《铸造多晶硅》PPT课件

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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

2、本。如果将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。①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②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

3、晶硅的优缺点缺10.1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（multicrystallinesilicon，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

4、晶硅和直拉单晶硅的比较见表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。

5、自20世纪90年代以来，国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①浇铸法②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

6、方法为热交换法（HeatExchangeMethod，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

7、埚，下部为凝固坩埚。在制备多晶硅时，首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