多晶硅錠生產(chǎn)技術原理

單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,太陽電池多晶硅錠生產(chǎn)工藝,技術原理簡介,RENESOLA,2008-07,一、引言,二、多晶爐內(nèi)熱場與硅錠的組織結構,三、定向凝固時硅中雜質的分凝,四、定向凝固硅晶體生長工藝方法,五、熱交換法多晶爐型,六、熱交換法工藝討論,七、結晶爐結構類型的選擇,八、多晶硅片的高效率、高質量生產(chǎn)方向,目 錄,一、引 言,1976年德國WACKER公司制造第一片大面積的多晶硅太陽電池（100 x 100 mm，轉換效率 10%），從每爐錠重12公斤到目前400公斤以上的多晶爐。多晶硅太陽能電池商業(yè)化效率在1517%范圍內(nèi)。1998年后產(chǎn)量超越單晶硅，2001年起大于50%。（晶體硅電池大于90%）,多晶硅片是由大小不同取向各異的硅晶粒組成，存在的晶界、位錯、缺陷及雜質影響可通過工藝改善；其氧含量較低，穩(wěn)定性好。,電池工藝主要采用吸雜、鈍化、絨面、背場等技術。,太陽電池多晶硅片生產(chǎn)是直接制備大尺寸方型硅錠，設備和制造過程較簡單，低能耗，對硅原料兼容性好，有利于追求低成本和大規(guī)模生產(chǎn)。,因技術成熟而快速發(fā)展，預計今后仍占主導地位。,產(chǎn)能增長速度比較：,多晶硅片：04=62%，05=40%，06=92%，07=95%,單晶硅片：04=90%，05=53%，06=58%，07=63%,簿膜硅電池：04=61%，05=60%，06=63%，07=70%,對結晶設備的要求：具有合理可控熱場提高長晶速度，便于實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質的優(yōu)化長晶過程；有效排除和降低氧位；冷卻水和氬氣流合理分布；設計模擬化；硅錠大型化,多晶硅錠/片/電池生產(chǎn)工藝趨成熟，裝備水平快速提高。結晶爐原創(chuàng)生產(chǎn)國：美國GTSOLAR，德國ALD，KR SOLAR，英國CRYSTLUX，法國日本）。目前我國已有4-5家改進型或仿造型產(chǎn)品問世。,多晶硅錠/片的生產(chǎn)工藝過程,二、多晶硅錠的組織結構與結晶爐熱場,多晶硅錠結構特征是柱狀晶，即晶體生長沿垂直方向由下向上，通過定向凝固的結晶（Directional Solidification-Crystallization)過程實現(xiàn)。,1、熱場：即溫度場，是溫度分布隨時間和空間的變化。實際為非穩(wěn)態(tài)。,熔硅在凝固結晶過程中，通過控制結晶爐內(nèi)熱場，形成可控的單向熱流(晶體生長方向與熱流方向相反）。合適的溫度場是多晶硅錠形成和獲得優(yōu)質大粒晶體的基本工藝條件。,2、固-液界面：結晶生長前沿，硅在熔點溫度下發(fā)生熔化-凝固，熔化吸熱，是過熱過程，凝固放熱，是過冷過程。在硅熔點（1422,o,C）附近存在固-液界面區(qū)。,形狀：凹、凸和平坦型。,重要性：關系到硅錠內(nèi)晶粒尺寸、位錯方向、雜質偏聚、熱應力分布。固-液界面的微觀結構和移動過程決定了晶體的生長機制。,控制：通過改變結晶爐內(nèi)部結構（發(fā)熱器和絕熱層的位置、形狀）和工藝參數(shù)（供電功率、氣流狀態(tài)）就能改變溫度場而控制固-液界面。,3、溫度梯度：爐內(nèi)等溫線上任一點上的法線，是指向溫度升高方向的矢量。,4、熱流密度：正比于溫度梯度但方向相反的矢量。,q=-k,D,T (熱傳導系數(shù)k 是溫度、壓力、晶向的函數(shù)）,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,固-液界面,高溫區(qū),低溫區(qū),5、定向凝固：張晶要求液-固界面處的溫度梯度大于0，橫向則要求盡可能小的溫度梯度；溫度梯度和熱流保持在垂直方向上；固-液界面保持平坦型，從而形成定向生長的柱狀晶。,6、硅結晶的特點：與一般純金屬不同，硅的不同晶面自由能不相同，表面自由能最低的晶面會優(yōu)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基本垂直，但常伴有分枝晶。,7、結晶生長前沿的移動速度：取決于熱場的變動。是綜合控制晶體生長速度和質量的最重要工藝數(shù)據(jù)。降低液相溫度梯度（較?。┛商岣呔w生長速度，提高固相溫度梯度（較大）對提高晶體生長速度起絕對作用，但溫度梯度過大，會使熱應力過大，引起位錯密度增加，造成內(nèi)裂紋。,8、長晶過程：開始溫度梯度大，快速凝固導致小晶粒和斷續(xù)平行結構；,9、溫度波：加熱功率或冷卻水溫、流量的起伏變動，引起溫度變動，以有限速率穿透熔硅向固-液界面?zhèn)鞑?。隨傳播深度增加而衰減，只有當波長較長、硅液有宏觀對流條件下，會抵達固-液界面。,多晶硅錠的柱狀晶（帶分枝晶）結構,三、定向凝固時硅中雜質的分凝,多晶硅錠的結晶生長是硅的排雜提純過程，這是基于雜質在硅的固-液相中有不同的溶解度（濃度）。,含微量雜質的硅熔液的凝固結晶過程示意,開始凝固溫,度,度和凝固完,成,成溫度(溶,質,質使凝固點,降,降低）,固相線和液,相,相線，固相,區(qū),區(qū)-液相區(qū)-固液相共,存,存區(qū),對雜質濃度,非,非常小的平,衡,衡固-液相,系,系統(tǒng)，在,固,固-液界面,處,處固相中的,成,成分與在液,相,相中的成分,比,比為一定值,，,，可表達為,平,平衡分配系,數(shù),數(shù)（分凝系,數(shù),數(shù)）：,K,o,=C*,S,/C*,L,其中，C*,L,液固界面處,液,液相側溶質,濃,濃度,C*,S,液固界面處,固,固相側溶質,濃,濃度,K,o,與溫度、濃,度,度無關，僅,決,決定于溶質,和,和溶劑的性,質,質,金屬雜質在,硅,硅中平衡分,配,配系數(shù)在10,-4,10,-8,之間，B為0.8，P,為,為0.35,。,。,因 K,o,0,故,故 C*,S,0,即dT/dx0，,溫,溫度,梯,梯度,接,接近,于,于常,數(shù),數(shù)。,長晶,速,速度,由,由坩,堝,堝工,作,作臺,下,下移,速,速度,及,及冷,卻,卻水,流,流量,、,、溫,度,度控,制,制，,長,長晶,速,速度,接,接近,于,于常,數(shù),數(shù)，,長,長晶,速,速度,可,可以,隨,隨時,調(diào),調(diào)節(jié),。,。,硅錠,高,高度,主,主要,受,受爐,腔,腔體,及,及坩,堝,堝高,度,度限,制,制。,生長,速,速度,約,約0.8-1.0mm/分,。,。,缺點,：,：爐,子,子結,構,構比,較,較復,雜,雜，,坩,坩堝,工,工作,臺,臺需,升,升,降，,且,且下,降,降速,度,度必,須,須平,穩(wěn),穩(wěn)，,其,其次,坩,坩堝,工,工作,臺,臺底,部,部需,水,水冷,。,。,坩堝,加熱,器,器,熔硅,隔熱,板,板,熱開,關,關,工作,臺,臺,冷卻,水,水,固相,固液,界,界面,液相,布里,其,其曼,法,法結,晶,晶爐,示,示意,圖,圖,冷卻,水,水,2、,熱,熱交,換,換法,（,（HEM-HEATEXCHANGEMETHOD）,目前,國,國內(nèi),外,外生,產(chǎn),產(chǎn)多,晶,晶硅,錠,錠的,主,主流,方,方法,。,。,如美,國,國GTSOLAR，,英,英國CRYSTALSYSTEMS,，,，德,國,國ALD,、,、KRSOLAR等,。,。,坩堝,和,和加,熱,熱器,在,在熔,化,化及,凝,凝固,全,全過,程,程中,均,均無,相,相對,位,位移,。,。在,坩,坩堝,工,工作,臺,臺底,部,部要,設,設置,一,一熱,開,開關,。,。熔,化,化時,熱,熱開,關,關關,閉,閉，,起,起隔,熱,熱作,用,用；,凝,凝固,開,開始,時,時熱,開,開關,打,打開,，,，增,強,強坩,堝,堝底,部,部散,熱,熱強,度,度，,建,建立,熱,熱場,。,。熱,開,開關,有,有法,蘭,蘭盤,式,式、,平,平板,式,式、,百,百葉,窗,窗式,等,等。,長晶,速,速度,受,受坩,堝,堝底,部,部散,熱,熱強,度,度控,制,制，,如,如用,水,水冷,，,，則,受,受冷,卻,卻水,流,流量,（,（及,進,進出,水,水溫,差,差）,所,所控,制,制。,由于,定,定向,凝,凝固,只,只能,是,是單,方,方向,熱,熱流,（,（散,熱,熱）,，,，徑,向,向（,即,即坩,堝,堝側,向,向）,不,不能,散,散熱,，,，也,即,即徑,向,向溫,度,度梯,度,度趨,于,于0，,而,而坩,堝,堝和,加,加熱,器,器又,固,固定,不,不動,，,，因,此,此隨,著,著凝,固,固的,進,進行,，,，熱,場,場的,等,等溫,度,度線,（,（高,于,于熔,點,點溫,度,度）,會,會逐,步,步向,上,上推,移,移，,同,同時,又,又必,須,須保,證,證無,徑,徑向,熱,熱流,，,，所,以,以溫,場,場的,控,控制,與,與調(diào),節(jié),節(jié)難,度,度要,大,大。,液-,固,固界,面,面逐,步,步向,上,上推,移,移時,，,，液-固,界,界面,處,處溫,度,度梯,度,度必,須,須大,于,于0,。,。但,隨,隨著,界,界面,逐,逐步,向,向上,推,推移,，,，溫,度,度梯,度,度逐,步,步降,低,低直,至,至趨,于,于0,。,。從,以,以上,分,分析,可,可知,熱,熱交,換,換法,的,的長,晶,晶速,度,度及,溫,溫度,梯,梯度,為,為變,數(shù),數(shù)。,而,而且,硅,硅錠,高,高度,受,受限,制,制，,要,要擴,大,大容,量,量只,能,能是,增,增加,硅,硅錠,截,截面,積,積。,除熱,開,開關,外,外無,移,移動,部,部件,，,，使,結,結晶,爐,爐結,構,構簡,單,單。,HEM法,結,結晶,爐,爐示,意,意圖,heater,heat sink,columnar crystallised silicon,liquid,silicon,liquid/solid interface,(2),(1),3、,電,電磁,連,連鑄,法,法（ELECTRO-MAGNETICCASTING）,硅液,在,在熔,融,融狀,態(tài),態(tài)下,具,具有,磁,磁性,，,，外,加,加的,極,極性,相,相反,的,的磁,場,場產(chǎn),生強,大,大的,推,推拒,力,力，,使,使熔,硅,硅不,接,接觸,容,容器,而,而被,加,加熱,。,。在,連,連續(xù),下,下漏,過程,中,中被,外,外部,水,水冷,套,套冷,卻,卻而,結,結晶,。,。加,料,料和,硅,硅錠,產(chǎn),產(chǎn)出,可,可實,現(xiàn),現(xiàn)連,續(xù)。,硅,硅錠,外,外尺,寸,寸近,于,于硅,片,片要,求,求的,尺,尺寸,。,。作,業(yè),業(yè)周,期,期達48,小,小時,。,。,特點,：,：1,、,、無,須,須石,英,英陶,瓷,瓷坩,堝,堝,2、,氧,氧、,碳,碳含,量,量低,，,，晶,粒,粒比,較,較細,小,小,3、,提,提純,效,效果,穩(wěn),穩(wěn)定,4、,錠,錠子,截,截面,小,小，,日,日本,最,最大,為,為350mmx350mm,，,，但,錠,錠,子高,度,度可,達,達1M以,上,上。,電磁,連,連鑄,法,法示,意,意圖,4、,澆,澆鑄,法,法(CASTINGTECHNOLOGY),澆鑄,法,法將,熔,熔煉,及,及凝,固,固分,開,開，,熔,熔煉,在,在一,個,個石,英,英砂,爐,爐襯,的,的感,應,應爐,中,中進,行,行，,熔,熔清,的,的硅,液,液澆,入,入一,石,石墨,模,模型,中,中，,石,石墨,模,模型,置,置于,一,一升,降,降臺,上,上，,周,周圍,用,用電,阻,阻加,熱,熱，,然,然后,以,以每,分,分鐘1mm的,速,速度,下,下降,（,（其,凝,凝固,過,過程,實,實質,也,也是,采,采用,的,的布,里,里曼,法,法）,。,。,特點,是,是熔,化,化和,結,結晶,在,在兩,個,個不,同,同的,坩,坩堝,中,中進,行,行，,從,從圖,中,中可,以,以看,出,出，,這,這種,生,生產(chǎn),方,方法,可,可以,實,實現(xiàn),半,半連,續(xù),續(xù)化,生,生產(chǎn),，,，其,熔,熔化,、,、結,晶,晶、,冷,冷卻,分,分別,位,位于,不,不同,的,的地,方,方，,可,可以,有,有效,提,提高,生,生產(chǎn),效,效率,，,，降,低,低能,源,源消,耗,耗。,缺點,是,是因,為,為熔,融,融和,結,結晶,使,使用,不,不同,的,的坩,堝,堝，,會,會導,致,致二,次,次污,染,染，,此,此外,因,因為,有,有坩,堝,堝翻,轉,轉機,構,構及,引,引錠,機,機構,，,，使,得,得其,結,結構,相,相對,較,較復,雜,雜。,CASTING法,結,結晶,爐,爐示,意,意圖,鑄造,法,法硅,錠,錠爐,1,硅,硅原,料,料裝,入,入口,2.,感,感