《铸造多晶硅》PPT课件.ppt
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1、第十章 铸造多晶硅,直到20 世纪90年代,太阳能光伏工业还是主要建立在单晶硅的基础上。虽然单晶硅太阳电池的成本在不断下降,但是与常规电力相比还是缺乏竞争力,因此,不断降低成本是光伏界追求的目标。,自20世纪80年代铸造多晶硅发明和应用以来,增长迅速,80年代末期它仅占太阳电池材料的10%左右,而至1996年底它已占整个太阳电池材料的36%左右,它以相对低成本、高效率的优势不断挤占单晶硅的市场,成为最有竞争力的太阳电池材料。21世纪初已占50%以上,成为最主要的太阳电池材料。,直拉单晶硅为圆片状,而硅片制备的圆形太阳电池不能有效地利用太阳电池组件的有效空间,相对增加了太阳电池组件的成本。如果将
2、直拉单晶硅圆柱切成方块,制备太阳电池,其材料浪费就增加,同样也增加了太阳电池组件的成本。,直拉单晶硅需要更多的“人力资源”,如在晶体生长的“种晶”过程,所以也增加了人力成本。,铸造多晶硅是利用浇铸或定向凝固的铸造技术,在方形坩埚中制备晶体硅材料,其生长简便,易于大尺寸生长,易于自动化生长和控制,并且很容易直接切成方形硅片;,铸造多晶硅的优缺点,材料的损耗小,同时铸造多晶硅生长相对能耗小,促使材料的成本进一步降低,而且铸造多晶硅技术对硅原料纯度的容忍度比直拉单晶硅高。,优,铸造多晶硅具有晶界、高密度的位错、微缺陷和相对较高的杂质浓度,从而降低了太阳电池的光电转换效率。,铸造多晶硅的优缺点,缺,1
3、0.1 概述10.2 铸造多晶硅的制备工艺10.3 铸造多晶硅的晶体生长,10.1 概述,利用铸造技术制备多晶硅,称为铸造多晶硅(multicrystalline silicon,mc-Si)。,铸造多晶硅中含有大量的晶粒、晶界、位错和杂质,但由于省去了高费用额晶体拉制过程,所以相对成本较低,而且能耗也较低,在国际上的到了广泛应用。,与直拉单晶硅相比,铸造多晶硅的主要优势是材料的利用率高、能耗小、制备成本低,而且其晶体生长简便,易于大尺寸生长。但是,其缺点是含有晶界、高密度的位错、微缺陷和相对较高的杂质浓度,其晶体的质量明显低于单晶硅,从而降低了太阳电池的光电转换效率。,铸造多晶硅和直拉单晶硅
4、的比较见表10.1,自从铸造多晶硅发明以后,技术不断改进,质量不断提高,应用也不断广泛。在材料制备方面,平面固液相技术和氮化硅涂层技术等技术的应用、材料尺寸的不断加大。,在电池方面,SiN减反射层技术、氢钝化技术、吸杂技术的开发和应用,使得铸造多晶硅材料的电学性能有了明显改善,其太阳电池的光电转换率也得到了迅速提高。,实验室中的效率从1976年的12.5%提高到21世纪初的19.8%,如图10.1所示,近年来更达到20.3%。,而在实际生产中的铸造多晶硅太阳电池效率已达到15%-16%左右。(见表10.1),由于铸造多晶硅的优势,世界各发达国家都在努力发展其工业规模。自20世纪90年代以来,国
5、际上新建的太阳电池和材料的生产线大部分是铸造多晶硅生产线,相信在今后会有更多的铸造多晶硅材料和电池生产线投入应用。目前,铸造多晶硅已占太阳电池材料的53%以上,成为最主要的太阳电池材料。,10.2 铸造多晶硅的制备工艺,铸造技术制备多晶硅的主要工艺,浇铸法,直熔法,在一个坩埚内将硅原料溶化,然后浇铸在另一个经过预热的坩埚内冷却,通过控制冷却速率,采用定向凝固技术制备大晶粒的铸造多晶硅。,浇铸法,直接熔融定向凝固法,简称直熔法,又称布里奇曼法,即在坩埚内直接将多晶硅溶化,然后通过坩埚底部的热交换等方式,使得熔体冷却,采用定向凝固技术制造多晶硅,所以,也有人称这种方法为热交换法(Heat Exch
6、ange Method,HEM)。,直熔法,前一种技术国际上已很少使用,而后一种技术在国际产业界得到了广泛使用。,从本质上讲,两种技术没有根本区别,都是铸造法制备多晶硅,只是采用一只或两只坩埚而已。,直熔法生长的铸造多晶硅的质量较好,它可以通过控制垂直方向的温度梯度,使固液界面尽量平直,有利于生长取向性较好的柱状多晶硅晶锭。而且,这种技术所需的人工少,晶体生长过程易控制、易自动化,而且晶体生长完成后,一只保持在高温,对多晶硅晶体进行了“原位”热处理,导致体内热应力的降低,最终使晶体内的位错密度降低。,相较浇铸法,直熔法的的一些优势,图10.2的上部为预热坩埚,下部为凝固坩埚。在制备多晶硅时,首
7、先将多晶硅的原料在预熔坩埚内熔化,然后硅熔体逐步流入到下部的凝固坩埚,通过控制凝固坩埚的加热设备,使得凝固坩埚的底部温度最低,从而硅熔体在凝固坩埚底部开始逐渐结晶。结晶时始终控制固液界面的温度梯度,保证固液界面自底部向上部逐渐平行上升,最终达到所有的熔体结晶。,浇铸法,由图可知,硅原材料首先在坩埚中熔化,坩埚周围的加热器保持坩埚上部温度的同时,自坩埚的底部开始逐渐降温,从而使坩埚底部的熔体首先结晶。同样的,通过保持固液界面在同一水平面并逐渐上升。使得整个熔体结晶为晶锭。在这种制备方法中,硅原材料的熔化和结晶都在同一个坩埚中进行。,直熔法,图10.4 直熔法制备铸造多晶硅用晶体生长炉的结构,直熔
8、法,在直熔法中,石英坩埚是逐渐向下移动,缓慢脱离加热区;或者隔热装置上升,使得石英坩埚与周围环境进行热交换;同时,冷水板通水,使熔体的温度自底部开始降低,使固液界面始终基本保持在同一水平上,晶体结晶的速度约为1cm/h,约10Kg/h。,直熔法的冷却方式,在浇铸法中,是控制加热区的加热温度,形成自上部向底部的温度梯度,底部首先低于硅熔点的温度,开始结晶,上部始终保持在熔点以上的温度,直到结晶完成。,浇铸法的冷却方式,在整个制备过程中,石英坩埚是不懂的。这种结晶工艺中,结晶速度可以稍微快些。但是,这种方法不容易控制固液晶界的温度梯度,在晶锭的四周的石英坩埚接触部位的温度往往低于晶锭中心的温度。,
9、铸造多晶硅制备完成后,是一个方形的铸锭,如图10.5所示。,目前,铸造多晶硅的重量可以达到250-300Kg,尺寸达到700mm700mm300mm。由于晶体生长时的热量散发,多晶硅的高度很难增加,所以,要增加多晶硅的体积和重量的主要方法是增加它的边长。但是,边长尺寸的增加也不是无限的。,多晶硅晶锭的加工过程,目前使用的外圆切割机或带锯对大尺寸晶锭进行处理很困难;石墨加热器及其他石墨件需要周期性的更换,晶锭的尺寸越大,更换的成本越高。,铸造多晶硅边长尺寸不能无限增加的原因,通常高质量的铸造多晶硅应该没有裂纹、孔洞等宏观缺陷,晶锭表面要平整。从正面观看,铸造多晶硅呈多晶状态,晶界和精力清晰可见,
10、其晶粒的大小可以达到10mm左右;从侧面观看,晶粒呈柱状生长,其主要晶粒自底部向上部几乎垂直地面生长。,在晶锭制备完成以后,切成面积为100mm100mm、150mm150mm或210mm210mm的方柱体。,切完方柱体后,利用线切割机切成片状。,利用定向凝固技术生长的铸造多晶硅,生长速度慢,坩埚是消耗件,不能重复循环使用,即每一炉多晶硅需要一直坩埚;而且,在晶锭底部和上部,各有几厘米后的区域由于质量低而不能应用。,为了克服这些缺点,电磁感应冷坩埚连续拉晶法(electromagnetic continuous pulling)已经被开发,简称EMC或EMCP法。,其原理是利用电磁感应的冷坩埚
11、来熔化硅原料。,电磁感应冷坩埚连续拉晶法原理,这种技术熔化和凝固可以在不同部位同时进行,节约生产时间;而且,熔体和坩埚不直接接触,既没有坩埚消耗,降低成本,又减少了杂质污染程度,特别是氧浓度和金属杂质浓度有可能大幅度降低。,电磁感应冷坩埚连续拉晶法的优点,该技术还可以连续浇铸,速度可达 5mm/min。不仅如此,由于电磁力对硅熔体的作用,使得掺杂剂在硅熔体中的分布可能更均匀。,显然,这是一种很有前途的铸造多晶硅技术。,图6.9所示为电磁感应冷坩埚连续拉晶法制备铸造多晶硅的示意图。由图6.9可知,硅原料可以从顶部直接下落到硅熔体之中。,由上述可知,该技术需要进一步改善晶体制备技术和材料质量,才能
12、使得这种技术在工业界得到广泛应用。目前,利用该技术制备的铸造多晶硅硅锭可达35mm35mm300mm,电池转换效率可达15-17%。,电磁感应冷坩埚连续拉晶法的缺点,这种技术制备出的铸造多晶硅的晶粒比较细小,约为3-5mm,而且晶粒大小不均匀。而且,由图6.9可以看出,该技术的固液界面是严重的凹形,会引入较多的晶体缺陷。因此,这种技术制备的铸造多晶硅的少数载流子寿命较低,所制备的太阳电池的效率也较低。,10.3 铸造多晶硅的晶体生长,10.3.1 铸造多晶硅的原材料,铸造多晶硅的原材料,微电子工业应单晶硅生产的剩余料,半导体级的高纯多晶硅,微电子工业应单晶硅生产的剩余料,质量相对较差的高纯多晶
13、硅,单晶硅棒的头尾料,单晶硅生长完成后剩余在石英坩埚中的硅底料,与直拉、区熔晶体硅生长方法相比,铸造方法对硅原料的不纯具有更大的容忍度,所以铸造多晶硅的原料更多地使用电子工业的剩余料,从而使得原料的来源可以更广,价格可以更便宜,,而且,在多晶硅片制备过程中剩余的硅材料还可以重复利用。有研究表明,只要原料中剩余料的比例不超过40%,就可以生长出合格的铸造多晶硅。,10.3.2 坩埚,在铸造多晶硅制备过程中,可以利用方形的高纯石墨作为坩埚,也可以利用高纯石英作为坩埚。高纯石墨的成本比较便宜,但是有较多可能的碳污染和金属污染;高纯石英的成本较高,但污染少,要制备优质的铸造多晶硅就必须利用石英坩埚。,
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