太阳能原理-张辉

太阳能多晶硅铸锭的原理

与设备需求张辉－清华大学工程物理系郑丽丽-清华大学航天航空学院2009年7月23日太阳能硅制备过程石英砂->冶金硅（电磁炉或流化床）98%-3N冶金硅->太阳能级或电子级硅5-6N，9-11N电子级->单晶或多晶硅（结构和缺陷问题）硅锭-硅片-电池-组件可以不用这种分法，如石英砂通过几个步骤到太阳能级硅或冶金硅通过几步提纯，直接制备单晶硅多晶硅片加工流程及装备清洗硅料装料熔化

定向生长冷却凝固硅锭出炉破锭多线切割硅片清洗包装工业铸锭过程炼钢过程：结构不好，缺陷严重工业铸锭过程：未来技术用激光枪把硅管从中切开，硅管可以像纸一样展开。再用印刷技术制备大面积的太阳能电池未来连续生长技术在高温下运行的叶轮机叶片,需要使用单晶叶片.•单晶叶片高温机械强度好.•生长速度较慢.•环境温度和环境气体控制严格.工业铸锭过程坩埚融化和坩埚凝固系统.•用于金属冶炼.•用于金属提纯.•也用于定向凝固生长.硅融合和结晶过程加热熔化长晶退火冷却准备出锭1540℃1440℃900℃1410℃400℃化料时加热，凝固时降温冷却加热器加热绝热材料热交换台石墨护板坩锅硅液固体硅真空问题坩埚问题加热问题水冷问题多晶硅片加工流程多晶硅锭硅液热交换台定向凝固硅原料加热加热多晶硅片加工流程多晶硅锭破方硅片线切割HEM炉子是从CrystalSystems的单晶蓝宝石生长炉改进过来，于1995年技术转让给GT公司。生长多晶硅可以简化底部设计。生长速度可以加快。HEM小炉子–CrystalSystems最早的硅热交换法氦气热交换器炉壁测温计坩埚接真空泵硅籽晶液体硅加热器电源接口绝缘层观察孔HEM炉子在GTSolar成立之后，出现了HEM炉子的改型版DSS，如DSS240、DSS450等。DSS240–GTSolarDSS240多晶硅铸锭技术典例最重要问题：氮化硅涂层凝固问题分成两个步骤成核过程：产生稳定的晶核晶核成长：产生晶粒结构，温度梯度决定了每个晶粒的形状液体晶核晶粒晶界液体固体基板基板的温度与表面特性氮化硅涂层技术是DSS系列能发展的关键国际公司

国外很多国家，包括美国、英国、法国、德国、日本等，都制造过多晶硅铸锭炉，目前主要有美国GTSOLAR、德国ALD、普发拓普、法国ECM等。目前，我国引进最多的是GTSOALR的结晶炉。国内的保定英利、江西赛维LDK、浙江精功太阳能都是引进GTSOLAR的结晶炉。从早期160公斤级到前两年的240公斤级，目前容量已增加到450公斤级。国际公司GT—Solar:进入国内最早,保有量最大,420kg/炉ALDVacuumTechnologiesGmbH:420kg设备已供应市场,开始批量进入国内Scanwafer:可同时生产四锭(800~1000kg)/炉，专利产品,不对外销售ECM:三温区设计,硅料再利用率高GTSolarDSS450特点:底装料，易于操作标准模块，易于安装1炉产量可超过6.2MW（电池尺寸156mmX156mm，转换效率15.5%）硅锭尺寸:84x84cm硅锭重量:400－450kg全自动生产炉子安全设施需要改进ALD450特点：

·结构紧凑，可结晶400-450公斤硅锭

·无需移动坩埚和部件

·全自动熔炼、结晶和退火

·底部和顶部均配备加热器系统

·炉子安全设施需要改进

·顶部装料工艺实现：GTSDSS240生长原理原理:移动侧壁绝热筒通过开口与冷壁热交换通过增大开口或降低加热器功率导致晶体定向凝固要求：固液界面附近保持给定的温差。太小导致生长不稳定，太大导致应力耗能增大。同时界面要平。关键技术：温度梯度及凝固速度控制(TC1及开口工艺)、界面形状(炉子设计)、成核控制(没有)、流动控制(没有)加热器绝热材料坩锅热交换台(HEX)硅铸锭的控制参数T1MeltSolidTmT2DxL液相：可以用对流公式改进固相辐射换热公式相界面热平衡公式T1:由加热器控制T2:由绝热筒位置及界面运动速度控制F：与绝热筒位置（或开口大小）相关放热硅生长速度的控制因素控制晶体生长速度的因素：开口增大，F随着增大，当“左一”比“右一”大时，晶体生长开始；随开口继续增大（F增大）或功率下降（T1减小），生长速度加快；之后，F继续增大，但T2下降。因“左一”与T2四次方关系，会导致其下降，使得晶体生长速度减慢。T1MeltSolidTmT2DxL放热左一右一F随开口增大而变大生长速度结论：开口大小和T1设定是非常重要的因数，T1设定在生长后期更重要。生长速度的增加，会要求解决杂质堆积问题能量损失分析闭炉时，能量损失主要通过隔热壁，通过减小内部面积和增加绝热板厚度，减小热损失。透顶后（开炉），能量利用率很低DSS240隔热绒上移时，炉子上部须预留空间，顶部外伸部分形成散热Fins，造成不必要的能量损失。JJL500采用底部绝热板下降方法及别的节能措施，炉体高度减少，节能潜力增大。Q2Q4Q1Q3Qtotal（没有记录潜热部分）几个问题：壁面效应冷壁问题：侧壁微晶及中心杂质堆积

热壁好处：可用“坏”料生长冷壁冷壁热壁热壁几个问题：杂质和SiC材料的融点随杂质浓度增大而变化杂质浓度随结晶过程变化低温度梯度，高生长速度75x高温度梯度，低生长速度融点液相固相界面温度高温度梯度低温度梯度加热器位置将影响结晶的质量目前设计流动性差，碳杂质在中心堆积严重，长晶速度高时易在中心部位过冷并产生微晶，限制了生长速度(<2cm/h)。接近透顶时，流动性更差，不存在大涡，整体产生微晶。杂质堆积工业多晶硅铸锭技术多晶硅铸锭炉项目450kg,500kg,600kg(在研)，800kg(在研)，1000kg(在研)系统单晶铸锭技术(未来)连续铸锭技术(未来)合作项目与下游技术集成进一步降低能耗（设备厂与硅锭厂合作）精工科技JJL500kg铸锭炉侧壁加热，下板移动JJL500kg炉体高度小于DSS240kg铸锭炉定向凝固生长的原理化料时加热，凝固时降温冷却加盖与上下加热方式优点：

铸锭炉结构简单硅锭横向均匀性好晶粒很直缺点：流动性差导致碳杂质在界面堆积严重

微晶可能性较大 排杂能力较差 对原材料要求严格生长速度受限

微晶问题解决方法：侧壁加热、外部扰动(如转动，震动)等加热器加热绝热材料热交换台石墨护板坩锅硅液固体硅各种DSS设计，有盖无盖，单或多加热器等。关键问题上没有突破，平均生长速度约1.5cm/h。EFG硅管最大速度可达3.5m/h。日本Kakimoto小组的工作法国Duffar小组的工作Lid加热器加热器快速生长及节能型铸锭炉（铸锭厂）优化铸锭工艺、缩短铸锭周期（硅锭生产厂）定向凝固可以通过增大开口或减低加热器能量获得，也可两者结合。所以每个公司可以有自己的工艺。可以通过工艺改进，增加生长速度，但必须保证质量（因为温度梯度及界面形状不同，多晶硅质量差别较大）可以通过实验或数值模拟进行优化：最佳的工艺应该是生长速度快，固液界面较平，及保证一定的轴向梯度。总结发展节