大型定向凝固設(shè)備非均勻溫度場提純多晶硅研究.pdf

1、太陽能資源分布廣泛并可無償獲取，使光伏發(fā)電成為新型能源的重要發(fā)展方向之一。因其發(fā)電組件具備建設(shè)周期短、安全可靠、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)得到了人們的青睞。硅作為光伏發(fā)電主要的基礎(chǔ)材料，已占據(jù)市場90％以上的份額。冶金法提純多晶硅具備投產(chǎn)建設(shè)速度快、提純工藝流程短、成本較化學(xué)法低等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速，受到國內(nèi)外的廣泛重視。
　　定向凝固是冶金法的核心。與中小型提純相比，大型定向凝固的生產(chǎn)效率高，綜合成本較低，但固液界面較難維持水平，晶粒不易

2、保持垂直方向上的整齊排列，凝固和退火過程中裂錠的概率也較大，對溫度場構(gòu)建、設(shè)備用材、控制策略均提出了更高的要求。本文針對提純體積達(dá)1000mm×1000mm×450mm硅錠的定向凝固提純過程展開研究，提出一種適用于大型定向凝固的環(huán)形加熱和非均勻散熱方法，構(gòu)建非均勻溫度場，在保持界面水平的前提下加強(qiáng)自然對流，提高提純效率，同時降低熱應(yīng)力。該方法不僅可以降低設(shè)備造價和提純成本，還能減少加熱元件對硅熔體的污染。本文以固液界面、硅溫度場、流動場

3、、熱應(yīng)力、凝固速率變化規(guī)律為研究對象，闡述該溫度場的原理，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對提純多晶硅的效用。具體內(nèi)容如下:
　　定向凝固過程中，固液界面的形態(tài)對多晶硅晶粒尺寸和排列情況有直接的影響。水平上升的固液界面，不僅能提高雜質(zhì)元素提純效率，還能增加少數(shù)載流子壽命和電阻率，提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率。通過數(shù)學(xué)建模求得界面形態(tài)的通用表達(dá)式，提出非均勻溫度場定向凝固的理論基礎(chǔ)，證明界面形態(tài)主要受坩堝側(cè)壁熱交換情況影響。通過實(shí)驗(yàn)研究不同熱交換情況下

4、的固液界面形態(tài)和硅錠質(zhì)量指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明，水平界面的晶粒尺寸最大，微凸界面的雜質(zhì)含量最低。
　　加熱元件環(huán)形布置形成的溫度場可加強(qiáng)自然對流，使富集在固液界面上的雜質(zhì)加速擴(kuò)散至液相表面，提高提純效率并保持界面水平。通過建立溫度場和流動場的數(shù)學(xué)模型，獲得解析表達(dá)式，并采用數(shù)值研究驗(yàn)證和補(bǔ)充理論推導(dǎo)結(jié)果，闡述環(huán)形加熱的原理，同時提出加熱控制方法。
　　降低熱應(yīng)力是提高硅錠質(zhì)量的直接手段。定向凝固和退火過程中如出現(xiàn)過大的熱應(yīng)力，將導(dǎo)致

5、多晶硅缺陷增加，降低少數(shù)載流子壽命。通過研究凝固過程中硅錠熱應(yīng)力分布和變化情況，提出一種非均勻散熱方法用以疏散熱應(yīng)力。相對于固相底部均勻散熱的常規(guī)做法，該方法可降低平均應(yīng)力約30％，并可采用較高的凝固速率進(jìn)行晶體生長。另外，還通過理論推導(dǎo)求得退火過程的通用表達(dá)式和函數(shù)圖像。
　　以大型定向凝固設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)平臺，構(gòu)建非均勻溫度場，采用理論研究獲得的溫度場控制規(guī)律為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。所獲硅錠尺寸為1000mm×1000mm×450mm，晶