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硅片制备多晶硅铸锭炉和单晶炉PPT

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多晶硅
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更新时间:2023/8/1(发布于上海)

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文本描述
二、多晶硅铸锭炉 1.多晶硅锭生长方法
根据生长方法的不同,多晶硅可分为等轴晶、柱状晶。通常在热过冷及自由凝固的情况下会形成等轴晶,其特点是晶粒细,机械物理性能各向同性。如果在凝固过程中控制液固界面的温度梯度,形成单方向热流,实行可控的定向凝固,则可形成物理机械性能各向异性的多晶柱状晶,太阳电池多晶硅锭就是采用这种定向凝固的方法生产的。在实际生产中,太阳电池多晶硅锭的定向凝固生长方法主要有浇铸法、热交换法( HEM )、布里曼( Bridgeman)法、电磁铸锭法,其中热交换法与布里曼法通常结合在一起。
1.1浇铸法
浇铸法将熔炼及凝固分开,熔炼在一个石英砂炉衬的感应炉中进行,熔融的硅液浇入一个石墨模型中,石墨模型置于一个升降台上,周围用电阻加热,然后以1mm/min 的速度下降。特点是熔化和结晶在两个不同的坩埚中进行,从图中可以看出,这种生产方法可以实现半连续化生产,其熔化、结晶、冷却分别位于不同的地方,可以有效提高生产效率,降低能源消耗。缺点是因为熔融和结晶使用不同的坩埚,会导致二次污染,此外因为有坩埚翻转机构及引锭机构,使得其结构相对较复杂。
1.2 热交换法及布里曼法
热交换法及布里曼法都是把熔化及凝固置于同一坩埚中( 避免了二次污染),其中热交换法是将硅料在坩埚中熔化后,在坩埚底部通冷却水或冷气体,在底部进行热量交换,形成温度梯度,促使晶体定向生长。下图为一个使用热交换法的结晶炉示意图。该炉型采用顶底加热,在熔化过程中,底部用一个可移动的热开关绝热,结晶时则将它移开以便将坩埚底部的热量通过冷却台带走,从而形成温度梯度。
布里曼法则是在硅料熔化后,将坩埚或加热元件移动使结晶好的晶体离开加热区,而液硅仍然处于加热区,这样在结晶过程中液固界面形成比较稳定的温度梯度,有利于晶体的生长。其特点是液相温度梯度dT/dX 接近常数,生长速度受工作台下移速度及冷却水流量控制趋近于常数,生长速度可以调节。实际生产所用结晶炉大都是采用热交换与布里曼相结合的技术。
下图为一个热交换法与布里曼法相结合的结晶炉示意图。图中,工作台通冷却水,上置一个热开关,坩埚则位于热开关上。硅料熔融时,热开关关闭,结晶时打开,将坩埚底部的热量通过工作台内的冷却水带走,形成温度梯度。同时坩埚工作台缓慢下降,使凝固好的硅锭离开加热区,维持固液界面有一个比较稳定的温度梯度,在这个过程中,要求工作台下降非常平稳,以保证获得平面前沿定向凝固。
1.3 电磁铸锭法法(EMC或者EMCP法)
利用电磁感应的冷坩埚来熔化硅原料。这种熔化和凝固技术可以在不同的部位同时进行,节约时间。而且,熔体和坩埚不直接接触,既没有坩埚的消耗,又减少了杂质的污染,特别是氧浓度和金属杂质大幅降低,另外,该技术还可以连续浇铸。不仅如此,由于电磁力对硅熔体搅拌作用,使得掺杂剂在硅熔体中的分布能更均匀,是种很有前途的铸造多晶硅技术。但这种技术生长的多晶硅的晶粒比较细小(约为3—5 mm)、大小不均。且生长时固液界面是严重的凹型,会引入较多的晶体缺陷。因此,制备的多晶硅的少数载流子寿命较低,所制的太阳能电池效率也低。