鑄錠過程提高多晶矽片效率的方法-多晶鑄錠爐熱場

隨著全球變暖和礦物能源短缺，光伏產業近年來發展極為迅速絕大多數太陽能電池是由矽材料製成的。尤其，由於矽材料成本低，生產流通量高，定向凝固的多晶矽因此受到了關注。2010年，多晶鑄錠爐熱場的市場占有率接近50%，並且年產出超過10GW。矽是太陽能電池的吸收器，矽的質量對於轉換效率顯得非常關鍵。但是，在經氮化物噴塗的石英坩堝中采用定向凝固方法生成的多晶矽，目前存在很多缺陷，比如，晶界無規則、位錯、夾雜、雜質。這些缺陷，尤其是位錯，通常是光生電子和空穴的複合中心，它們必然對電池性能有不利影響。因此，多晶矽電池的轉換效率，一般來說會遠遠低於單晶矽電池的轉換效率。

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研究發現，晶粒和晶界對矽片質量有深刻影響，同理，對多晶太陽能電池的轉換效率也甚為重要。[2-6]更有趣的是，晶粒取向、晶界和位錯密度是緊密相關的，在矽片的性能方麵它們都扮演著非常重要的角色。


在不同的方向情況下，晶界會造成不同的機械和電氣特性[2-3.9]。例如，Ʃ3晶界有較大的切削抗壓力，有助於超薄切片[9]。此外，它擁有電氣惰性（即使是被汙染的樣本）以至於它無法成為電子和空穴的複合中心[10,11]。另外，含有孿晶或者固定晶向的晶粒，根據腐蝕坑密度（EPD）顯示出的位錯密度也比較低。[8]現在普遍認為，對於質地潔淨未受汙染的矽片，少子壽命和電池轉換效率都和位錯密度，尤其是位錯簇群密切相關。所以，為了得到高質量的多晶矽片、高轉換效率的電池，晶粒控製就顯得格外重要。



青青草成人网站也觀察到，通過使用氬氣氣流加強冷卻促使成核，也有類似的結果。[16]所以，在成核階段，使用枝狀鑄造（dendrite casting）以獲得高比例的更加對稱的晶界，例如CSL（一致晶格位置）晶界和孿晶，這一觀念正逐漸被認可[4,6,15,16]。因為矽是一種各向異性很高的材料，它的生長習慣會受到過冷度的很大影響[17,18]。特別的，Nagashio 和 Kuribayashi 曾報告說，(110)或(112)上表麵的樹突是在相對低的過冷度中誘導的，但是在100K以下。枝狀比等軸晶粒的生長速度更快，以至於枝狀晶粒的尺寸更大。


F Fujiwara [19-21]等人通過在一次薄膜DS生長過程中使用現場監控係統，進一步研究了多晶矽的熔化生長反應。他們觀測到在不同的冷卻條件下，定向晶粒會出現不同的生長反應。<100>和<110>原生多晶晶粒更傾向於高冷卻速率，例如，30 K/min，作為動力學控製的結果，{111}小平麵型的生長則要慢得多。



另一方麵，冷卻速率減慢時，比方說降至1K/min，<111>晶粒則更具有優勢，原因在於熱力學控製偏向於最低的界麵自由能；據估計，這種轉換過程維持在大約2mm/min的生長速率[19]。因此，在正常的1cm/h的DS速率情況下，111晶粒的顆粒競爭更占優勢。Fujiwara等人廣泛研究了對於優先晶界的過冷度控製[4,22]。通過控製DS初始階段的冷卻速率，他們能引導具有Ʃ 3晶界的大晶粒沿著坩堝底壁展開樹狀生長。近來，王[23]和Yeh[24] 等人又進一步闡明了局部冷卻的方法，指出利用定製的冷卻墊就可以在工業生產中輕鬆實現。冷卻點會引發局部的徑向溫度梯度，從而使橫向生長過程中的枝晶或者晶粒排列更佳。更重要的是，它不受坩堝尺寸規格限製。為控製過冷度而設計的冷卻墊使用的是氬氣或者水，並且作為一種自生籽晶過程，鋸狀有凹凸的坩堝也是被大力推薦的[16,25]，而且結果很好，前景可期。


利用氬氣實現的瞬間冷卻是有效的、安全的，並且產生的主要是<110>和<112>枝晶。Nakajima[26]等人還提議在采用枝晶鑄錠方法時可以通過具有不同導熱性的冷卻墊來控製枝晶的排列。它們在相同的方向上控製了枝晶的排列，從而能夠使得枝晶間的初始缺陷（位錯）最小化。同時，不一致的晶界也見減少了。然而，在張XX[27]等人最近的報告中提到，大規模生產條件下，重要的不隻是結晶的質量，同樣還有長晶環境的穩健性，以及高產量和成品率。目前，在實際運作中，通過過冷度控製的生長再現性是一個很引人關注的問題。換句話說，在工業生產中，這種技術還沒有取得成功。雖然如此，通過控製最初階段的晶粒，即便沒有形成大的枝晶，也可以大幅降低位錯的生長速率。



簡言之，從形成動力學角度，位錯的生長速率和它們本身的密度以及熱應力是存在比例關係的，而熱應力主要是受熱曆史和坩堝壁的影響。它的定向依賴也同樣是由於不同的滑移係[8]。此外，晶界在阻止位錯生長方麵是有效的，晶粒尺寸也在其中扮演著很微妙的角色，同時還對應力鬆弛有一定作用。所以，為了減少位錯，除了要減少長晶過程中的熱應力，通過過冷度或者種晶層的方法來控製晶粒定向、晶界、缺陷密度和晶粒大小是非常必要的。


多晶鑄錠爐熱場描述了青青草成人网站在控製高品質DS多晶矽晶粒方麵的最新進展，也討論了將實驗室成果應用到工業生產中的這一可行觀點。實驗室中利用感應加熱的DS爐的原理圖如下圖1（a），坩堝內徑是7cm[24]。坩堝下方是加強版的使用氬氣[16]或水流 [24]的冷卻裝置。如果采用水流冷卻，可以用青青草激情视频棒來吸取坩堝底部的熱量，根據青青草激情视频棒的直徑看情況進行局部冷卻或均勻冷卻[24]。在矽料熔化並且狀態穩定之後，就可以進行冷卻，很短的時間內，就要開始成核作用。然後，坩堝向下移動開始長晶。工業生產中的多晶爐（GT DSS 450）原理圖如下圖Fig. 1(b)。根據投料量的多少，矽錠的尺寸最大可以達到84cm×84cm×36cm，係統經過改進後可以從頂部進行二次裝料，坩堝最多可以裝納580-600kg矽料。成核和凝固過程主要是通過上下移動絕緣（保溫）材料。坩堝下麵的冷卻墊可以是塊狀的青青草激情视频熱交換器，也可以是類似左圖1（a）中裝置[16]的青青草激情视频室。


文中比照討論了（156*156mm2,200μm厚）矽片製成的電池的轉換效率，這種矽片是利用先進的長晶理念生產的。在接下來的討論中，青青草成人网站將按照時間順序，介紹晶體質量改善的進展情況。下麵第二小節，青青草成人网站會首先探討生長界麵對晶粒尺寸和晶體質量的影響，以及電池的轉換效率。第三小節，探討在成核和晶粒競爭階段利用過冷度控製晶粒和晶界，同時也會簡單解釋下最初的晶粒對後期晶粒尺寸和缺陷的影響。如果能控製好最初晶粒，整體的質量和成品率都會有明顯提高。最後，第四小節將介紹種晶生長，討論位錯密度和生長速率。末尾第五小節是總結評論部分。

信息來源：多晶鑄錠爐熱場

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