定向凝固提纯多晶硅研究

论文摘要

近年来随着光伏产业的迅猛发展,太阳能级多晶硅原料出现短缺,以电子级硅头尾料作为原料已远不能满足其发展需要,人们纷纷把目光转向电子工业产业链以外的硅原料制备上。因为冶金法以大量的低成本的冶金级硅为原料直接制备太阳能级多晶硅,并具有生产周期短、污染小、成本低的特点,因而其成为各国竞相研发的重点。定向凝固技术因为不仅可以用于太阳能级多晶硅铸锭的制备,而且可以用于去除硅中的分凝系数较小的金属杂质,而成为冶金法提纯多晶硅技术的研究重点。为了获得高纯度的完整硅锭,探究和优化定向凝固过程非常重要。本文使用自行研制的真空感应熔炼炉进行了不同初始杂质浓度、拉锭速度、温度梯度的定向凝固提纯的中试实验。通过对铸锭的组织、成分,电特性,以及温度场的分析,研究了冶金级硅定向凝固提纯后铸锭中的电阻率分布特性,定向凝固过程中的固液界面特性,以及初始杂质浓度,拉锭速度,温度梯度等参数对提纯效果的影响。研究结果表明：冶金级硅一次定向凝固铸锭纵截面上,电阻率先沿生长方向增加,在p-n转型区附近达到最大,此后随生长高度的增加迅速减小并在杂质含量高的铸锭顶部趋于O。电阻率的这种变化与生长方向上铝、硼、磷的含量变化密切相关。宏观组织、电阻率和少子寿命的径向分布与固液界面相对应,可用于分析定向凝固过程中固液界面变化。铸锭底部的固液界面为凹形,随着晶体生长的进行,固液界面曲率逐渐减小,对于0.12mm/min拉锭速率的样品,固液界面在生长后期可趋于平面。相同凝固高度处固液界面的曲率随拉锭速度的减小而减小。胞状的固液界面造成杂质的有效分凝系数增加。向上凹的固液界面造成铸锭中部的杂质浓度高于边部的杂质浓度。铸锭中的杂质浓度随初始杂质浓度的降低而降低,当顶部切除部分为20%时,Fe的去除率最高可达98.5%,Al的去除率最高可达94.9%。随着Fe初始浓度的降低,Fe的有效分凝系数呈现先减小后增大的趋势,而随着Al初始浓度的降低,Al的有效分凝系数呈现减小趋势。冶金级硅定向凝固后,铸锭中的杂质浓度随生长速度的降低而降低,当生长速度降到0.116mm/min时,铸锭的Fe浓度最低已在10-6量级,提纯区域接近80%。液体中的温度梯度随生长高度的增加而增加可抑制成分过冷的发生,当液体中的温度梯度增加到0.95℃／mm时可将成分过冷发生位置提高到凝固高度的90%以上。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 立题背景
• 1.2 冶金法制备太阳能级多晶硅工艺
• 1.2.1 冶金法概述
• 1.2.2 冶金法技术路线
• 1.3 多晶硅中的杂质
• 1.3.1 工业硅中杂质来源
• 1.3.2 硅中杂质存在状态
• 1.3.3 杂质对太阳能电池性能的影响
• 1.4 多晶硅定向凝固主要方法
• 1.4.1 浇铸法
• 1.4.2 布里奇曼法
• 1.4.3 定向凝固系统法
• 1.4.4 热交换法
• 1.4.5 电磁铸锭法
• 1.5 本文研究的目的及主要内容
• 2 实验原理与实验方法
• 2.1 定向凝固过程的理论基础
• 2.1.1 凝固过程中的传热
• 2.1.2 凝固过程中的传质
• 2.1.3 固液界面的形态选择
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验设备
• 2.2.2 实验方案
• 3 冶金级硅定向凝固铸锭电阻率分布规律研究
• 3.1 概述
• 3.2 实验方法
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 多晶硅铸锭的电阻率分布
• 3.3.2 杂质对电阻率分布的影响
• 3.4 本章小结
• 4 多晶硅定向凝固过程中固液界面特性研究
• 4.1 概述
• 4.2 实验方法
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 固液界面分析
• 4.3.2 拉锭速度对固液界面曲率的影响
• 4.3.3 固液界面对杂质分布的影响
• 4.4 本章小结
• 5 定向凝固去除硅中杂质研究
• 5.1 概述
• 5.2 实验方法
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 初始杂质浓度对提纯效果的影响
• 5.3.2 生长速度对提纯效果的影响
• 5.3.3 温度梯度对提纯效果的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢