本文關(guān)鍵詞：鑄造多晶硅制備技術(shù)的研究進(jìn)展，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

鑄造多晶硅制備技術(shù)的研究進(jìn)展/ 張發(fā)云等

?1 1 3 ?

(1 　 新余高等�？茖W(xué)校太陽(yáng)能科學(xué)與工程系 ,新余 338000 ;2 　 南昌工程學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程系 ,南昌 330099)

摘要 　　 近年來(lái) ,由于低成本 、 低耗能和少污染的優(yōu)勢(shì) ,鑄造多晶硅成為主要的光伏材料之一 ,越來(lái)越受到人們 的廣泛關(guān)注

。系統(tǒng)論述了太陽(yáng)能級(jí)多晶硅制備技術(shù)的研究進(jìn)展 , 重點(diǎn)介紹了目前鑄造多晶硅制備技術(shù) , 如澆注法 ( Ingot casting) 、 定向凝固法及電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造法 ( EMCP) 。另外 ,著重闡述了鑄造多晶硅中磷和硼的提純 、 多 晶硅晶粒組織中晶界和位錯(cuò)的形成與控制以及定向凝固的數(shù)值模擬技術(shù) ,討論了鑄造多晶硅材料的研究現(xiàn)狀和存在 的問(wèn)題 ,展望了今后的發(fā)展方向 。
太陽(yáng)能級(jí)多晶硅 　 定向凝固 　 提純 　 鑄造技術(shù) 關(guān)鍵詞 　　

中圖分類號(hào) : T G249 　　　　　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A

Research Progress of Fabrication Process of Cast Multicrystalline Sil icon
ZHAN G Fayun1 , YE J ianxio ng2
( 1　 Depart ment of Solar Energy Science and Engineering , Xinyu college , Xinyu 338000 ; 2　 Depart ment of Mechnial and Power Engineering ; Nanchang Instit ute of Technology , Nanchang 330099) Abstract 　　Recently ,due to t he superiority of low co st , low energy consumptio n and less pollution , cast multi2 Key words 　　solar grade multicrystalline silicon , directio nal solidification , p urification , casting technology

crystalline silicon has obtained mo re and more attention fo r being o ne of t he main p hotovoltaic materials. The research

0　 引言

自 1954 年實(shí)用的太陽(yáng)電池問(wèn)世以來(lái) ,晶體硅太陽(yáng)電池一 直在世界光伏市場(chǎng)居統(tǒng)治地位 ,占太陽(yáng)電池總產(chǎn)量的 80 %～ 90 % 。就其晶體形態(tài)而言 ,主要有單晶硅 、 多晶硅及非晶硅 3 大類 。單晶硅的電池轉(zhuǎn)換效率較高 , 但拉制工藝相對(duì)復(fù)雜 , 且對(duì)原料要求較嚴(yán) , 最終導(dǎo)致成品電池成本偏高 ; 非晶硅電 使其性能穩(wěn)定性較差 ; 與上述兩者相比 , 多晶硅電池轉(zhuǎn)換效 率適中 ,制造成本較低 ,即性價(jià)比較高 。近年來(lái) , 多晶硅太陽(yáng) 電池正是以其高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì) , 得到了迅速的發(fā)展 , 市場(chǎng)占 有率已達(dá) 50 %以上[ 1 - 10 ] 。 當(dāng)前 ,隨著太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)的迅猛發(fā)展 ,

池成本低 ,但換效效率也較低 ,且由于非晶硅的 S2W 效應(yīng) ,致 作為太陽(yáng)電池最重要原材料的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅在全球范圍 內(nèi)嚴(yán)重短缺 , 供需缺口高達(dá) 50 % 以上 , 導(dǎo)致其價(jià)格成倍上 漲 。西門(mén)子法是目前生產(chǎn)多晶硅的主要技術(shù) , 但存在著耗能

　3 江西省教育科學(xué) “十一五” 規(guī)劃 2007 年重點(diǎn)課題 ( 07ZD043) 資助項(xiàng)目 ;2008 年新余市科技計(jì)劃項(xiàng)目和 2008 年校級(jí)重點(diǎn)課題
　 張發(fā)云 : 男 ,1967 年生 ,博士 ,主要從事光伏材料與先進(jìn)輕合金材料制備技術(shù)的模擬及仿真研究 　E2mail :zf yabc @126. com

p rogress of p reparatio n technology of multi2crystalline silico n for solar cells is summarized in t he paper , t he fabrication tion and t he elect ro magnetic co ntinuo us p ulling. In addition , t he p urification technique for p ho sp ho rus and boro n in talline silicon micro st ruct ure are also p resented. Moreover , numerical simulatio n technology of directio nal solidification tail.

is discussed. In t his paper ,t he research stat us ,existed p roblems and po ssible f ut ure develop ment s are reviewed in de2

techniques of cast multicrystalline silicon at p resent are mainly int roduced , such as ingot casting , directional solidifica2 metallurgical grade silicon is explained in details , formatio n and cont rol of grain boundary and dislocation of multicrys2

鑄造多晶硅制備技術(shù)的研究進(jìn)展 3
張發(fā)云1 ,葉建雄2

高、 投入成本巨大 、 生產(chǎn)流程長(zhǎng) 、 工藝控制難和環(huán)境污染大等 缺點(diǎn) 。因此 ,探索一種具有耗能低 、 投入成本少 、 工藝操作簡(jiǎn) 單且環(huán)境污染小的多晶硅制備技術(shù)已成為各國(guó)學(xué)者研究的 重點(diǎn) 。而冶金物理法具有成本低 、 技術(shù)成熟度高 、 環(huán)境污染 小、 工藝相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn) 。特別是近年來(lái)通過(guò)對(duì)鑄造工藝的 不斷改進(jìn) ,對(duì)多晶硅材料內(nèi)部缺陷和雜質(zhì)的深入研究 , 以及 數(shù)值模擬技術(shù)的成熟與運(yùn)用 ,使得鑄造多晶硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn) 換效率也得到了迅速的提高 ,是最有希望實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能級(jí)硅的 大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)[ 11 - 16 ] 。 本文綜合論述了近年來(lái)鑄造多晶硅定向凝固制備技術(shù)

的研究進(jìn)展 ,著重闡述鑄造多晶硅中磷和硼的提純 、 多晶硅 晶粒組織中晶界和位錯(cuò)的控制以及定向凝固的數(shù)值模擬技 術(shù) ,并展望了鑄造多晶硅的發(fā)展前景 。

1　 鑄造多晶硅錠的制備技術(shù)

目前 ,鑄造多晶硅錠的制備技術(shù)主要有 : 澆注法 ( Ingot

?1 1 4 ?

材料導(dǎo)報(bào) : 綜述篇 　

　 2009 年 5 月 ( 上) 第 23 卷第 5 期

casting) 、 定向凝固法及電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造法 ( EMCP )

里奇曼法 (Bridgman) 等 ,基本原理如圖 2 和圖 3 所示 。

等[ 17 - 19 ] 。

1. 1 　 澆注法
澆注法[ 20 ] 于 1975 年由 Wacker 公司首創(chuàng)并用來(lái)制備多 晶硅材料 ,其工藝過(guò)程是將硅料置于預(yù)熔坩堝內(nèi)熔化 , 而后 利用翻轉(zhuǎn)機(jī)械將其注入預(yù)先準(zhǔn)備好的凝固坩堝內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶 , 結(jié)晶時(shí)始終控制固液界面的溫度梯度 ,保證固液界面在同一 平面上 ,最終使所有的硅熔體結(jié)晶 ( 如圖 1 所示) 。

圖1　 澆注法基本原理示意圖 Fig. 1 　 Schematic diagram of the f undamental
principle of ingot casting

澆注法工藝成熟 、 設(shè)備簡(jiǎn)單 、 易于操作控制 , 且能實(shí)現(xiàn)半 連續(xù)化生產(chǎn) ,其熔化 、 結(jié)晶 、 冷卻都分別位于不同的地方 , 有 利于生產(chǎn)效率的提高和能耗的降低 。然而 , 由于澆注法所用 的坩堝材料多為石墨 、 石英等 , 并且熔化和結(jié)晶使用不同的 坩堝 ,硅錠二次污染較嚴(yán)重 。所以用該法制備的多晶硅雜質(zhì) 元素含量較高 ,同時(shí)受熔煉坩堝及翻轉(zhuǎn)機(jī)械的限制 , 爐產(chǎn)量 較小 。 為了降低坩堝對(duì)硅錠的污染 ,研究者提出了一種改進(jìn)方 法 。在坩堝內(nèi)壁涂上 Si3 N 4 膜層 , 以降低來(lái)自坩堝雜質(zhì)的玷 污 。同時(shí) , Si3 N 4 涂層還能起到一定的潤(rùn)滑脫模作用 , 因?yàn)楣?熔體在高溫時(shí)與石墨發(fā)生反應(yīng) ,加之硅凝固過(guò)程中的體膨脹 作用 ,易造成硅錠與石墨模具的粘連 , 冷卻后難以脫模 , 使用 Si3 N 4 涂層后硅熔體和坩堝內(nèi)壁不粘結(jié) ,這樣既可以降低凝固 時(shí)產(chǎn)生的大量應(yīng)力又能多次使用坩堝 , 從而降低了生產(chǎn)成 本 。但最近美國(guó)的研究者 Buo nassisi 等[ 21 ] 通過(guò)分析比較了 α Si3 N 4 涂層與鑄造多晶硅中雜質(zhì)的種類 、 2 相對(duì)濃度 、 含有雜 質(zhì)顆粒的化學(xué)態(tài)和雜質(zhì)分布狀況及其形成機(jī)理后 , 認(rèn)為在鑄 造多晶體生長(zhǎng)時(shí) , Si3 N4 涂層中的金屬與非金屬雜質(zhì)可能會(huì) 污染鑄造多晶硅 ,并提出了相應(yīng)解決措施 : ( 1) 減少α Si3 N 中 2 雜質(zhì)含量 ; ( 2) 改善α Si3 N 的結(jié)構(gòu)質(zhì)量 ,使得在晶體生長(zhǎng)時(shí) α 2 2 Si3 N 中的分解物降到最低 ; ( 3 ) 降低坩堝的表面面積與體積 的比率 ( 如增大坩堝尺寸大小) 。

1. 2 　 定向凝固法

定向凝固法通常指的是在同一個(gè)坩堝中熔煉 , 利用雜質(zhì) 元素在固相和液相中的分凝效應(yīng)達(dá)到提純的目的 , 同時(shí)通過(guò) 單向熱流控制 ,使坩堝中的熔體達(dá)到一定溫度梯度 , 從而獲 得沿生長(zhǎng)方向整齊排列的柱狀晶組織 。依據(jù)控制硅熔體熱 流方向的不同 ,定向凝固法主要分為熱交換法 ( H EM ) 和布

　　 熱交換法的基本原理是在坩堝底板上通以冷卻水或氣 進(jìn)行強(qiáng)制冷卻 ,從而使熔體自上向下定向散熱 ; 而布里奇曼 法則是將坩堝以一定的速度移出熱源區(qū)域 ,從而建立起定向 凝固的條件 。目前 ,通過(guò)布里奇曼法可生產(chǎn)出橫截面尺寸大 于 600mm × 600mm 、 重量超過(guò) 300kg 的多晶硅錠[ 22 ] , 在實(shí)際 生產(chǎn)中 ,大都采用熱交換法與布里奇曼法相結(jié)合的技術(shù) 。 定向凝固法的熔化及凝固過(guò)程皆在同一坩堝中 , 避免了 熔體的二次污染 , 液相溫度梯度接近常數(shù) , 生長(zhǎng)速度可以調(diào) 節(jié) ,因此 ,用定向凝固法所得硅錠制備的電池轉(zhuǎn)換效率較高 。 但該制備工藝能耗大 、 產(chǎn)能較小 ,多晶硅生長(zhǎng)速度慢 , 且坩堝 只能用 1 次 ,生產(chǎn)成本較高 。另外 , 在定向凝固過(guò)程中 , 由于 分凝現(xiàn)象鑄造多晶硅錠雜質(zhì)濃度會(huì)隨著硅錠高度的變化而 變化 ,雜質(zhì)的最高濃度分布在最后凝固的硅錠頂部和最先凝 固的錠底部 ( 由于長(zhǎng)時(shí)間與坩堝低接觸而受固態(tài)擴(kuò)散的污 染) 。因而 ,在硅錠的中部少數(shù)載流子的壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度是 最高的 ,而在其頂部與底部少數(shù)載流子的壽命明顯縮短 。因 此 ,實(shí)際生產(chǎn)中多晶硅鑄錠頭尾料需切除 , 留去中間部分 , 降 低了材料的利用率[ 23 ] 。

1. 3 　 電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造法 ( EMCP)
電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造法[ 24 ] 的基本原理是利用電磁感 應(yīng)加熱來(lái)熔化硅原料 ,其熔化和凝固過(guò)程可以在不同部位進(jìn)

鑄造多晶硅制備技術(shù)的研究進(jìn)展/ 張發(fā)云等
行 ,節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間 。且隨下部硅錠一起向下抽拉時(shí) , 上部 硅錠可以同時(shí)凝固 ,從而實(shí)現(xiàn)過(guò)程的連續(xù)操作[ 25 ] 。與澆注法 和定向凝固法相比 , 該工藝具有以下優(yōu)點(diǎn) : ( 1 ) 在熔煉過(guò)程 中 ,由于不使用坩堝 , 避免了硅料和坩堝的接觸污染以及坩 堝損耗 ; ( 2) 提高了生產(chǎn)率 ,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作 ; ( 3 ) 由于電磁 感應(yīng)加熱及連續(xù)鑄造 , 硅錠性能穩(wěn)定 , 避免了常規(guī)澆注過(guò)程 中因雜質(zhì)分凝導(dǎo)致的硅錠質(zhì)量分布不均勻 、 需進(jìn)行切除頭尾 料的現(xiàn)象 ,有利于提高材料的利用率 。EMCP 法的不足之處 在于 : ( 1) 生長(zhǎng)的多晶硅中顆粒尺寸較小 ; ( 2 ) 由于其凝固速 率較快以及固液界面處不平而易產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力 , 使得其 位錯(cuò)密度相對(duì)較高 ,從而造成該工藝生產(chǎn)的多晶硅材料轉(zhuǎn)換 效率也相對(duì)較低 。Boudaden 等[ 26 ] 比較了快速熱處理對(duì)電磁 感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造法與定向凝固法制備多晶硅的影響 。結(jié) 果表明 ,經(jīng)快速熱處理工藝后 ,與定向凝固法相比 , EMCP 法 制備的多晶硅材料中少數(shù)載流子的壽命明顯延長(zhǎng) 。

?1 1 5 ?
等組織缺陷) ,這些缺陷也是影響太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的重要 因素 。

2. 2. 1 　 晶界
對(duì)于鑄造多晶硅 , 晶粒尺寸越大越好 , 這樣可以減少晶 界的表面積 ,并且最好使晶界方向與硅晶片表面相互垂直 , 這樣可以明顯降低晶界對(duì)多晶硅太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的影響 。 因此 ,通過(guò)采用定向凝固技術(shù)可以獲得沿生長(zhǎng)方向整齊排列 的粗大柱狀晶組織 , 這些粗大的柱狀晶尺寸減少了晶界數(shù) 量 ,也有利于提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率 。武冠男等[ 22 ] 研究認(rèn) 為 ,多晶硅錠晶粒形狀和尺寸主要取決于定向凝固工藝 , 即 晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的溫度分布 、 凝固速度 、 固2液界面形狀等因 素 ,其中凝固速率的影響最大 ,是控制凝固組織的主要參數(shù) 。

2. 2. 2 　 位錯(cuò)
位錯(cuò)是鑄造多晶硅中一種重要的微觀結(jié)構(gòu)缺陷 。在晶 體生長(zhǎng)過(guò)程中由于溫度分布不均勻 , 導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生 , 從 而在晶粒中形成大量的位錯(cuò) ; 另外 , 生成的各種沉淀 , 由于其 晶格尺寸的不匹配 , 也會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)的產(chǎn)生 , 位錯(cuò)或位錯(cuò)團(tuán)可 以大幅度地縮短少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度 ,這是因?yàn)槲诲e(cuò)本身 的懸掛鍵具有很強(qiáng)的電活性 ,可以直接作為光生載流子的復(fù) 合中心[ 29 ] ,位錯(cuò)密度越大 ,非本征吸雜的效果就越差 。因此 , 無(wú)論是為了提高電池轉(zhuǎn)換效率 , 還是為了有效吸雜 , 都必須 最大限度地降低硅晶體中的位錯(cuò)密度 。

2　 鑄造多晶硅的雜質(zhì) 、 缺陷及工藝改性
2. 1 　 鑄造多晶硅的雜質(zhì)
鑄造多晶硅中的雜質(zhì)去除[ 22 ] 主要是利用合金元素在定 向凝固過(guò)程中的分凝效應(yīng) ,即不同雜質(zhì)元素在固相和液相中 具有不同的溶解度 , 使得其偏聚到最后凝固的液相中 , 從而 達(dá)到提純的目的 。對(duì)于分凝系數(shù) k0 = Cs / Cl 小的雜質(zhì)和淺能 級(jí)雜質(zhì) ,該方法對(duì)前者的去除效果好 ,如表 1 所示 。除 P 和 B 雜質(zhì)外 ,其它雜質(zhì)元素的平衡分凝系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1 , 因此 , 在 硅熔體結(jié)晶過(guò)程中 ,平衡分凝系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1 的雜質(zhì)不斷從 固2液界面偏析到硅熔體中 , 形成雜質(zhì)向末端富集 , 待硅熔體 全部結(jié)晶完畢 ,采用機(jī)械切除雜質(zhì)濃度高的部分 , 從而完成 平衡分凝系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1 的雜質(zhì)的去除 ; 但對(duì)于平衡分凝系 數(shù)較大的 P 和 B ,定向凝固技術(shù)難以使這 2 種雜質(zhì)元素很好 地偏聚到硅熔體中 ,P 和 B 雜質(zhì)元素的去除也是太陽(yáng)能級(jí)多 晶硅定向凝固的難點(diǎn) 。Miki 等[ 27 ] 從熱力學(xué)角度研究了從硅 中除去 P 的可能性 ,認(rèn)為在溫度為 1823 K 時(shí) P 以單原子和雙 原子形式蒸發(fā) ; 當(dāng)硅中 P 的含量低于 5 × - 5 時(shí) ,單原子 P 蒸 10 氣在氣相中占主導(dǎo)地位 。D. Morvan 等[ 28 ] 利用感應(yīng)氬等離 子體并加入氧氣作為反應(yīng)氣體生成 B 的揮發(fā)性產(chǎn)物 ,從而達(dá) 到除 B 的目的 。 表1　 硅熔體結(jié)晶過(guò)程中雜質(zhì)平衡分凝系數(shù)
Table 1 　Equilibrium segregatio n coefficient s of imp urities in crystallization of silicon P
k0 k0

2. 3 　 多晶硅中的工藝改性
目前 ,為了提高由鑄造多晶硅材料制成的太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn) 換效率 ,除了采用工藝合理的定向凝固技術(shù)除雜外 , 鈍化工 藝是進(jìn)一步改善鑄造多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素 。另 外 ,尋找適合鑄造多晶硅表面織構(gòu)化的工藝也是當(dāng)今低成本 制備高效率電池的重要方法 。

2. 3. 1 　 鈍化
在高效太陽(yáng)電池上常采用鈍化技術(shù)來(lái)提高太陽(yáng)電池的 效率 ,近年來(lái)該技術(shù)在光伏級(jí)的晶體硅材料上的使用也產(chǎn)生 了明顯的效果 。特別是鑄造多晶硅中位錯(cuò) 、 晶界等擴(kuò)展缺陷 存在的懸掛鍵和金屬雜質(zhì)是少數(shù)載流子的復(fù)合中心 , 采用鈍 化手段來(lái)中和這些復(fù)合中心也就成為提高材料性能的另一 種有效途徑[ 20 ] 。 目前通常采用 2 種鈍化方式 : 氫鈍化和氧化 鈍化 。氫的主要作用為鈍化晶界 、 位錯(cuò)和電活性雜質(zhì)的電學(xué) 性能 。氫鈍化的效果與硅中的氫外擴(kuò)散和在缺陷處的沉積 相關(guān) 。另外 ,氫還可以鈍化晶體硅的表面 , 氫原子與懸掛鍵 結(jié)合 , 可以消除表面態(tài) , 改善材料性能[ 25 ] 。周春蘭等[ 30 ] 研究 了等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 ( PECVD) 的 SiN x ∶H 以及熱 氧化 SiO2 的雙層表面鈍化 。研究結(jié)果表明 ,這 2 種方法對(duì) P 型晶體硅基片以及 n + 發(fā)射極都具有較好的鈍化效果 , 且經(jīng) 過(guò)短時(shí)的高溫氧化工藝之后 ,還能保持晶體硅材料較高的體 壽命值 ( 大于 20μ ) ,從而獲得較高的轉(zhuǎn)換效率 。 s

B 0. 9 Mn
- 4

C 0. 07 Ti 2× 10
- 6

Al 0. 002 In 4× 10
- 4

Ga 0. 008 Ni 3× -5 10

Fe 8× 10
- 6

0. 35 Cu 5× 10

10

- 5

　　 總之根據(jù)晶體生長(zhǎng)理論和雜質(zhì)分凝原理 ,如何確定和動(dòng) 態(tài)調(diào)整結(jié)晶速度 、 如何控制結(jié)晶過(guò)程中固2液界面形狀 , 是應(yīng) 用定向凝固原理提純冶金硅 、 取得較高成品率的關(guān)鍵因素 。

2. 3. 2 　 表面織構(gòu)
為了提高鑄造多晶硅對(duì)光的吸收率 , 常常采用以下幾種 措施 : ( 1) 降低表面反射 ; ( 2 ) 改變光在電池體內(nèi)部的路徑 ; ( 3) 采用背光反射 。對(duì)于單晶硅來(lái)說(shuō) , 采用異向性化學(xué)腐蝕 即可以在其 (100) 面得到理想的絨面結(jié)構(gòu) ; 而多晶硅由于存

2. 2 　 鑄造多晶硅中的缺陷
鑄造多晶硅中具有高密度的缺陷 ( 如晶界和大量的位錯(cuò)

?1 1 6 ?

材料導(dǎo)報(bào) : 綜述篇 　

　 2009 年 5 月 ( 上) 第 23 卷第 5 期

在多種不同的晶向 , 采用上述方法無(wú)法得到均勻的絨面 , 也 不能有效降低多晶硅的反射率 。因此 ,多晶硅表面的絨面制 備技術(shù)一直是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn) 。目前 , 多晶硅絨 面技術(shù)主要有機(jī)械刻槽 、 激光刻槽 、 反應(yīng)離子腐蝕和各向同 [ 31 ] [ 32 ] 性酸腐蝕 。趙汝強(qiáng)等 利用各向同性酸腐蝕法制備了多 晶硅的絨面 。研究表明 , 隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng) , 表面形貌從 微裂紋狀變?yōu)闅馀轄?,反射率先降后升 ; 通過(guò)優(yōu)化各種參數(shù) , 獲得了與太陽(yáng)電池后續(xù)工藝相適應(yīng)的多晶硅絨面 。

4　 結(jié)語(yǔ)
太陽(yáng)能光伏技術(shù)在解決能源短缺 、 減少環(huán)境污染 、 提供 清潔可再生高效能源方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用 。目前 , 多晶硅為太陽(yáng)電池最主要的材料 , 低成本 、 低耗能和少污染 化將是今后多晶硅制備技術(shù)發(fā)展的主要方向 。因此 , 太陽(yáng)電 池多晶硅鑄造技術(shù)必將得到人們的廣泛關(guān)注 , 也是最有希望 實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能級(jí)硅大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù) 。但是該技術(shù)在提 高轉(zhuǎn)換效率 ,控制硅錠晶粒形狀 、 尺寸 、 內(nèi)部組織缺陷和雜質(zhì) 分布均勻性等方面還有許多研究工作要做 。然而 , 隨著計(jì)算 機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展 、 工業(yè)信息化的推進(jìn) , 運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù) 對(duì)多晶硅鑄造技術(shù)中的定向凝固工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 , 減少硅 錠中的組織缺陷 , 提高鑄錠質(zhì)量 , 盡快形成太陽(yáng)能級(jí)硅的低 成本 、 低能耗 、 大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù) , 從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池 的大規(guī)模應(yīng)用 ,為光伏領(lǐng)域開(kāi)拓了一個(gè)嶄新的發(fā)展方向 。

3　 數(shù)值模擬
隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的不斷改進(jìn) , 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù) 作為產(chǎn)品設(shè)計(jì) 、 、 生產(chǎn) 加工等主要的輔助手段 , 其應(yīng)用范圍不 斷擴(kuò)大 ,已開(kāi)始應(yīng)用于太陽(yáng)能光伏材料的制備與加工 。特別 是在鑄造多晶硅領(lǐng)域 , 由于制備鑄造多晶硅的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用非常 昂貴 ,且研制周期較長(zhǎng) , 會(huì)造成人力物力的浪費(fèi) ,所以計(jì)算機(jī) 對(duì)提純多晶硅過(guò)程的模擬將成為一個(gè)非常有價(jià)值的工具 。 采用數(shù)值模擬技術(shù) , 根據(jù)不同工藝方案對(duì)鑄造多晶硅定向凝 固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬 , 分析其凝固過(guò)程 , 確定最佳的工藝方 案 , 不但可以節(jié)省人力物力 ,而且還可以縮短研制周期 ,提高 多晶硅質(zhì)量 。 與單晶硅相比 , 多晶硅存在晶粒間界和晶粒的不同取 向 ,晶粒間界中的大量缺陷在硅的禁帶中形成的界面態(tài)是光 生載流子的復(fù)合中心 ,影響多晶硅太陽(yáng)電池特性和效率 �？� 制晶體凝固過(guò)程中的晶粒形狀和尺寸是降低界面態(tài)密度進(jìn) 而提高多晶硅太陽(yáng)電池性能的重要手段之一[ 33 ] 。而多晶硅 錠晶粒形狀和尺寸的控制在很大程度上取決于硅錠制備工 藝過(guò)程 ,即晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的溫度分布 、 凝固速度和固2液界 面形狀 。計(jì)算機(jī)模擬定向凝固時(shí)的主要困難是精確地獲得 材料參數(shù) ,如雜質(zhì)有效沉淀密度 、 平均沉淀位置半徑 、 分凝系 數(shù)、 雜質(zhì)有效擴(kuò)散系數(shù)等 。因此 , 如何確定這些材料參數(shù)的 模型將是未來(lái)定量研究定向凝固技術(shù)的重要任務(wù) 。劉秋娣 等[ 34 ] 采用數(shù)值模擬方法研究了幾何參數(shù)及熱量變化對(duì)多晶 硅錠凝固過(guò)程 、 固2液界面形狀和溫度梯度的影響 。研究結(jié)果 表明 ,隨固化量的增加 , 溫度梯度先快速下降 , 之后趨于常 量 。在冷源半徑保持相對(duì)較小值的條件下 , 界面曲率出現(xiàn)最 大值 ; 冷源半徑如果相對(duì)較大 , 界面曲率一直呈上升趨勢(shì) 。 增大石墨托底的厚度和坩堝的厚度使界面曲率下降 , 倘若增 大石墨托側(cè)壁的厚度則界面曲率增大 。因此采用底部較厚 的石墨托有利于獲得較小的界面曲率 。Steinbach 等[ 35 ] 利用 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)研究了太陽(yáng)能級(jí)鑄造多晶硅的凝固過(guò)程和 多晶硅在結(jié)晶過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布 、 不同雜質(zhì)濃度下凝固速 度的計(jì)算與晶粒的生長(zhǎng)預(yù)測(cè) , 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證較吻合 , 具有較高的理論指導(dǎo)意義 。 總之 ,在采用定向凝固技術(shù)制備多晶硅時(shí) , 運(yùn)用計(jì)算機(jī) 模擬技術(shù)針對(duì)其熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬 , 可以進(jìn) 一步深入研究鑄造多晶硅凝固過(guò)程 ,為改善鑄造過(guò)程中熱環(huán) 境、 減少硅錠中的應(yīng)力及晶粒生長(zhǎng)時(shí)形成理想的柱狀晶粒提 供有力保障 ,也為太陽(yáng)電池材料的結(jié)構(gòu)2性能2制備一體化設(shè) 計(jì)開(kāi)辟新的研究途徑 。

參考文獻(xiàn)
1 　Adolf G , Hebling C , Schock H W. Photovoltaic materials , histo ry , status and o utlook [ J ] . Mater Sci Eng , 2003 , ( 40 ) : 1 2　 郭景杰 ,黃鋒 ,陳瑞潤(rùn) ,等 . 太陽(yáng)能電池用多晶硅鑄造技術(shù)研

究進(jìn)展 [J ]. 特種鑄造及有色合金 ,2008 ,28 ( 7) :516
3　 武冠男 ,張軍 ,劉林 ,等 . 太陽(yáng)能級(jí)多晶硅定向凝固技術(shù)的研

究進(jìn)展 [J ]. 鑄造技術(shù) ,2008 ,29 (5) :673
4　 石湘波 ,許志強(qiáng) , 施正榮 , 等 . 鑄造多晶硅的吸雜 [J ] . 江南

大學(xué)學(xué)報(bào) ( 自然科學(xué)版) ,2006 ,5 ( 6) :749
5　 俞征峰 , 席珍強(qiáng) , 楊德仁 , 等 . 鑄造多晶硅中熱施主形成規(guī)

律 [J ] . 太陽(yáng)能學(xué)報(bào) ,2005 ,26 ( 4) :581
6　 陳金學(xué) ,席珍強(qiáng) ,吳冬 ,等 . 鑄造多晶硅中鐵的磷吸雜和氫鈍

化機(jī)理 [J ]. 半導(dǎo)體學(xué)報(bào) ,2005 ,26 (8) :1549
7　 鄧海 ,楊德仁 ,唐駿 ,等 . 鑄造多晶硅中雜質(zhì)對(duì)少子壽命的影

響 [J ] . 太陽(yáng)能學(xué)報(bào) ,2007 ,28 ( 2) :151
8　 鄧太平 ,毛文行 ,尹傳強(qiáng) ,等 . 太陽(yáng)能多晶硅錠中夾雜的物相

與分布特性 [J ] . 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào) ,2008 ,26 (3) :449
9　 吳亞萍 . 太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的冶金制備研究 [ D ] . 大連 : 大連

理工大學(xué) ,2006
10 陳金學(xué) . 晶體硅太陽(yáng)電池材料的磷吸雜研究 [ D ] . 杭州 : 浙江

大學(xué) ,2005
11 Dietl J , Helmreich D , Sirtl E. Crystals : Growt h , p roperties 12 Geerlig L J , Komat su Y. Precipitates and hydrogen passiva2 13 Bei W , Nat han S , Ma R H ,et al. Bulk multicrystalline sili2 con growt h for p hotovoltaic ( PV ) application [ J ] . J Cryst Growt h ,2008 , (310) :2178 lar Energy Mater Solar Cells ,2002 , ( 72) :83 15 劉長(zhǎng)松 , 朱震剛 . 分子動(dòng)力學(xué)模擬液態(tài)硅的擴(kuò)散性質(zhì) [J ] . 中 ting : Process develop ment by numerical simulations[J ] . So2 tio n at crystal defect s in n2 and p2type multicrystalline silico n [J ] . J Appl Phys ,2007 , ( 102) :2 and applicatio ns[J ] . Sp ringer2Verlag ,1981 , (5) :57

14 Franke D , Rettelbach T , Habler C , et al. Silico n ingot cas2

鑄造多晶硅制備技術(shù)的研究進(jìn)展/ 張發(fā)云等
山大學(xué)學(xué)報(bào) ( 自然科學(xué)版) ,2001 , (40) :279
16 劉秋娣 ,林安中 , 林喜斌 . 多晶硅錠的制備及其形貌組織的

?1 1 7 ?
rusin molten silico n [J ]. Metall Mater Trans ,1996 ,27B :937 27 Mo rvan D , Cazard2J uvenat I , Amouro ux J . Photovoltaic si2 28 鄧海 . 鑄造多晶硅中原生雜質(zhì)及缺陷的研究 [ D ] . 杭州 : 浙江 lico n p roduced by t hermal plasma : Influence of ato mic hy2 drogen o n o xygen eliminatio n and passivatio n of t he crystal defect s[J ] . J Mater Res ,1998 ,13 ( 10) :2709 2008 :46 Growt h ,1980 ,48 :505 Cells ,2002 , ( 72) :59

研究 [J ] . 稀有金屬 ,2002 ,26 ( 6) :416
17 汪建軍 ,劉金霞 . 太陽(yáng)能電池及材料研究和發(fā)展現(xiàn)狀 [J ] . 浙

江萬(wàn)里學(xué)院學(xué)報(bào) ,2006 ,19 ( 5) :73
18 Mller H J , Funke C , Rinio M , et al. Multicrystalline silico n for solar cells[J ] . Thin Solid Films ,2005 ,487 (122) :179 19 席珍強(qiáng) , 楊德仁 , 陳君 . 鑄造多晶硅的研究進(jìn)展 [J ]. 材料導(dǎo)

大學(xué) ,2006

29 周春蘭 , 唐煜 , 王文靜 , 等 . 晶體硅太陽(yáng)電池的 SiN x ∶H/

報(bào) ,2001 ,15 ( 2) :66
20 Buonassisi T , Ist ratova A A , Pickett M D , et al. Transitio n con : Assessing t he role of imp urities in silico n nit ride cruci2 ble lining material[J ] . J Cryst Growt h ,2006 , (287) :402 metals in p hotovoltaic2grade ingot2cast multicrystalline sili2 result s and co mpariso n to directional solidification material [J ] . Solar Energy Mater Solar Cells ,2002 , ( 72) :101 [J ] . Solar Energy Mater Solar Cells ,2002 , ( 72) :381

熱氧化 SiO 2 的雙層結(jié)構(gòu)的表面鈍化特性研究 [ C ]/ / 第十

屆中國(guó)太 陽(yáng)能光 伏會(huì) 議論文 集 . 杭 州 : 浙江 大 學(xué) 出 版 社 ,

30 Narayanan S. Large area multicrystalline silico n solar cells in high volume p roduction environment2history , stat us , new ter Solar Cells ,2002 , ( 74) :107

21 武冠男 ,張軍 ,劉林 ,等 . 太陽(yáng)能級(jí)多晶硅定向凝固技術(shù)的研

究進(jìn)展 [J ]. 鑄造技術(shù) ,2008 ,29 ( 5) :673

22 Martinuzzi S , Perichaud I , Palais O. Segregation p henomena Mater Solar Cells ,2007 , (91) :1172

31 趙汝強(qiáng) , 沈輝 , 梁宗存 , 等 . 多晶硅太陽(yáng)電池表面酸腐蝕織

《材料導(dǎo)報(bào)》 創(chuàng)刊于 1987 年 ,是全國(guó)中文核心期刊 ,中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊 ( 科技核心期刊) , 中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源 期刊和 CN KI 期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)收錄期刊 。 科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使研究成果產(chǎn)出的周期縮短 ,對(duì)快速及時(shí)發(fā)布科學(xué)研究新成果的需求也日益增強(qiáng) 。為使科技工作者 ( 及其單位搶先獲得科技成果的首發(fā)權(quán)和知識(shí)產(chǎn)權(quán) ,本刊在 《材料導(dǎo)報(bào)》研究篇) 特設(shè) “研究簡(jiǎn)報(bào)” 欄目 。此欄目以創(chuàng)新性和快速 發(fā)布研究成果為特色 ,主要征集學(xué)術(shù)性強(qiáng) 、 具有創(chuàng)新思想的研究報(bào)道 ,以促進(jìn)成果推廣和學(xué)術(shù)交流 。

稿件中需有第一作者簡(jiǎn)介 、2mail 、 、 E 電話 通訊地址等 ,以便聯(lián)系 。 ( 6) 研究課題必須為國(guó)家或省部級(jí)基金資助項(xiàng)目 。 ( 7) 來(lái)稿一律不退 ,請(qǐng)自留底稿 。

( 1) 投稿時(shí)請(qǐng)郵寄 2 份打印稿到重慶市渝北區(qū)洪湖西路 18 號(hào) 《材料導(dǎo)報(bào)》 編輯部 , 并請(qǐng)?jiān)谛欧馍献⒚?“特投研究簡(jiǎn)報(bào)欄 目”同時(shí)將稿件的電子版發(fā)送至 mat2rev @163. co m 。 , ( 2) 投稿一經(jīng)采用將在 3 個(gè)月內(nèi)安排發(fā)表 。 ( 3) 如有一稿多投 、 剽竊或抄襲行為者 ,一切后果由作者本人負(fù)責(zé) 。

23 Perichauda I , Martinuzzi S , Durand F. Multicrystalline sili2 con p repared by elect romagnetic continuous p ulling : Recent 24 楊德仁 . 太陽(yáng)能電池材料 [ M ] . 北京 : 化學(xué)工業(yè)出版社 ,2006 25 Boudaden J , Monna R , Loghmarti M ,et al. Comparison of p ho sp ho rus gettering for different multicrystalline silico n 26 Miki T , Mo rita K , Sano N. Thermodynamics of p ho sp ho2

in large2size cast multicrystalline Si ingot s[J ] . Solar Energy

32 Bardsley W. Impo rtant elect ronic materials [J ] . J Crystal

33 劉秋娣 ,林安中 . 多晶硅錠凝固過(guò)程的影響因素分析及數(shù)值

《材料導(dǎo)報(bào)》 研究簡(jiǎn)報(bào)征稿

一　 投稿要求

( 1) 研究簡(jiǎn)報(bào)是學(xué)術(shù)論文 、 科技報(bào)道的一種新形式 ,是對(duì)課題研究成果的快速報(bào)道 ,具有原創(chuàng)性和較強(qiáng)的學(xué)術(shù)性 、 創(chuàng)新性 。 ( 2) 報(bào)道內(nèi)容應(yīng)為研究課題的最新階段性或部分科研新成果或進(jìn)展 。 ( 3) 文稿應(yīng)論點(diǎn)明確 、 論據(jù)可靠 、 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確 、 邏輯嚴(yán)謹(jǐn) 、 文字通順 。 ( 4) 文稿格式與研究論文相同 ,字?jǐn)?shù)一般不超過(guò) 6000 字 。 (5) 文稿必須經(jīng)過(guò)導(dǎo)師和課題組的嚴(yán)格討論和審查 ,保證文稿的質(zhì)量和原創(chuàng)性 ,投稿作者主要針對(duì)博士 、 教授及研究員等 。

二　 投稿及刊發(fā)

34 Steinbach I , Apel M , Rettelbach T , et al. Numerical simu2 latio ns for silicon crystallizatio n p rocesses : Examples f ro m ingot and ribbo n casting [ J ] . Solar Energy Mater Solar

p rocesses , technology t ransfer issues[J ] . Solar Energy Ma2

構(gòu)化工藝的研究 [ C ] ∥第十屆中國(guó)太陽(yáng)能光伏會(huì)議論文集 . 杭州 : 浙江大學(xué)出版社 ,2008 :58

模擬 [J ] . 有色金屬 ,2003 ,55 ( 1) :15

( 責(zé)任編輯 　 曾文婷)

《材料導(dǎo)報(bào)》 編輯部



  本文關(guān)鍵詞：鑄造多晶硅制備技術(shù)的研究進(jìn)展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。