多晶硅電磁冷坩堝連續(xù)熔化與定向凝固技術基礎研究.pdf

1、隨著市場競爭的加劇及光伏行業(yè)本身的迅猛發(fā)展,低成本化已成為太陽能電池發(fā)展的主要方向。冷坩堝連續(xù)熔鑄技術由于其生產(chǎn)率高、對熔體無或少污染、無坩堝損耗及所得鑄錠組織性能比較均勻等優(yōu)點,而逐漸被用于太陽能電池用多晶硅錠的制備中。然而,在連續(xù)熔鑄過程中,由于冷坩堝壁的激冷,往往造成晶粒的斜向生長,因此,如何實現(xiàn)鑄錠中晶粒的定向生長是推廣利用該技術的關鍵所在。本論文在國外冷坩堝連續(xù)熔鑄多晶硅技術基礎上，利用實驗室的多功能電磁冷坩堝電磁約束成形裝置

2、,優(yōu)化制備了新型電磁冷坩堝,通過大量實驗與理論分析,進行了冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固制備多晶硅的研究,獲得了表面質量良好,內(nèi)部組織定向的多晶硅錠,并在此基礎上進行了太陽能級多晶硅的冷坩堝連續(xù)熔鑄與定向凝固實驗及其電學性能的測試與分析。
　　優(yōu)化設計并制備了一個內(nèi)腔尺寸為60mm×60mm,適用于多晶硅連續(xù)熔鑄與定向凝固的方形冷坩堝。在空載條件下,利用小線圈法對坩堝內(nèi)磁場強度分布進行了測量與分析。磁場強度在線圈高度范圍內(nèi)較大,在線圈中

3、上部取得最大值,而后向兩端遞減,但在坩堝下部遞減的趨勢更為明顯;隨著加熱功率的增大、線圈安裝位置的提高,磁場強度增大;在同一高度上，沿坩堝中軸線及對角線,由坩堝壁往中心軸,磁場強度先逐漸減小,而后又在中心處略微上升。進行了多晶硅啟熔實驗,研究了加熱功率、底托初始位置、底料預置量與顆粒度對啟熔效果的影響,并進行熱力學與動力學分析,解決了啟熔過程中熔體飛濺的問題。
　　通過正交試驗,研究了加熱功率、抽拉速度及初始熔體保溫時間對鑄錠表面

4、質量及宏觀組織的影響。多晶硅錠表面通常容易出現(xiàn)表面波紋、角部塌陷狀褶皺及未熔顆粒等缺陷,根據(jù)各表面缺陷的特征,分別揭示了其形成機制。理論分析與實驗結果表明,隨著加熱功率、抽拉速度及初始熔體保溫時間的增大,表面質量逐漸得以改善。冷坩堝連續(xù)熔鑄多晶硅過程中,凝固界面通常呈中間上凸,兩側上翹的形狀,即W形。隨著加熱功率、抽拉速度的提高及初始熔體保溫時間的縮短,凝固界面由凸界面逐漸向平界面、凹界面過渡,且晶粒尺寸逐漸減小;隨著加熱功率、抽拉速度

5、及初始熔體保溫時間的增大,鑄錠表層凝殼層厚度減小。通過對凝固界面中間最高點及兩端最低點的傳熱分析,解釋了工藝參數(shù)對宏觀組織的影響規(guī)律。另外,研究結果還表明,無論是表面質量還是宏觀組織,加熱功率的影響最大,抽拉速度次之,初始熔體保溫時間的影響最小。
　　對定向凝固的鑄錠進行了組織與雜質分布的測試與分析。結果表明鑄錠宏觀組織由表層細晶區(qū)及中心粗大柱狀晶區(qū)組成。組織內(nèi)含有大量的位錯缺陷,沿鑄錠縱向,中部與底部位錯密度相差不大,為1～2×

6、106cm-2,而頂部較高;沿水平方向,表層凝殼區(qū)位錯密度比內(nèi)部高。由于分凝效應,雜質偏聚于鑄錠頂部,并析出形成了各雜質元素組成的復雜相。利用連續(xù)熔鑄過程中溶質的傳輸行為,建立了雜質沿鑄錠生長方向分布的模型,并結合實驗結果進行了分析。沿鑄錠生長方向,各金屬雜質及磷的含量逐漸升高,硼、氧變化不大,而碳含量是先降低而后逐漸升高。研究結果還表明,除分凝外,真空內(nèi)揮發(fā)對于Al、Ca、P、O等易揮發(fā)雜質的分布有重要的影響。
　　利用優(yōu)化的工