第6章 多晶硅的鑄造

多晶硅鑄造

直到20世紀(jì)90年代，太陽能光伏工業(yè)還是主要建立在單晶硅的基礎(chǔ)上。雖然單晶硅太陽電池的成本在不斷下降，但是與常規(guī)電力相比還是缺乏競爭力，因此，不斷降低成本是光伏界追求的目標(biāo)。

自20世紀(jì)80年代鑄造多晶硅發(fā)明和應(yīng)用以來，增長迅速；80年代末期它僅占太陽電池材料的10%左右，而至1996年底它已占整個(gè)太陽電池材料的36%左右，它以相對低成本、高效率的優(yōu)勢不斷擠占單晶硅的市場，成為最有競爭力的太陽電池材料。21世紀(jì)初已占50%以上，成為最主要的太陽電池材料。多晶硅鑄造

直拉單晶硅為圓片狀不能有效地利用太陽電池組件的有效空間，相對增加了太陽電池組件的成本。西門子法等技術(shù)生產(chǎn)的多晶硅是通過沉積作用形成的硅粒子的簡單集合體，不能滿足電阻的要求，也不能直接用來切片制造太陽能電池。多晶硅鑄造

多晶硅鑄造①鑄造多晶硅是利用澆鑄或定向凝固的鑄造技術(shù)，在方形坩堝中制備晶體硅材料，其生長簡便，易于大尺寸生長，易于自動(dòng)化生長和控制，并且很容易直接切成方形硅片；②材料的損耗小，同時(shí)鑄造多晶硅生長相對能耗小，促使材料的成本進(jìn)一步降低，而且鑄造多晶硅技術(shù)對硅原料純度的容忍度比直拉單晶硅高。鑄造多晶硅的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)多晶硅鑄造

鑄造多晶硅具有晶界、高密度的位錯(cuò)、微缺陷和相對較高的雜質(zhì)濃度，從而降低了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。鑄造多晶硅的優(yōu)缺點(diǎn)缺

對于多晶硅的鑄造成型工藝，就其最終形態(tài)可以分為三種類型：1.多晶硅錠2.帶裝硅3.薄膜硅1.多晶硅錠多晶硅鑄造成型技術(shù)省去了單晶硅昂貴的拉制過程，易于形成方錠，提高材料的利用率及電池板的包裝密度，降低太陽能電池成本。2.帶狀硅利用不同技術(shù)，直接在硅溶體中生長出帶狀的硅材料，無需切片即可用于制備電池硅片，省去了切片和切片造成的表面損傷而附加的處理工序，提高了生產(chǎn)效率和材料收得率，從而減低成本。3.薄膜多晶硅多晶硅（poly-Si）薄膜材料是指在玻璃、陶瓷、廉價(jià)硅等低成本襯底上，通過化學(xué)氣相沉積等技術(shù)，制備成一定厚度的多晶硅薄膜。①通過化學(xué)氣相沉積等技術(shù)，在一定的襯底材料上直接制備；②首先制備非晶硅薄膜，然后通過固相晶化、激光晶化和快速熱處理晶化等技術(shù)，將非晶硅薄膜晶化成多晶硅薄膜。多晶硅薄膜主要的制備途徑

無論是哪種途徑，制備的多晶硅薄膜應(yīng)該具有晶粒大、晶界缺陷少等性質(zhì)。

凡是制備固態(tài)薄膜的，如真空蒸發(fā)、濺射、電化學(xué)沉積、化學(xué)氣相沉積、液相外延和分子束外延等，都可以用來制備多晶硅薄膜。1.概述2.多晶硅錠的組織結(jié)構(gòu)3.定向凝固時(shí)硅中雜質(zhì)的分凝4.多晶硅錠定向凝固生長方法5.鑄造多晶硅的制備工藝6.鑄造多晶硅的晶體生長多晶硅鑄造一、

概述

利用鑄造技術(shù)制備多晶硅，稱為鑄造多晶硅（multicrystallinesilicon，mc-Si）。

與直拉單晶硅相比，鑄造多晶硅優(yōu)點(diǎn)：材料的利用率高、能耗小、制備成本低，而

且其晶體生長簡便，易于大尺寸生長。缺點(diǎn):含有晶界、高密度的位錯(cuò)、微缺陷和相對較

高的雜質(zhì)濃度，其晶體的質(zhì)量明顯低于單晶

硅，從而降低了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。一、

概述一、

概述

材料制備方面，平面固液相技術(shù)和氮化硅涂層技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用、材料尺寸的不斷加大。在電池方面，SiN減反射層技術(shù)、氫鈍化技術(shù)、吸雜技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，使得鑄造多晶硅材料的電學(xué)性能有了明顯改善，其太陽電池的光電轉(zhuǎn)換率也得到了迅速提高。一、

概述

由于鑄造多晶硅的優(yōu)勢，世界各發(fā)達(dá)國家都在努力發(fā)展其工業(yè)規(guī)模。自20世紀(jì)90年代以來，國際上新建的太陽電池和材料的生產(chǎn)線大部分是鑄造多晶硅生產(chǎn)線，相信在今后會(huì)有更多的鑄造多晶硅材料和電池生產(chǎn)線投入應(yīng)用。目前，鑄造多晶硅已占太陽電池材料的53%以上，成為最主要的太陽電池材料。一、

概述二、太陽電池多晶硅錠的組織結(jié)構(gòu)1、太陽電池多晶硅錠是一種柱狀晶，晶體生長方向垂直向上，是通過定向凝固（也稱可控凝固、約束凝固）過程來實(shí)現(xiàn)的，即在結(jié)晶過程中，通過控制溫度場的變化，形成單方向熱流(生長方向與熱流方向相反），并要求液固界面處的溫度梯度大于0，橫向則要求無溫度梯度，從而形成定向生長的柱狀晶。

定向凝固柱狀晶生長示意圖熱流方向側(cè)向無溫度梯度，不散熱晶體生長方向二、太陽電池多晶硅錠的組織結(jié)構(gòu)2、一般來說，純金屬通過定向凝固，可獲得平面前沿，即隨著凝固進(jìn)行，整個(gè)平面向前推進(jìn)，但隨著溶質(zhì)濃度的提高，由平面前沿轉(zhuǎn)到柱狀。對于金屬，由于各表面自由能一樣，生長的柱狀晶取向直，無分叉。而硅由于是小平面相，不同晶面自由能不相同，表面自由能最低的晶面會(huì)優(yōu)先生長，特別是由于雜質(zhì)的存在，晶面吸附雜質(zhì)改變了表面自由能，所以多晶硅柱狀晶生長方向不如金屬的直，且伴有分叉二、太陽電池多晶硅錠的組織結(jié)構(gòu)二、太陽電池多晶硅錠的組織結(jié)構(gòu)多晶硅錠的柱狀晶結(jié)構(gòu)三、定向凝固時(shí)硅中雜質(zhì)的分凝1、太陽電池硅錠的生長也是一個(gè)硅的提純過程，是基于雜質(zhì)的分凝效應(yīng)進(jìn)行的。如下圖所示，一雜質(zhì)濃度為C0的組分，當(dāng)溫度下降至T*時(shí)，其固液界面處固相側(cè)的雜質(zhì)濃度為C*S。2、對一個(gè)雜質(zhì)濃度非常小的平衡固液相系統(tǒng)，在液固界面處固相中的成分與在液相中的成分比值為一定，可表達(dá)為平衡分配系數(shù)K=C*S/C*L

其中，C*L液固界面處液相側(cè)溶質(zhì)濃度

C*S液固界面處固相側(cè)溶質(zhì)濃度金屬雜質(zhì)在硅中平衡分配系數(shù)在10-4—10-8之間，B為0.8，P為0.35。三、定向凝固時(shí)硅中雜質(zhì)的分凝3、實(shí)際生產(chǎn)中固液界面還存在一個(gè)溶質(zhì)富集層，雜質(zhì)的分配系數(shù)還與該富集層的厚度、雜質(zhì)的擴(kuò)散速度、硅液的對流強(qiáng)度及晶體生長速度均有關(guān)，引入有效分配系數(shù)K’來表示：K’=K/[K+(1-K)exp(-Rδ/DL)]式中:K’有效分配系數(shù),K平衡分配系數(shù),R生長速度cm/s,δ溶質(zhì)富集層厚度（固液界面的擴(kuò)散層）cm（0.005-0.05）,DL

擴(kuò)散系數(shù)cm2/s（當(dāng)R或δ趨近于0，K’趨近于K時(shí)，最大程度提純。當(dāng)R趨近于∞，K’趨近于1時(shí)，無提純作用。）三、定向凝固時(shí)硅中雜質(zhì)的分凝三、定向凝固時(shí)硅中雜質(zhì)的分凝金屬雜質(zhì)含*量沿硅錠生長方向分布圖四、多晶硅錠定向凝固生長方法實(shí)現(xiàn)多晶硅定向凝固生長的四種方法：1、布里曼法2、熱交換法3、電磁鑄錠法4、澆鑄法1、布里曼法（BridgemanMethod）這是一種經(jīng)典的較早的定向凝固方法。特點(diǎn)：⑴坩堝和熱源在凝固開始時(shí)作相對位移，分液相區(qū)和凝固區(qū)，液相區(qū)和凝固區(qū)用隔熱板隔開。⑵液固界面交界處的溫度梯度必須>0，即dT/dx>0，溫度梯度接近于常數(shù)。四、多晶硅錠定向凝固生長方法1、布里曼法（BridgemanMethod）⑶長晶速度受工作臺(tái)下移速度及冷卻水流量控制，長晶速度接近于常數(shù)，長晶速度可以調(diào)節(jié)。⑷硅錠高度主要受設(shè)備及坩堝高度限制。⑸生長速度約0.8-1.0mm/分。缺點(diǎn)：爐子結(jié)構(gòu)比熱交換法復(fù)雜，坩堝需升降且下降速度必須平穩(wěn)，其次坩堝底部需水冷。四、多晶硅錠定向凝固生長方法

坩堝熱源硅液隔熱板熱開關(guān)工作臺(tái)

冷卻水

固液界面

布里曼法示意圖2、熱交換法是目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家主要使用的一種爐型。特點(diǎn)：⑴坩堝和熱源在熔化及凝固整個(gè)過程中均無相對位移。一般在坩堝底部置一熱開關(guān)，熔化時(shí)熱開關(guān)關(guān)閉，起隔熱作用；凝固開始時(shí)熱開關(guān)打開，以增強(qiáng)坩堝底部散熱強(qiáng)度。長晶速度受坩堝底部散熱強(qiáng)度控制，如用水冷，則受冷卻水流量（及進(jìn)出水溫差）所控制。四、多晶硅錠定向凝固生長方法⑵由于定向凝固只能是單方向熱流（散熱），徑向（即坩堝側(cè)向）不能散熱，也即徑向溫度梯度趨于0，而坩堝和熱源又靜止不動(dòng)，因此隨著凝固的進(jìn)行，熱源也即熱場溫度（大于熔點(diǎn)溫度）會(huì)逐步向上推移，同時(shí)又必須保證無徑向熱流，所以溫場的控制與調(diào)節(jié)難度要大。四、多晶硅錠定向凝固生長方法2、熱交換法如簡圖所示，液固界面逐步向上推移，液固界面處溫度梯度必須是正值，即大于0。但隨著界面逐步向上推移，溫度梯度逐步降低直至趨于0。從以上分析可知熱交換法的長晶速度及溫度梯度為變數(shù)。而且錠子高度受限制，要擴(kuò)大容量只能是增加硅錠截面積。最大優(yōu)點(diǎn)是爐子結(jié)構(gòu)簡單。四、多晶硅錠定向凝固生長方法固相液相

熱源液固界面散熱裝置HEM法示意圖坩堝四、多晶硅錠定向凝固生長方法實(shí)際生產(chǎn)所用結(jié)晶爐大都是采用熱交換與布里曼相結(jié)合的技術(shù)。圖為一個(gè)熱交換法與布里曼法相結(jié)合的結(jié)晶爐示意圖。圖中，工作臺(tái)通冷卻水，上置一個(gè)熱開關(guān)，坩堝則位于熱開關(guān)上。硅料熔融時(shí)，熱開關(guān)關(guān)閉，結(jié)晶時(shí)打開，將坩堝底部的熱量通過工作臺(tái)內(nèi)的冷卻水帶走，形成溫度梯度。同時(shí)坩堝工作臺(tái)緩慢下降，使凝固好的硅錠離開加熱區(qū)，維持固液界面有一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度梯度，在這個(gè)過程中，要求工作臺(tái)下降非常平穩(wěn)，以保證獲得平面前沿定向凝固。四、多晶硅錠定向凝固生長方法熱交換法與布里曼法結(jié)合示意圖(坩堝移動(dòng))下圖為另一類型的熱交換法與布里曼法結(jié)合的爐子，這種類型的結(jié)晶爐加熱時(shí)保溫框和底部的隔熱板緊密結(jié)合，保證熱量不外泄。HEM+Bridgeman法示意圖(熱源及保溫框移動(dòng))開始結(jié)晶時(shí)，坩堝不動(dòng)，將石墨加熱元件及保溫框往上慢慢移動(dòng)。坩堝底部的熱量通過保溫框和隔熱板間的空隙散發(fā)出去，形成溫度梯度。3、電磁鑄錠法特點(diǎn)：1、無坩堝（石英陶瓷坩堝）

2、氧、碳含量低，晶粒比HEM法小

3、提純效果穩(wěn)定。

4、錠子截面沒有HEM法大，日本最大

350mmx350mm，但錠子高度可達(dá)

1公尺以上。四、多晶硅錠定向凝固生長方法圖十二電池鑄造法示意圖四、多晶硅錠定向凝固生長方法4、澆鑄法澆鑄法將熔煉及凝固分開，熔煉在一個(gè)石英砂爐襯的感應(yīng)爐中進(jìn)行，熔清的硅液澆入一石墨模型中，石墨模型置于一升降臺(tái)上，周圍用電阻加熱，然后以每分鐘1mm的速度下降（其凝固過程實(shí)質(zhì)也是采用的布里曼法）。特點(diǎn)是熔化和結(jié)晶在兩個(gè)不同的坩堝中進(jìn)行，從圖中可以看出，這種生產(chǎn)方法可以實(shí)現(xiàn)半連續(xù)化生產(chǎn)，其熔化、結(jié)晶、冷卻分別位于不同的地方，可以有效提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗。缺點(diǎn)是因?yàn)槿廴诤徒Y(jié)晶使用不同的坩堝，會(huì)導(dǎo)致二次污染，此外因?yàn)橛雄釄宸D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及引錠機(jī)構(gòu)，使得其結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜。圖八鑄造法硅錠爐示意圖

1．硅原料裝入口

2.感應(yīng)爐

3.凝固爐

4.硅錠搬運(yùn)機(jī)

5.冷卻機(jī)

6.鑄型升降

7.感應(yīng)爐翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

8.電極圖九凝固爐結(jié)構(gòu)及凝固法示意圖a凝固開始前b凝固進(jìn)行中1爐壁2硅液3發(fā)熱體4鑄型（石墨鑄型）5鑄型底6水冷板7保溫壁8氮化硅涂層9爐床區(qū)10保溫壁鑄造技術(shù)制備多晶硅的主要工藝：五、

鑄造多晶硅的制備工藝①澆鑄法②直熔法五、

鑄造多晶硅的制備工藝

在一個(gè)坩堝內(nèi)將硅原料溶化，然后澆鑄在另一個(gè)經(jīng)過預(yù)熱的坩堝內(nèi)冷卻，通過控制冷卻速率，采用定向凝固技術(shù)制備大晶粒的鑄造多晶硅。1澆鑄法五、

鑄造多晶硅的制備工藝1澆鑄法2直熔法

直接熔融定向凝固法，簡稱直熔法，又稱布里奇曼法，即在坩堝內(nèi)直接將多晶硅溶化，然后通過坩堝底部的熱交換等方式，使得熔體冷卻，采用定向凝固技術(shù)制造多晶硅，所以，也有人稱這種方法為熱交換法（HeatExchangeMethod，HEM）。五、

鑄造多晶硅的制備工藝2直熔法五、

鑄造多晶硅的制備工藝五、

鑄造多晶硅的制備工藝2直熔法

前一種技術(shù)國際上已很少使用，而后一種技術(shù)在國際產(chǎn)業(yè)界得到了廣泛使用。五、

鑄造多晶硅的制備工藝

從本質(zhì)上講，兩種技術(shù)沒有根本區(qū)別，都是鑄造法制備多晶硅，只是采用一只或兩只坩堝而已。五、

鑄造多晶硅的制備工藝五、

鑄造多晶硅的制備工藝五、

鑄造多晶硅的制備工藝尺寸：100mm*100mm150mm*150mm210mm*210mm

直熔法生長的鑄造多晶硅的質(zhì)量較好，它可以通過控制垂直方向的溫度梯度，使固液界面盡量平直，有利于生長取向性較好的柱狀多晶硅晶錠。而且，這種技術(shù)所需的人工少，晶體生長過程易控制、易自動(dòng)化，而且晶體生長完成后，一直保持在高溫，對多晶硅晶體進(jìn)行了“原位”熱處理，導(dǎo)致體內(nèi)熱應(yīng)力的降低，最終使晶體內(nèi)的位錯(cuò)密度降低。五、

鑄造多晶硅的制備工藝相較澆鑄法，直熔法的的一些優(yōu)勢

利用定向凝固技術(shù)生長的鑄造多晶硅，生長速度慢，坩堝是消耗件，不能重復(fù)循環(huán)使用，即每一爐多晶硅需要一只坩堝；而且，在晶錠底部和上部，各有幾厘米厚的區(qū)域由于質(zhì)量低而不能應(yīng)用。五、

鑄造多晶硅的制備工藝

為了克服這些缺點(diǎn)，電磁感應(yīng)冷坩堝連續(xù)拉晶法（electromagneticcontinuouspulling）已經(jīng)被開發(fā)，簡稱EMC或EMCP法。

是利用電磁感應(yīng)的冷坩堝來熔化硅原料。五、

鑄造多晶硅的制備工藝電磁感應(yīng)冷坩堝連續(xù)拉晶法原理：①這種技術(shù)熔化和凝固可以在不同部位同時(shí)進(jìn)行，節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間；而且，熔體和坩堝不直接接觸，既沒有坩堝消耗，降低成本，又減少了雜質(zhì)污染程度，特別是氧濃度和金屬雜質(zhì)濃度有可能大幅度降低。②該技術(shù)還可以連續(xù)澆鑄，速度可達(dá)

5mm/min。由于電磁力對硅熔體的作用，使得摻雜劑在硅熔體中的分布可能更均勻。五、

鑄造多晶硅的制備工藝電磁感應(yīng)冷坩堝連續(xù)拉晶法的優(yōu)點(diǎn)

顯然，這是一種很有前途的鑄造多晶硅技術(shù)。五、

鑄造多晶硅的制備工藝

目前，利用該技術(shù)制備的鑄造多晶硅硅錠可達(dá)35mm×35mm×300mm，電池轉(zhuǎn)換效率可達(dá)15-17%。該技術(shù)需要進(jìn)一步改善晶體制備技術(shù)和材料質(zhì)量，才能使得這種技術(shù)在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。五、

鑄造多晶硅的制備工藝電磁感應(yīng)冷坩堝連續(xù)拉晶法的缺點(diǎn)制備出的鑄造多晶硅的晶粒比較細(xì)小，約為3-5mm，而且晶粒大小不均勻。該技術(shù)的固液界面是嚴(yán)重的凹形，會(huì)引入較多的晶體缺陷。因此，這種技術(shù)制備的鑄造多晶硅的少數(shù)載流子壽命較低，所制備的太陽電池的效率也較低。1鑄造多晶硅的原材料鑄造多晶硅的原材料

微電子工業(yè)應(yīng)單晶硅生產(chǎn)的剩余料半導(dǎo)體級的高純多晶硅

微電子工業(yè)應(yīng)單晶硅生產(chǎn)的剩余料質(zhì)量相對較差的高純多晶硅單晶硅棒的頭尾料單晶硅生長完成后剩余在石英坩堝中的硅底料六、

鑄造多晶硅的晶體生長

與直拉、區(qū)熔晶體硅生長方法相比，鑄造方法對硅原料的不純具有更大的容忍度，所以鑄造多晶硅的原料更多地使用電子工業(yè)的剩余料，從而使得原料的來源可以更廣，價(jià)格可以更便宜；六、

鑄造多晶硅的晶體生長在多晶硅片制備過程中剩余的硅材料還可以重復(fù)利用。有研究表明，只要原料中剩余料的比例不超過40%，就可以生長出合格的鑄造多晶硅。1鑄造多晶硅的原材料

在鑄造多晶硅制備過程中，可以利用方形的高純石墨作為坩堝，也可以利用高純石英作為坩堝。高純石墨的成本比較便宜，但是有較多可能的碳污染和金屬污染；高純石英的成本較高，但污染少，要制備優(yōu)質(zhì)的鑄造多晶硅就必須利用石英坩堝。2坩堝六、

鑄造多晶硅的晶體生長①在制備鑄造多晶硅時(shí)，原材料熔化、晶體硅結(jié)晶過程中，硅熔體和石英坩堝長時(shí)間接觸，會(huì)產(chǎn)生黏滯作用。由于兩者的熱膨脹系數(shù)不同，在晶體冷卻時(shí)很可能造成晶體硅或石英坩堝破裂。②由于硅熔體和石英坩堝長時(shí)間接觸，與制備直拉單晶硅時(shí)一樣，會(huì)造成石英坩堝的腐蝕，使得多晶硅中的氧濃度升高。六、

鑄造多晶硅的晶體生長石英坩堝的存在的問題2坩堝

工藝上一般利用Si3N4或SiO/SiN等材料作為涂層，附加在石英坩堝的內(nèi)壁。解決石英坩堝問題的方法2坩堝六、

鑄造多晶硅的晶體生長涂層的作用①隔離了硅熔體和石英坩堝的直接接觸，不僅能解決黏滯問題，而且可以降低多晶硅中的氧、碳雜質(zhì)濃度。②利用Si3N4涂層，還使得石英坩堝可能得到重復(fù)使用，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。2坩堝六、

鑄造多晶硅的晶體生長直熔法制備鑄造多晶硅的具體工藝如下：裝料加熱化料晶體生長退火冷卻3晶體生長工藝六、

鑄造多晶硅的晶體生長

將裝有涂層的石英坩堝放置在熱交換臺(tái)(冷去板)上，放入適量的硅原料，然后安裝加熱設(shè)備，隔熱設(shè)備和爐罩，將爐內(nèi)抽真空，使?fàn)t內(nèi)壓力降至0.05-0.1mbar并保持真空。通入氬氣作為保護(hù)氣體，是爐內(nèi)壓力基本保持在400-600mbar左右。3.1裝料3晶體生長工藝六、

鑄造多晶硅的晶體生長

利用石墨加熱器給爐體加熱，首先是石墨部件（包括加熱器、坩堝板、熱交換臺(tái)燈）、隔熱層、硅原料等表面吸附的濕氣蒸發(fā)，然后緩慢加溫，使石英坩堝的溫度達(dá)到1200℃-1300℃，該過程約需要4-5h。3.2加熱3晶體生長工藝六、

鑄造多晶硅的晶體生長

通入氬氣作為保護(hù)氣，使?fàn)t內(nèi)壓力基本維持在400-600mbar左右。逐漸增加加熱功率，使石英坩堝內(nèi)的溫度達(dá)到1500℃左右，硅原料開始熔化。熔化過程中一直保持1500℃，直至化料結(jié)束。該過程約需要9-11h。3.3化料3晶體生長工藝六、

鑄造多晶硅的晶體生長

硅原料熔化結(jié)束后，降低加熱功率，使石英坩堝的溫度降低至1420℃-1440℃硅熔點(diǎn)左右。然后石英坩堝逐漸向下移動(dòng)，或者隔熱裝置逐漸上升，使得石英坩堝慢慢脫離加熱區(qū)，與周圍形成熱交換。同時(shí)，冷卻板通水，使熔體的溫度自底部開始降低，晶體硅首先在底部形成，并呈柱狀向上生長，生長過程中固液界面始終保持與水平面平行，直至晶體生長完成，該過程約需要20-22h。3.4晶體生長

3晶體生長工藝六、

鑄造多晶硅的晶體生長

晶體生長完成后，由于晶體底部和上部存在較大的溫度梯度，因此，晶錠中可能存在熱應(yīng)力，在硅片加工和電池制備過程中容易造成硅片碎裂。所以，晶體生長完成后，晶錠保持在熔點(diǎn)附近2-4h，使晶錠溫度均勻，以減少熱應(yīng)力。3.5退火3晶體生長工藝六、

鑄造多晶硅的晶體生長

晶錠在爐內(nèi)退火后，關(guān)閉加熱功率，提升隔熱裝置或者完全下降晶錠，爐內(nèi)通入大流量氬氣，使晶體溫度逐漸降低至室溫附近；同時(shí)，爐內(nèi)氣壓逐漸上升，直至達(dá)到大氣壓，最后除去晶錠，該過程約要10h。3.6冷卻3晶體生長工藝六、

鑄造多晶硅的晶體生長

對于重量為250-300Kg的鑄造多晶硅而言，一般晶體生長的速度為0.1-0.2mm/min，其晶體生長的時(shí)間約為35-45h。3晶體生長工藝六、

鑄造多晶硅的晶體生長3晶體生長工藝六、

鑄造多晶硅的晶體生長多晶硅太陽電池制備流程

與直拉單晶硅不同，鑄造多晶硅結(jié)晶時(shí)不需要籽晶。晶體生長過程中，一般自坩堝底部開始降溫，當(dāng)硅熔體的溫度低于熔點(diǎn)（1414℃）時(shí)，在接近坩堝底部處熔體首先凝固，形成柱狀晶，柱狀的方向與晶體凝固的方向平行，直至所有的硅熔體都結(jié)晶為止，這是典型的定向凝固過程。4晶體生長的影響因素六、

鑄造多晶硅的晶體生長①盡量均勻的固液界面溫度；②盡量小的熱應(yīng)力；③盡量大的晶粒；④盡可能少的來自于坩堝的污染。鑄造多晶硅中需要解決的主要問題4晶體生長的影響因素六、

鑄造多晶硅的晶體生長

晶體凝固時(shí)，一般自坩堝的底部開始，晶體在底部形核并逐漸向上生長。在不同的熱場設(shè)計(jì)中，固液界面的形狀呈凹狀或凸?fàn)睿捎诠枞垠w和晶體硅的密度不同，此時(shí)地球的重力將會(huì)影響晶體的凝固過程，產(chǎn)生晶粒小、不能垂直生長等問題，影響鑄造多晶硅的質(zhì)量。

固液界面的溫度4晶體生長的影響因素六、

鑄造多晶硅的晶體生長

需要特殊的熱場設(shè)計(jì)，使得熔體硅在凝固時(shí)，自底部開始到上部結(jié)束，其固液界面始終保持與水平面平行，稱為“平面固液界面凝固技術(shù)”。這樣制備出來的鑄造多晶硅硅片的表面和界面垂直，可以使相關(guān)太陽電池有效地避免晶界的負(fù)面影響。解決方法：4晶體生長的影響因素六、

鑄造多晶硅的晶體生長4晶體生長的影響因素六、

鑄造多晶硅的晶體生長

在晶體凝固過程中，晶體的中部和邊緣部分存在溫度梯度。溫度梯度越大，多晶硅中的熱應(yīng)力越大，會(huì)導(dǎo)致更多體內(nèi)位錯(cuò)生長，甚至導(dǎo)致晶錠的破裂。4晶體生長的影響因素2.溫度梯度六、

鑄造多晶硅的晶體生長防止溫度梯度的方法①鑄造多晶硅在生長時(shí)，生長系統(tǒng)必須很好的隔熱，以便保持熔區(qū)溫度的均勻性，沒有較大的溫度梯度出現(xiàn)。②保證在晶體部分凝固、熔體體積減小后，溫度沒有變化。4晶體生長的影響因素六、

鑄造多晶硅的晶體生長

影響溫度梯度的因素，除了熱場本身的設(shè)計(jì)外，冷卻速率起決定性的作用。通常晶體的生長速率快，勞動(dòng)生產(chǎn)率越高，但其溫度梯度也越大，最終導(dǎo)致熱應(yīng)力越大，而高的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致高密度的位錯(cuò)，嚴(yán)重影響材料的質(zhì)量。冷卻速率對硅錠溫度梯度的的影響4晶體生長的影響因素2.溫度梯度六、

鑄造多晶硅的晶體生長

在晶體生長初期，晶體生長速率盡量小，使得溫度梯度盡量小，以保證以最少的缺陷密度生長；然后，在可以保持晶體固液界面平直和溫度梯度盡量小的情況下，盡量地高速生長以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。晶錠的冷卻速率的合理設(shè)計(jì)4晶體生長的影響因素六、

鑄造多晶硅的晶體生長

對于鑄造多晶硅而言，晶粒越大越好，這樣晶界的面積和作用都可以減少，而這主要是有晶體生長過程決定的。在實(shí)際工業(yè)中，鑄造多晶硅的晶粒尺寸一般為1-10mm，高質(zhì)量的多晶硅晶粒大小平均可以達(dá)到10-15mm。3.鑄造多晶硅中的晶粒大小4晶體生長的影響因素六、

鑄造多晶硅的晶體生長

晶粒的大小還與其處于的位置有關(guān)。一般而言，晶體硅在底部形核時(shí)，核心數(shù)目相對較多，即使晶粒的尺寸較小；隨著晶體生長的進(jìn)行，大的晶粒會(huì)變得更大，而小的晶粒會(huì)逐漸萎縮，因此，晶粒的尺寸會(huì)逐漸變大。4晶體生長的影響因素3.鑄造多晶硅中的晶粒大小六、

鑄造多晶硅的晶體生長可以看出，晶錠上部的晶粒的平均面積幾乎是底部晶粒的2倍。4晶體生長的影響因素六、

鑄造多晶硅的晶體生長

晶粒的大小也與晶體的冷卻速率有關(guān)：晶體冷卻得快，溫度梯度大；晶體形核的速率快，晶粒多而小，這也是澆鑄法制備的多晶硅的晶粒尺寸小于直熔法的原因。鑄造多晶硅晶粒大小與冷卻速率的關(guān)系4