中基础材料。由于铸造多晶硅成本低廉，目前已经取代单晶硅成为光伏市场的主要原料。多晶硅太阳能电池已经占据光伏市场的50％以上。冶金法是制备太阳能级多晶硅的一种新方法，具有成本低，污染小的优点，其制备过程中需要使用坩埚。工业中通常使用的坩埚是石英或石墨坩埚，熔融硅与坩埚接触时不可避免的产生反应粘连，同时坩埚中的杂质也会进入硅熔体中。高浓度的杂质，如C、O、Fe等将使少子寿命显著降低，影响电池性能。通常在坩埚上涂敷涂层使熔体与坩埚壁隔离，来减少反应粘连使铸锭顺利脱模，并阻止坩埚中的杂质在铸造过程中进入硅中。 Si3N4由于其自扩散系数低，耐高温，化学稳定性好，通常被用来作为多晶硅铸造中的涂层材料。氮化硅涂层的制备方法很多，但通常工艺复杂，成本高。关于氮化硅涂层对多晶硅影响的研究也比较少。因此，有必要研究工艺简单成本较低的氮化硅涂层制备技术和氮化硅涂层与多晶硅性能之间的关系。本文利用扫描电镜，电子探针，少子寿命测试仪等设备，重点研究了氮化硅涂层的制备工艺与脱模效果的关系，熔炼过程中氮化硅涂层反应机制，氮化硅涂层对多晶硅中杂质、晶体结构和少子寿命的影响。 研究结果表明：1、水，无水乙醇，PVA水溶液和PVP乙醇溶液与氮化硅粉组合可制备涂层，其中脱模效果最好的组成为：wt8％PVP乙醇溶液与60wt％Si3N4。不经过预处理去除PVA、PVP添加剂的氮化硅涂层更利于脱模。真空熔炼时使用惰性气体增大压强防止氮化硅涂层的分解，有利于脱模。2、温度升高氮化硅涂层的分解加剧，N扩散进入硅熔体达饱和形成新Si3N4晶核并长大，最终在接触面处形成由大颗粒Si3N4组成的连续层。3、氮化硅涂层使铸锭中杂质含量降低。氮化硅涂层能够阻止坩埚中杂质如C、O、P等进入Si熔体，同时Si3N4的分解和新Si3N4晶核的形成促进涂层附近的C、Fe、Ca杂质沉淀。SiC沉淀以Si3N4晶核为异质核心形成并长大。Fe杂质依附在氮化硅颗粒表面不饱和键或沉积在新Si3N4晶核缺陷处形成微米级FeSi2颗粒。纳米级Fe和Ca沉积物在不均匀分布在涂层附近的SiC缺陷内。4、涂层和硅熔体内的Si3N4和SiC沉淀促进孪晶和非孪晶形成并阻碍晶界扩展，使晶粒细化。5、氮化硅涂层显著提高少子寿命。氮化硅涂层促进附近杂质沉淀导致铸锭距离边缘较近的位置杂质较少。同时引起晶粒细化抑制横向定向凝固，导致中心和边缘位置少子寿命高于它们之间的区域。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 立题背景

1.2国内外多晶硅材料的生产工艺和发展现状

1.3铸造多晶硅中的主要杂质及其对电池性能的影响

1.3.1轻元素杂质对电池性能的影响

1.3.1 金属杂质对电池性能的影响

1.4防止坩埚对多晶硅铸锭污染的方法

1.4.1 新式坩埚

1.4.2无坩埚铸造技术

1.4.3坩埚表面涂层技术

1.5本文研究的主要目的及内容

2涂层设计与制备

2.1概述

2.2涂层材料的选择

2.2.1涂层固体粒子

2.2.2涂层溶剂

2.3氮化硅涂层制备及结果分析

2.3.1 实验材料和制备方法

2.3.2 实验结果分析-悬浊液的优化选择

2.4本章小结

3氮化硅涂层的脱模效果研究

3.1 概述

3.2实验设备与实验方法

3.2.1实验设备

3.2.2实验步骤

3.3实验结果与分析

3.3.1宏观脱模效果观察

3.3.2 SEM观察铸锭表面形貌

3.3.3熔炼条件对脱模效果影响

3.3.4涂层悬浊液成分对脱模效果影响

3.3.5预烧处理对脱模效果影响

3.4本章小结

4氮化硅涂层对冶金法提纯多晶硅的影响

4.1 概述

4.2实验设备与实验方法

4.2.1实验设备与材料

4.2.1实验步骤

4.2实验结果

4.2.1 铸锭组织观察和ICP成分结果

4.2.1 SEM和EPMA观察断面形貌和成分

4.2.1少数载流子寿命分析结果

4.3实验分析与讨论

4.3.1氮化硅涂层反应机制研究

4.3.2氮化硅涂层对杂质的扩散及其沉淀的影响

4.3.3氮化硅涂层对多晶硅组织的影响

4.3.4氮化硅涂层对多晶硅电学性能影响

4.4本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢