毕业设计（论文）开题报告铸造多晶硅晶体生长速率对杂质分布的影响研究.doc

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1、河南科技大学毕业设计（论文）开题报告（学生填表）院系： 材料学院 2011 年 03 月 08 日课题名称铸造多晶硅晶体生长速率对杂质分布的影响研究学生姓名汪二明专业班级硅光伏071课题类型论文指导教师黄金亮/李飞龙职称教授/技术工程师课题来源科研、生产1. 设计（或研究）的依据与意义1）依据：随着经济的迅速发展，能源问题和环境问题显得越来越重要，因此，开发利用可再生的清洁能源便成为一种非常重要的途径。其中，太阳能是最重要的清洁的可再生能源。目前，铸锭多晶硅材料是最主要的太阳能电池材料，而且也被认为是今后5到10年中最主要的太阳能电池材料。由于多晶硅锭质量的好坏主要决定于长晶过程中的固液界面形

2、状及晶体生长速率大小，固液界面形状及晶体生长速率对定向凝固的排杂效果起决定作用，一般认为微凸的固液界面更有利于多晶硅内杂质及位错的排除，而长晶速率的快慢与晶体内缺陷密度的大小及能耗密切相关，所以在保证多晶硅质量的前提下不断提高长晶速率是降低生产成本、提高产品质量、降低能耗的有效途径。因此在保证硅片质量的同时提高硅锭生长速率是业界不断面临的挑战。2）意义： 自1954年美国贝尔实验室成功研制出第一块单晶硅太阳能电池以来，经过全球科技和产业界的不懈努力，太阳能电池技术和产业得到了巨大发展。伴随着太阳能电池业的迅猛发展，成本较低且适合于大规模生产的多晶硅已成为最主要的光伏材料之一，并逐步取代传统直拉

3、单晶硅在太阳能电池材料市场当中的主导地位。当前，在整个太阳能电池材料市场中，晶体硅片以超过90的比例占据着绝对优势，其中多晶硅片超过60；而以近5年新增部分来看，多晶硅片超过80，且这个趋势还在发展中，目前，定向凝固是制备太阳能级多晶硅锭的主要方法，即在凝固过程中控制液固界面的温度梯度，实行可控的定向凝固，形成多晶柱状晶。多晶硅锭晶粒形状和尺寸主要取决于定向凝固工艺，即晶体生长过程中的温度分布、凝固速率、 固液界面形状等因素,其中凝固速率的影响最大。由于定向凝固抑制了固液界面处的自由形核 ,从而减少了由于形成晶界而产生的位错。缓慢的冷却速率还可以减小凝固过程中的热应力，从而有利于减少由于热应力

4、而形成的位错。因此缓慢的定向凝固速率可以减少位错密度。但是，为了提高多晶硅锭的生产效率 ，必须尽可能缩短生产周期这又要求多晶硅锭的生长速率要尽可能快。因此 ,必须在有效控制硅锭质量和提高生产效率之间，选择合适的凝固速率。合适的长晶速率是决定生产效率和硅锭质量的关键因素。合适的长晶速率才能铸锭出质量优越、光电转换效率高的太阳能电池片；合适的长晶速率才能在保证硅锭质量的的同时缩短铸锭周期，进而节约成本、降低能耗。因此多晶硅长晶速率的研究是有着重大意义和价值的。2. 国内外同类设计（或同类研究）的概况综述提高生长速率方面一直得到业界关注和研发努力。早在1990年Deutsche Solar AG公司

5、就开发了一种生产周期为3540h的硅锭铸造技术，近年来该公司又推出了一种名为TCVP(Tem-perature controlled volume process)的新型热交换工艺，与一般硅锭热交换方法相比，TCVP方法能将生产周期缩短约30。多晶硅锭生产周期的缩短主要依赖于结晶速率的增长，目前硅锭生长速率已由原来的0.51.0cmh增加到了现在的1.02.0cmh。当前国内外在增大硅锭尺寸、提高生长速率这两个主要方向上的攀登还在进行之中。 在国内，有国内学者以埚底料为原料进行定向凝固实验，从晶体生长和提纯的角度分析，拉伸速度为20 pms是较优的实验条件。根据多晶硅锭纵截面的腐蚀照片和XRD

6、晶体取向分析得出，底部定向生长的效果明显，方向是晶体生长的主要方向，单向生长比较明显，铸锭中上部晶体取向变得相对混乱。此外，还利用晶体的淘汰机制和合并机制分析了晶体生长的过程。显然，高生长速率在太阳能多晶硅锭生产中的优势是十分明显的，这也是是业界不断追求攀升的目标。但是随着硅锭尺寸的不断增大和长晶速率的不断提高，生产过程中遇到的问题越来越复杂，如果光靠实验方法进行研究，不仅工作量大、耗费的时间长，所需材料的花费更是巨大。在这一领域，计算模拟技术的运用是必由之路。对多晶硅锭凝固生长的计算模拟近20年前就已出现，这样一种廉价便捷的方法提供了一些具有指导性的研究结果，为多晶硅锭定向凝固技术的改进提供

7、了强有力的依据，有些已经应用到实际生产中。20世纪90年代德国的DFranke和L SteinbachEle,进行了将数值模拟应用于多晶硅生产的探索，提出了以虚拟炉(VOF)来指导多晶硅生产的思想，即参照实际的硅锭生产条件，用有限元方法创建一个虚拟炉，通过数值计算得到一些生产中人们关注的信息。他们用CASTS软件计算得到了一些初步的结果，如硅锭生长过程中的温度场、应力水平、生长速度与界面关系等。之后他们又进行了更深入的研究，对多晶硅整个生产过程，从坩埚预热到多晶硅结晶以及冷却过程都通过数值模拟进行了更为细致的考察，包括热流控制、结晶速度、杂质分布、位错密度分布等。特别是关于平直界面凝固(SOP

8、LIN)的研究，其结果已经在实际生产中得到了验证与应用。以保守的观点看，经过几十年的发展，多晶硅锭的定向凝固生产技术已颇为成熟，没有很大发展空间；然而从积极进取的角度来看；多晶硅锭尺寸要不断增大，生长速度还需要提高，其内部晶体点阵缺陷密度也需要降低，多晶硅锭的定向凝固生产技术发展的动力和潜力还很大，近年来的发展也十分引人注目。长晶速率是决定硅锭质量的重要因素，它在整个多晶硅太阳能电池生产中的地重要性是不言而喻的。因此，关于长晶速率的研究是不能停滞的，随着计算机硬件和软件技术的进步、工业信息化的推进，计算机模拟技术将在这一发展中起到越来越重要的作用。3. 课题设计（或研究）的内容1.）研究铸锭多

9、晶硅长晶速率的影响因素；2.）研究在不同长晶速率下所铸硅锭的质量状况，主要研究硅锭的电阻率，少子寿命，杂质阴影等；3.）掌握多晶硅铸锭原理，研究杂质的分凝及杂质的扩散；4）了解四探针测试仪、少子寿命检测仪，IR红外探伤的原理及应用；4. 设计（或研究）方法1) 查阅并消化不低于30篇的中、外文文献，做详尽的笔记，从中理出科研思路；2) 调研铸造多晶硅国内外研究状况和发展前景；3）采用定向凝固法在不同长晶速率下进行多晶铸锭；4）利用四探针测试仪、少子寿命测试仪、IR红外探伤进行检测，检测硅锭电阻率和少子寿命以及杂质、阴影分布情况；5）总结不同速率下的硅锭质量状况，并确定合适选择；5. 实施计划1 4 周 文献调研、开题报告的撰写、实验方案设计5 10 周 工艺实验(铸锭剖方检测)11 13 周 实验数据整理14 16周 论文撰写，外文文献翻译17周 论文答辩指导教师意见指导教师签字： 年 月 日研究所（教研室）意见研究所所长（教研室主任）签字： 年 月 日