11.多晶硅定向凝固技术的研究进展

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1、2010中国铸造活动周论文集∗多晶硅定向凝固技术的研究进展11111，2罗大伟，孙金玲，张爽，张国梁，李廷举（1.大连理工大学材料科学与工程学院，辽宁大连116023；2.大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室，辽宁大连116023）摘要：多晶硅是目前最主要的光伏材料，通过定向凝固工艺获得的铸造多晶硅具有结晶取向一致、晶粒粗大均一等特点，该方法目前被产业界广泛采用。本文首先简单地介绍了定向凝固技术的原理，其次重点介绍了国内外多晶硅定向凝固技术的新工艺，最后对目前多晶硅定向凝固技术存在的问题及发展趋势进行了讨论。关键词：定向凝固；多晶硅；

2、研究进展1前言人类进入21世纪以来，随着现代工业的发展，一方面加大了对能源的需求，引发能源危机；另一方面在常规能源的使用中释放出大量的二氧化碳气体，导致全球性的“温室效应”。环境污染和能源短缺己愈来愈制约着人类社会的发展，大力开发可再生清洁能源已成了二十一世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术领域之一。由于太阳能发电具有安全可靠、无污染、无需消耗燃料、可再生、无机械转动部件等独特优点，尤其是可在用电现场发电，与建筑物相结合，构成光伏屋顶发电系统，已经成为可再生能源中最重要的组成部分，也是近年来发展最快，最具活力的研究领域之一。在各国政府积

3、极的政策扶持下，全世界太阳能光伏产业得到了十分迅猛的发展。由于Si材料的成本约占太阳能电池总成本的50%，所以Si材料价格高也成为阻碍光伏产业发展的重要因素。在不影响效率的条件下，降低Si材料的成本是降低硅太阳能电池成本的关键措施。因此，为了满足光伏产业对多晶硅原材料的强大需求，同时摆脱太阳能级硅材料对电子级Si材料的依附，世界各国积极展开了低成本生产太阳能级多晶硅的工艺技术研究。目前，[1]大力发展针对太阳能用高纯多晶硅的低成本生产技术，已成为国际竞争的新领域。定向凝固多晶硅铸锭所需原料来源广、纯度要求较低，而且生产效率高，在规模生产上

4、较有优势;同时多晶硅方片比单晶硅天然形成的圆片在组件中有更好的面积利用效率，所以近年来利用定向凝固技术生产铸造多晶硅铸锭的产量迅猛增长。目前，多晶硅已经成功取代了直拉单晶硅在市场中的主导地位，凭借其高性价比成为了最主要的光伏材料。定向凝固技术既是一种传统的制备技术，又是一种随时可能出现创新与突破的技术。新型定向凝固技术的开发以及定向凝固技术的工业化应用将成为新材料领域的重要课题及发展方向之一，在此领域内有大量的工作要做。进一步的提高定向凝固过程中的温度梯度和冷却速率，[2]并且如何有效稳定控制凝固过程的参数仍然还是其主要的发展方向。本文首

5、先简单叙述了多晶硅定向凝固的原理，重点描述了铸造多晶硅工艺的的发展现状及最新的研究进展。2定向凝固技术的原理∗课题基金：国家自然科学基金重点项目（(50674018）-1-2010中国铸造活动周论文集图1定向凝固去除杂质原理图Fig.1Schematicofremoveimpuritiesbydirectionalsolidification定向凝固法通常指的是在同一个坩埚中熔炼，利用杂质元素在固相和液相中的分凝效应达到提纯的目的，同时通过单向热流控制，使坩埚中的熔体达到一定温度梯度，从而获得沿生长方向整齐排列的柱状晶组织。工业硅中还有多

6、种金属杂质和非金属杂质，在硅熔体结晶过程中,由于各种杂质在固相硅和液相硅中的溶解度具有很大的区别，我们可以利用这个特性来对硅进行提纯，如图1所示，平衡分凝系数远远小于1的杂质不断从固-液界面偏析到硅熔体中,形成杂质向熔体的输送和富集,反之亦然。硅熔体全部结晶[3-5]完毕,采用机械切除杂质浓度高的部分,获得提纯多晶硅。定向凝固工艺是一种去除杂质非常有效的方法，整个过程中没有利用任何化学反应，除了P、B、O和C等非金属杂质以外，大部分的杂质通过两次的定向凝固精练以后都能够满足太阳能级硅的要求，但是定向凝固工艺成本比较高，通过减少定向凝固的次

7、[6]数，能够大幅度的降低太阳能级硅的生产成本。3多晶硅定向凝固工艺3.1传统定向凝固技术根据控制硅熔体热流方向的不同，定向凝固法主要分为热交换法(HEM)和布里奇曼法(Bridgman)等,基本原理如图2所示。热交换法的基本原理是在坩埚底板上通以冷却水或气进行强制冷却，从而使熔体自上向下定向散热；而布里奇曼法则是将坩埚以一定的速度移出热源区域，从而建立起定向凝固的条件。目前,[7]通过布里奇曼法可生产出横截面尺寸大于600mm×600mm、重量超过300kg的多晶硅锭，在实际生产中，大都采用热交换法与布里奇曼法相结合的技术。采用定向凝固

8、法，可以通过控制垂直方向的温度梯度，使得固液界面尽量平直，有利于生长出取向性较好的柱状mc-Si晶锭，该方法目前被产业界广泛采用。上述两种多晶硅定向凝固方法的熔化及凝固过程皆在同一坩埚中,避免