太陽能原理-張輝

太陽能多晶硅鑄錠的原理

與設(shè)備需求張輝－清華大學(xué)工程物理系鄭麗麗-清華大學(xué)航天航空學(xué)院2009年7月23日太陽能硅制備過程石英砂->冶金硅（電磁爐或流化床）98%-3N冶金硅->太陽能級或電子級硅5-6N，9-11N電子級->單晶或多晶硅（結(jié)構(gòu)和缺陷問題）硅錠-硅片-電池-組件可以不用這種分法，如石英砂通過幾個步驟到太陽能級硅或冶金硅通過幾步提純，直接制備單晶硅多晶硅片加工流程及裝備清洗硅料裝料熔化

定向生長冷卻凝固硅錠出爐破錠多線切割硅片清洗包裝工業(yè)鑄錠過程煉鋼過程：結(jié)構(gòu)不好，缺陷嚴(yán)重工業(yè)鑄錠過程：未來技術(shù)用激光槍把硅管從中切開，硅管可以像紙一樣展開。再用印刷技術(shù)制備大面積的太陽能電池未來連續(xù)生長技術(shù)在高溫下運(yùn)行的葉輪機(jī)葉片,需要使用單晶葉片.?單晶葉片高溫機(jī)械強(qiáng)度好.?生長速度較慢.?環(huán)境溫度和環(huán)境氣體控制嚴(yán)格.工業(yè)鑄錠過程坩堝融化和坩堝凝固系統(tǒng).?用于金屬冶煉.?用于金屬提純.?也用于定向凝固生長.硅融合和結(jié)晶過程加熱熔化長晶退火冷卻準(zhǔn)備出錠1540℃1440℃900℃1410℃400℃化料時加熱，凝固時降溫冷卻加熱器加熱絕熱材料熱交換臺石墨護(hù)板坩鍋硅液固體硅真空問題坩堝問題加熱問題水冷問題多晶硅片加工流程多晶硅錠硅液熱交換臺定向凝固硅原料加熱加熱多晶硅片加工流程多晶硅錠破方硅片線切割HEM爐子是從CrystalSystems的單晶藍(lán)寶石生長爐改進(jìn)過來，于1995年技術(shù)轉(zhuǎn)讓給GT公司。生長多晶硅可以簡化底部設(shè)計(jì)。生長速度可以加快。HEM小爐子–CrystalSystems最早的硅熱交換法氦氣熱交換器爐壁測溫計(jì)坩堝接真空泵硅籽晶液體硅加熱器電源接口絕緣層觀察孔HEM爐子在GTSolar成立之后，出現(xiàn)了HEM爐子的改型版DSS，如DSS240、DSS450等。DSS240–GTSolarDSS240多晶硅鑄錠技術(shù)典例最重要問題：氮化硅涂層凝固問題分成兩個步驟成核過程：產(chǎn)生穩(wěn)定的晶核晶核成長：產(chǎn)生晶粒結(jié)構(gòu)，溫度梯度決定了每個晶粒的形狀液體晶核晶粒晶界液體固體基板基板的溫度與表面特性氮化硅涂層技術(shù)是DSS系列能發(fā)展的關(guān)鍵國際公司

國外很多國家，包括美國、英國、法國、德國、日本等，都制造過多晶硅鑄錠爐，目前主要有美國GTSOLAR、德國ALD、普發(fā)拓普、法國ECM等。目前，我國引進(jìn)最多的是GTSOALR的結(jié)晶爐。國內(nèi)的保定英利、江西賽維LDK、浙江精功太陽能都是引進(jìn)GTSOLAR的結(jié)晶爐。從早期160公斤級到前兩年的240公斤級，目前容量已增加到450公斤級。國際公司GT—Solar:進(jìn)入國內(nèi)最早,保有量最大,420kg/爐ALDVacuumTechnologiesGmbH:420kg設(shè)備已供應(yīng)市場,開始批量進(jìn)入國內(nèi)Scanwafer:可同時生產(chǎn)四錠(800~1000kg)/爐，專利產(chǎn)品,不對外銷售ECM:三溫區(qū)設(shè)計(jì),硅料再利用率高GTSolarDSS450特點(diǎn):底裝料，易于操作標(biāo)準(zhǔn)模塊，易于安裝1爐產(chǎn)量可超過6.2MW（電池尺寸156mmX156mm，轉(zhuǎn)換效率15.5%）硅錠尺寸:84x84cm硅錠重量:400－450kg全自動生產(chǎn)爐子安全設(shè)施需要改進(jìn)ALD450特點(diǎn)：

·結(jié)構(gòu)緊湊，可結(jié)晶400-450公斤硅錠

·無需移動坩堝和部件

·全自動熔煉、結(jié)晶和退火

·底部和頂部均配備加熱器系統(tǒng)

·爐子安全設(shè)施需要改進(jìn)

·頂部裝料工藝實(shí)現(xiàn)：GTSDSS240生長原理原理:移動側(cè)壁絕熱筒通過開口與冷壁熱交換通過增大開口或降低加熱器功率導(dǎo)致晶體定向凝固要求：固液界面附近保持給定的溫差。太小導(dǎo)致生長不穩(wěn)定，太大導(dǎo)致應(yīng)力耗能增大。同時界面要平。關(guān)鍵技術(shù)：溫度梯度及凝固速度控制(TC1及開口工藝)、界面形狀(爐子設(shè)計(jì))、成核控制(沒有)、流動控制(沒有)加熱器絕熱材料坩鍋熱交換臺(HEX)硅鑄錠的控制參數(shù)T1MeltSolidTmT2DxL液相：可以用對流公式改進(jìn)固相輻射換熱公式相界面熱平衡公式T1:由加熱器控制T2:由絕熱筒位置及界面運(yùn)動速度控制F：與絕熱筒位置（或開口大?。┫嚓P(guān)放熱硅生長速度的控制因素控制晶體生長速度的因素：開口增大，F(xiàn)隨著增大，當(dāng)“左一”比“右一”大時，晶體生長開始；隨開口繼續(xù)增大（F增大）或功率下降（T1減小），生長速度加快；之后，F(xiàn)繼續(xù)增大，但T2下降。因“左一”與T2四次方關(guān)系，會導(dǎo)致其下降，使得晶體生長速度減慢。T1MeltSolidTmT2DxL放熱左一右一F隨開口增大而變大生長速度結(jié)論：開口大小和T1設(shè)定是非常重要的因數(shù)，T1設(shè)定在生長后期更重要。生長速度的增加，會要求解決雜質(zhì)堆積問題能量損失分析閉爐時，能量損失主要通過隔熱壁，通過減小內(nèi)部面積和增加絕熱板厚度，減小熱損失。透頂后（開爐），能量利用率很低DSS240隔熱絨上移時，爐子上部須預(yù)留空間，頂部外伸部分形成散熱Fins，造成不必要的能量損失。JJL500采用底部絕熱板下降方法及別的節(jié)能措施，爐體高度減少，節(jié)能潛力增大。Q2Q4Q1Q3Qtotal（沒有記錄潛熱部分）幾個問題：壁面效應(yīng)冷壁問題：側(cè)壁微晶及中心雜質(zhì)堆積

熱壁好處：可用“壞”料生長冷壁冷壁熱壁熱壁幾個問題：雜質(zhì)和SiC材料的融點(diǎn)隨雜質(zhì)濃度增大而變化雜質(zhì)濃度隨結(jié)晶過程變化低溫度梯度，高生長速度75x高溫度梯度，低生長速度融點(diǎn)液相固相界面溫度高溫度梯度低溫度梯度加熱器位置將影響結(jié)晶的質(zhì)量目前設(shè)計(jì)流動性差，碳雜質(zhì)在中心堆積嚴(yán)重，長晶速度高時易在中心部位過冷并產(chǎn)生微晶，限制了生長速度(<2cm/h)。接近透頂時，流動性更差，不存在大渦，整體產(chǎn)生微晶。雜質(zhì)堆積工業(yè)多晶硅鑄錠技術(shù)多晶硅鑄錠爐項(xiàng)目450kg,500kg,600kg(在研)，800kg(在研)，1000kg(在研)系統(tǒng)單晶鑄錠技術(shù)(未來)連續(xù)鑄錠技術(shù)(未來)合作項(xiàng)目與下游技術(shù)集成進(jìn)一步降低能耗（設(shè)備廠與硅錠廠合作）精工科技JJL500kg鑄錠爐側(cè)壁加熱，下板移動JJL500kg爐體高度小于DSS240kg鑄錠爐定向凝固生長的原理化料時加熱，凝固時降溫冷卻加蓋與上下加熱方式優(yōu)點(diǎn)：

鑄錠爐結(jié)構(gòu)簡單硅錠橫向均勻性好晶粒很直缺點(diǎn)：流動性差導(dǎo)致碳雜質(zhì)在界面堆積嚴(yán)重

微晶可能性較大 排雜能力較差 對原材料要求嚴(yán)格生長速度受限

微晶問題解決方法：側(cè)壁加熱、外部擾動(如轉(zhuǎn)動，震動)等加熱器加熱絕熱材料熱交換臺石墨護(hù)板坩鍋硅液固體硅各種DSS設(shè)計(jì)，有蓋無蓋，單或多加熱器等。關(guān)鍵問題上沒有突破，平均生長速度約1.5cm/h。EFG硅管最大速度可達(dá)3.5m/h。日本Kakimoto小組的工作法國Duffar小組的工作Lid加熱器加熱器快速生長及節(jié)能型鑄錠爐（鑄錠廠）優(yōu)化鑄錠工藝、縮短鑄錠周期（硅錠生產(chǎn)廠）定向凝固可以通過增大開口或減低加熱器能量獲得，也可兩者結(jié)合。所以每個公司可以有自己的工藝?？梢酝ㄟ^工藝改進(jìn)，增加生長速度，但必須保證質(zhì)量（因?yàn)闇囟忍荻燃敖缑嫘螤畈煌?，多晶硅質(zhì)量差別較大）可以通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬進(jìn)行優(yōu)化：最佳的工藝應(yīng)該是生長速度快，固液界面較平，及保證一定的軸向梯度。總結(jié)發(fā)展節(jié)