【正文】 試、 IR陰影測試 等 。 實驗方案設計 本實驗的全部過程都是在 阿特斯光伏電力（洛陽）有限公司做的 ， 實 驗期間所用的設備及樣品 完全由 阿特斯提供的。所以研究這個課題具有十分重要的意義。本文主要研究不同輔材對鑄造多晶硅錠性能的影響，一方面對鑄錠輔材生產廠家的產品開發(fā)或產品升級具有一定的指導意義，另一方面提示多晶鑄錠廠家應根據(jù)不同輔材開發(fā)不同的工藝，有助于生產高質量的多晶硅錠，同時也降低了生產成本，提高企業(yè)生產效益。 本 文研 究的 主要 目的 和內容 在多晶硅鑄造過程中，雜質的一個主要來源是熔煉中使用的石英材質的坩堝，同時坩堝與多晶硅之間的反應粘連、滲透和擴散也會在硅錠脫模中引起問題，使得多晶硅鑄錠有斷裂或破裂的危險。 鐵由于具有較大的固相擴散系數(shù)和擴散速度，因而坩堝以及氮化硅保護層中所包含的金屬雜質則成為硅錠底部鐵的主要來源，另一方面鐵的分凝系數(shù)較小，在結晶的過程中，鐵原子不斷地向硅錠頂部聚集，從而也導致頂部鐵濃度較高，因而鐵在硅錠中不同位置處的濃度分布主要由冷卻后的固相擴散以及鐵在熔體中的分凝決定。 硅中的過 渡 金 屬很多，有鐵、鈷、河南科技大學畢業(yè)設計 (論文 ) 7 銅 、 鎳等 ，而 我們 研究 最多 的是 鐵。它對硅中少數(shù)載流子有較大的俘獲截面，從而導致少子壽命大幅度降低。 167。在多晶硅的結晶過程中，氮還可以與氧作用，形成氮氧復合體，影響材料的電學性能。 硅中的氮 氮在硅中的不是一種重要雜質， 通常是由鑄造過程中的坩堝涂層、氣氛或者之后電池表面制作鈍化膜的過程中引入。 碳在硅中的分凝系數(shù)只有 [18]，因此，在定向凝固時，碳將聚集在硅錠的頂部。石英坩堝與石墨加熱件的反應式是： C+SiO2→SiO+CO 反應生成的 CO 氣體大都進入硅熔體，從而和熔硅反應，其反應式為： CO+Si→SiO+C 和熔硅反映后的雜質進入硅熔體中 。 硅中的碳 碳作為鑄造多晶硅中的另外一種雜質， 碳主要來源于多晶原料、生長爐內氣氛、石墨坩堝的沾滲與石墨加熱元件的熱化學反應等 [16]。 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文 ) 6 鑄造多晶硅中氧主要來自石英坩堝，液態(tài)硅在高溫下嚴重侵蝕石英坩堝，其反應方程式為 ： Si+SiO2→2SiO 部分 SiO 從 熔體 表面揮發(fā)，部分 SiO 則在熔硅中分解，其反應方程式為： SiO→Si+O 分解的氧便引入熔體中，最終引入硅晶體 。這些缺陷對材料的電學性能以及機械性能都有影響。 硅中的氧 硅中氧濃度一般在 10171018cm3 數(shù)量級，以間隙態(tài)存在于硅晶格中，氧是在晶體生長過程中被引入的 [ 15]。通常鑄造多晶硅中含有高濃度的氧、碳、氮及過渡族元素等 [ 14]。 167。 在多晶硅鑄造過程中，雜質的一個主要來源是熔煉中使用的石英坩堝，同時坩堝與多晶硅之間的反應粘連、滲透和擴散也會在硅錠脫模中引起問題，使得多晶硅鑄錠有斷裂或破裂的危險， 而且來自坩堝或涂層并擴散進入硅中的雜質能通過減少少數(shù)載流子壽命來降低硅的質量。 本節(jié)介紹了 氮化硅和二氧化硅的組織結構及使用性能，二者的組織結構對 熔 硅、坩堝和涂層之間的界面反應有著直接的影響。 由于氮化硅微粉用于太陽能多晶硅鑄錠涂層使用，對純度及其它性能要求相當嚴格，能夠生產的廠家很少， 主要廠家有：日本 UBE公司采用的是硅亞胺分解法，目前基本占據(jù)市場壟斷地位；德國 法，其 α相含量略低，據(jù)說高溫下與硅熔液有粘連現(xiàn)象；國內某些公司采用氣相反應法，存在粒度偏細且 Cl偏高的問題。 氮化硅耐高溫性能和化學穩(wěn)定性好，致密性好 ，是強共價鍵化合物，其自擴散系數(shù)低，抗雜質擴散和防水汽滲透能力強，同時具有良好的抗氧化、抗腐蝕和耐摩擦等性能，并且不與熔融 Si發(fā)生反應，非常符合提純多晶硅過程中坩堝涂層的要求。 圖 12 Si3N4晶體中 AB層面 (α— Si3N4)和 CD層面原子結構 (β— Si3N4) 晶體氮化硅有兩種同素異構體，即 αSi3N4和 βSi3N4(如 圖 12)，他們都是六方對稱晶體結構。 氮化硅 氮化硅從晶體結 構來講可以分為晶體氮化硅和無定型氮化硅。在國內，中材高新材料股份有限公司暨江西中材太陽能新材料有限公司采用自主開發(fā)的石英陶瓷注凝成型技術并開發(fā)成功了石英陶瓷坩堝，填補了國內空白，打破了國外技術和產品的壟斷，使我國成為世界上繼法國、美國和日本之后第 4 個采用自主知識產權技術生產該產品的國家，目前已形成了年產3 萬只坩堝的生產能力，生產的石英陶瓷坩堝性能和使用效果均達到國際先進水平 [5]。石英陶瓷坩堝要裝載 Si 含量 %的高純硅料，必須保證足夠高的純度并嚴格控制微量元素等雜質含量，其微量雜質不能對多晶硅的轉化效率帶來不利影響；第二 ,熱震穩(wěn)定性好、內部無缺陷、高溫性能好，在使用過程中絕對不能產生炸裂和漏料現(xiàn)象；第三 ,由于使用要求極其苛刻，生產技術難度大；第四 ,一次性使用，消耗量大 [10]。 石英坩堝的主要化學成分是二氧化硅，它是太陽能多晶硅鑄錠過程中用來裝載多晶硅原料、在 1550℃ 的高溫下使之熔化結晶生產 出多晶硅硅錠的容器，是多晶硅生產中不可替代的關鍵消耗性部件 [9]。 圖 11 石英晶體結構 SiO2 中 Si— O 鍵的鍵能很高， 熔點 、 沸點 較高 ,熔點 1670 ℃ （鱗 石英） ,1710℃ （方石英） ， 沸點 2230℃ , 密度 為 ～ 。 二氧化硅 自然界 中存在有結晶二氧化硅和無定形二氧化硅兩種 。 河南科技大學畢業(yè)設計 (論文 ) 3 1723℃ 1470℃ 870℃ 167。 在硅的熔融和結晶過程中，來自坩堝或涂層并擴散進入硅中的雜質能通過減少少數(shù)載流子壽命來降低硅的質量。 坩堝作為硅料融化的容器，不能有雜質摻進。 石英材料與硅料直接接觸時產生如下反應： Si+SiO2→2SiO→ 2Si+2O 其中的氧成為硅 晶體的雜質。 石 英坩堝的材料基體為石英，采用高級陶瓷生產工藝制造。 167。 用定向凝固法鑄造多晶硅過程中，多晶硅片加工環(huán)節(jié)在整個電池片制備過程中制造成本較高，而且硅片質量的好壞直接影響著電池片的光電轉換率。在目前，定向凝固是制備太陽能級多晶硅錠的主要方法，即在凝固過程中控制液 固界面的溫度梯度，實行可控的定向凝固，形成多晶柱狀晶。電磁鑄造是一種無坩堝技術，由于不使用坩堝，避免了硅料和坩堝的接觸污染以及坩堝損耗。坩堝翻轉機構及引錠機構也使得設備結構較復雜。澆鑄法的特點是熔化和結晶在兩個不同的坩堝中進行。 鑄錠多晶硅的發(fā)展狀況 多晶硅鑄錠作為多晶硅片的前道工序，其工藝水平?jīng)Q定了多晶硅片的質量。最后 介紹 了本文的主要研究內容及目的。在太陽能多晶硅的生產過程中，有許多為之配 套的新材料，其中較有代表性的關鍵配套材料有：多晶硅鑄錠用石英陶瓷坩堝、多晶硅鑄錠用氮化硅涂層粉、多晶硅片切割用碳化硅磨料等 [ 1]。當前，在整個太陽能電池材料市場中，晶體硅片以超過 90％的比例占據(jù)著絕對優(yōu)勢，其中多晶硅片超過 60％；而以近 5 年新增部分來看，多晶硅片超過 80％，且這個趨勢還在發(fā)展中。 引言 自 1954 年美國貝爾實驗室成功研制出第一塊單晶硅太陽能電池以來，經(jīng)過全球科技和產業(yè)界的不懈努力，太陽能電池技術和產業(yè)得到了巨大發(fā)展。 IR 檢測 .................................................................................... 16 167。 硅錠外觀 ................................................................................ 13 167。 樣品制備 ........................................................................ 9 167。 實驗方案設計 .......................................................................... 8 167。 硅中的過渡金屬 ........................................................... 6 167。 硅中的碳 ........................................................................ 6 167。 鑄造多晶硅中主要雜質及影響 ............................................. 5 167。 二氧化硅 ........................................................................ 3 167。 多晶硅鑄錠石英坩堝及氮化硅涂層 ..................................... 2 167。 引言 .......................................................................................... 1 167。這就要求在工藝生產中，根據(jù)產品質量及制造成本的要求，針對不同廠家的石英坩堝和氮化硅，通過實驗優(yōu)化出投入產出比最小的輔材組合，對降低鑄錠廠家制造成本，提高企業(yè)競爭力有很大的幫助。 研究發(fā)現(xiàn)，氮化硅顆粒比表面積大，不利于硅錠的順利脫模。本文主要研究不同輔材對鑄造多晶硅錠性能的影響，一方面對鑄錠輔材生產廠家的產品開發(fā)或產品升級具有一定的指導意義，另一方面提示多晶硅鑄錠廠家應根據(jù)不同輔材開發(fā)不同的工藝，有助于生產高質量的多晶硅錠，同時也降低了生產 成本，提高企業(yè)生產效益。河南科技大學畢業(yè)設計 (論文 ) I 多晶硅鑄錠 石英坩堝和