第十章鑄造多晶硅

第十章鑄造多晶硅第一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日直到20世紀(jì)90年代，太陽(yáng)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(yáng)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(jìng)爭(zhēng)力，因此，不斷降低成本是光伏界追求的目標(biāo)。第二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日自20世紀(jì)80年代鑄造多晶硅發(fā)明和應(yīng)用以來(lái)，增長(zhǎng)迅速，80年代末期它僅占太陽(yáng)電池材料的10%左右，而至1996年底它已占整個(gè)太陽(yáng)電池材料的36%左右，它以相對(duì)低成本、高效率的優(yōu)勢(shì)不斷擠占單晶硅的市場(chǎng)，成為最有競(jìng)爭(zhēng)力的太陽(yáng)電池材料。21世紀(jì)初已占50%以上，成為最主要的太陽(yáng)電池材料。第三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

直拉單晶硅為圓片狀，而硅片制備的圓形太陽(yáng)電池不能有效地利用太陽(yáng)電池組件的有效空間，相對(duì)增加了太陽(yáng)電池組件的成本。如果將直拉單晶硅圓柱切成方塊，制備太陽(yáng)電池，其材料浪費(fèi)就增加，同樣也增加了太陽(yáng)電池組件的成本。

直拉單晶硅需要更多的“人力資源”，如在晶體生長(zhǎng)的“種晶”過(guò)程，所以也增加了人力成本。第四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日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(zhǎng)簡(jiǎn)便，易于大尺寸生長(zhǎng)，易于自動(dòng)化生長(zhǎng)和控制，并且很容易直接切成方形硅片；鑄造多晶硅的優(yōu)缺點(diǎn)②材料的損耗小，同時(shí)鑄造多晶硅生長(zhǎng)相對(duì)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(duì)硅原料純度的容忍度比直拉單晶硅高。優(yōu)第五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日鑄造多晶硅具有晶界、高密度的位錯(cuò)、微缺陷和相對(duì)較高的雜質(zhì)濃度，從而降低了太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。鑄造多晶硅的優(yōu)缺點(diǎn)缺第六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日10.1概述10.2鑄造多晶硅的制備工藝10.3鑄造多晶硅的晶體生長(zhǎng)第七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日10.1概述利用鑄造技術(shù)制備多晶硅，稱為鑄造多晶硅（multicrystallinesilicon，mc-Si）。鑄造多晶硅中含有大量的晶粒、晶界、位錯(cuò)和雜質(zhì)，但由于省去了高費(fèi)用額晶體拉制過(guò)程，所以相對(duì)成本較低，而且能耗也較低，在國(guó)際上的到了廣泛應(yīng)用。第八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日與直拉單晶硅相比，鑄造多晶硅的主要優(yōu)勢(shì)是材料的利用率高、能耗小、制備成本低，而且其晶體生長(zhǎng)簡(jiǎn)便，易于大尺寸生長(zhǎng)。但是，其缺點(diǎn)是含有晶界、高密度的位錯(cuò)、微缺陷和相對(duì)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(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。第九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日鑄造多晶硅和直拉單晶硅的比較見(jiàn)表10.1第十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日自從鑄造多晶硅發(fā)明以后，技術(shù)不斷改進(jìn)，質(zhì)量不斷提高，應(yīng)用也不斷廣泛。在材料制備方面，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(kāi)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(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換率也得到了迅速提高。第十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)室中的效率從1976年的12.5%提高到21世紀(jì)初的19.8%，如圖10.1所示，近年來(lái)更達(dá)到20.3%。而在實(shí)際生產(chǎn)中的鑄造多晶硅太陽(yáng)電池效率已達(dá)到15%-16%左右。（見(jiàn)表10.1）第十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日由于鑄造多晶硅的優(yōu)勢(shì)，世界各發(fā)達(dá)國(guó)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(lái)，國(guó)際上新建的太陽(yáng)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(yáng)電池材料的53%以上，成為最主要的太陽(yáng)電池材料。第十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日10.2鑄造多晶硅的制備工藝鑄造技術(shù)制備多晶硅的主要工藝①澆鑄法②直熔法第十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日在一個(gè)坩堝內(nèi)將硅原料溶化，然后澆鑄在另一個(gè)經(jīng)過(guò)預(yù)熱的坩堝內(nèi)冷卻，通過(guò)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。澆鑄法第十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

直接熔融定向凝固法，簡(jiǎn)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(guò)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）。直熔法第十六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日前一種技術(shù)國(guó)際上已很少使用，而后一種技術(shù)在國(guó)際產(chǎn)業(yè)界得到了廣泛使用。從本質(zhì)上講，兩種技術(shù)沒(méi)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。第十七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日直熔法生長(zhǎng)的鑄造多晶硅的質(zhì)量較好，它可以通過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)過(guò)程易控制、易自動(dòng)化，而且晶體生長(zhǎng)完成后，一只保持在高溫，對(duì)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。相較澆鑄法，直熔法的的一些優(yōu)勢(shì)第十八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D10.2的上部為預(yù)熱坩堝，下部為凝固坩堝。在制備多晶硅時(shí)，首先將多晶硅的原料在預(yù)熔坩堝內(nèi)熔化，然后硅熔體逐步流入到下部的凝固坩堝，通過(guò)控制凝固坩堝的加熱設(shè)備，使得凝固坩堝的底部溫度最低，從而硅熔體在凝固坩堝底部開(kāi)始逐漸結(jié)晶。結(jié)晶時(shí)始終控制固液界面的溫度梯度，保證固液界面自底部向上部逐漸平行上升，最終達(dá)到所有的熔體結(jié)晶。澆鑄法第十九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日由圖可知，硅原材料首先在坩堝中熔化，坩堝周圍的加熱器保持坩堝上部溫度的同時(shí)，自坩堝的底部開(kāi)始逐漸降溫，從而使坩堝底部的熔體首先結(jié)晶。同樣的，通過(guò)保持固液界面在同一水平面并逐漸上升。使得整個(gè)熔體結(jié)晶為晶錠。在這種制備方法中，硅原材料的熔化和結(jié)晶都在同一個(gè)坩堝中進(jìn)行。直熔法第二十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D10.4直熔法制備鑄造多晶硅用晶體生長(zhǎng)爐的結(jié)構(gòu)直熔法第二十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日在直熔法中，石英坩堝是逐漸向下移動(dòng)，緩慢脫離加熱區(qū)；或者隔熱裝置上升，使得石英坩堝與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換；同時(shí)，冷水板通水，使熔體的溫度自底部開(kāi)始降低，使固液界面始終基本保持在同一水平上，晶體結(jié)晶的速度約為1cm/h，約10Kg/h。直熔法的冷卻方式第二十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日在澆鑄法中，是控制加熱區(qū)的加熱溫度，形成自上部向底部的溫度梯度，底部首先低于硅熔點(diǎn)的溫度，開(kāi)始結(jié)晶，上部始終保持在熔點(diǎn)以上的溫度，直到結(jié)晶完成。澆鑄法的冷卻方式在整個(gè)制備過(guò)程中，石英坩堝是不懂的。這種結(jié)晶工藝中，結(jié)晶速度可以稍微快些。但是，這種方法不容易控制固液晶界的溫度梯度，在晶錠的四周的石英坩堝接觸部位的溫度往往低于晶錠中心的溫度。第二十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日鑄造多晶硅制備完成后，是一個(gè)方形的鑄錠，如圖10.5所示。第二十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日目前，鑄造多晶硅的重量可以達(dá)到250-300Kg，尺寸達(dá)到700mm×700mm×300mm。由于晶體生長(zhǎng)時(shí)的熱量散發(fā)，多晶硅的高度很難增加，所以，要增加多晶硅的體積和重量的主要方法是增加它的邊長(zhǎng)。但是，邊長(zhǎng)尺寸的增加也不是無(wú)限的。第二十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日①多晶硅晶錠的加工過(guò)程，目前使用的外圓切割機(jī)或帶鋸對(duì)大尺寸晶錠進(jìn)行處理很困難；②石墨加熱器及其他石墨件需要周期性的更換，晶錠的尺寸越大，更換的成本越高。鑄造多晶硅邊長(zhǎng)尺寸不能無(wú)限增加的原因第二十六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日通常高質(zhì)量的鑄造多晶硅應(yīng)該沒(méi)有裂紋、孔洞等宏觀缺陷，晶錠表面要平整。從正面觀看，鑄造多晶硅呈多晶狀態(tài)，晶界和精力清晰可見(jiàn)，其晶粒的大小可以達(dá)到10mm左右；從側(cè)面觀看，晶粒呈柱狀生長(zhǎng)，其主要晶粒自底部向上部幾乎垂直地面生長(zhǎng)。第二十七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日在晶錠制備完成以后，切成面積為100mm×100mm、150mm×150mm或210mm×210mm的方柱體。第二十八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日切完方柱體后，利用線切割機(jī)切成片狀。第二十九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日利用定向凝固技術(shù)生長(zhǎng)的鑄造多晶硅，生長(zhǎng)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直坩堝；而且，在晶錠底部和上部，各有幾厘米后的區(qū)域由于質(zhì)量低而不能應(yīng)用。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(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)稱EMC或EMCP法。第三十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

其原理是利用電磁感應(yīng)的冷坩堝來(lái)熔化硅原料。電磁感應(yīng)冷坩堝連續(xù)拉晶法原理第三十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日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(méi)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。電磁感應(yīng)冷坩堝連續(xù)拉晶法的優(yōu)點(diǎn)②該技術(shù)還可以連續(xù)澆鑄，速度可達(dá)5mm/min。不僅如此，由于電磁力對(duì)硅熔體的作用，使得摻雜劑在硅熔體中的分布可能更均勻。顯然，這是一種很有前途的鑄造多晶硅技術(shù)。第三十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D6.9所示為電磁感應(yīng)冷坩堝連續(xù)拉晶法制備鑄造多晶硅的示意圖。

由圖6.9可知，硅原料可以從頂部直接下落到硅熔體之中。第三十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日由上述可知，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。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%。電磁感應(yīng)冷坩堝連續(xù)拉晶法的缺點(diǎn)

這種技術(shù)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。而且，由圖6.9可以看出，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(yáng)電池的效率也較低。第三十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日10.3鑄造多晶硅的晶體生長(zhǎng)10.3.1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(jí)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(duì)較差的高純多晶硅單晶硅棒的頭尾料單晶硅生長(zhǎng)完成后剩余在石英坩堝中的硅底料第三十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日與直拉、區(qū)熔晶體硅生長(zhǎng)方法相比，鑄造方法對(duì)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(lái)源可以更廣，價(jià)格可以更便宜，而且，在多晶硅片制備過(guò)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(guò)40%，就可以生長(zhǎng)出合格的鑄造多晶硅。第三十六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日10.3.2坩堝在鑄造多晶硅制備過(guò)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。第三十七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日①在制備鑄造多晶硅時(shí)，原材料熔化、晶體硅結(jié)晶過(guò)程中，硅熔體和石英坩堝長(zhǎng)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。石英坩堝的問(wèn)題②由于硅熔體和石英坩堝長(zhǎng)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。第三十八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日工藝上一般利用Si3N4或SiO/SiN等材料作為涂層，附加在石英坩堝的內(nèi)壁。解決石英坩堝的問(wèn)題的方法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。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(wèn)題，而且可以降低多晶硅中的氧、碳雜質(zhì)濃度。第三十九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日10.3.3晶體生長(zhǎng)工藝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(zhǎng)退火冷卻第四十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日10.3.3.1裝料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。第四十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日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(guò)程約需要4-5h。10.3.3.2加熱第四十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日通入氬氣作為保護(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(kāi)始熔化。熔化過(guò)程中一直保持1500℃，直至化料結(jié)束。該過(guò)程約需要9-11h。10.3.3.3化料第四十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

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。10.3.3.4晶體生長(zhǎng)同時(shí)，冷卻板通水，使熔體的溫度自底部開(kāi)始降低，晶體硅首先在底部形成，并呈柱狀向上生長(zhǎng)，生長(zhǎng)過(guò)程中固液界面始終保持與水平面平行，直至晶體生長(zhǎng)完成，該過(guò)程約需要20-22h。第四十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日晶體生長(zhǎng)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(guò)程中容易造成硅片碎裂。所以，晶體生長(zhǎng)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。10.3.3.5退火第四十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日晶錠在爐內(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(guò)程約要10h。6.3.3.6冷卻第四十六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

對(duì)于重量為250-300Kg的鑄造多晶硅而言，一般，其晶體生長(zhǎng)的時(shí)間約為35-45h。第四十七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D6.10所示為制備240Kg直熔鑄造多晶硅是加熱功率和熔體溫度與時(shí)間的關(guān)系。從圖6.10中可以看出，在晶體生長(zhǎng)初期10h內(nèi)，是晶體熔化階段，需要保持較高額功率和溫度，在其后的晶體凝固過(guò)程中，功率和溫度相對(duì)較低，基本保持一穩(wěn)定值，35h后，可以自動(dòng)關(guān)閉動(dòng)力，溫度逐漸降低。第四十八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日多晶硅太陽(yáng)電池制備流程第四十九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日6.3.4晶體生長(zhǎng)的影響因素與直拉單晶硅不同，鑄造多晶硅結(jié)晶時(shí)不需要籽晶。晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，一般自坩堝底部開(kāi)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(guò)程。第五十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日這樣制備出來(lái)的多晶硅的晶粒大小、晶界結(jié)構(gòu)、缺陷類型很相似，如圖6.6.所示。第五十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日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(lái)自于坩堝的污染。鑄造多晶硅中需要解決的主要問(wèn)題第五十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日晶體凝固時(shí)，一般自坩堝的底部開(kāi)始，晶體在底部形核并逐漸向上生長(zhǎng)。在不同的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)中，固液界面的形狀呈凹狀或凸?fàn)?，由于硅熔體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(guò)程，產(chǎn)生晶粒小、不能垂直生長(zhǎng)等問(wèn)題，影響鑄造多晶硅的質(zhì)量。晶體凝固時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題第五十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日為了解決上述問(wèn)題，需要特殊的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)，使得熔體硅在凝固時(shí)，自底部開(kāi)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(lái)的鑄造多晶硅硅片的表面和界面垂直，可以使相關(guān)太陽(yáng)電池有效地避免晶界的負(fù)面影響。晶體凝固問(wèn)題的解決方法第五十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D6.11所示為不同熱場(chǎng)情況下生長(zhǎng)的鑄造多晶硅晶錠的剖面圖。如圖6.11（a）-（d）所示，隨著晶體生長(zhǎng)的熱場(chǎng)不斷調(diào)整，晶粒逐漸呈現(xiàn)在與固液界面垂直的方向上生長(zhǎng)。第五十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

如圖6.11（a）所示，晶體在底部成核并逐漸向上部生長(zhǎng)，但是很快晶錠的四周也有新的核心生成并從邊緣向中心生長(zhǎng)，造成晶粒的細(xì)化，部分晶粒生長(zhǎng)的方向與底部水平面不垂直，說(shuō)明固液界面不是水平平直的。第五十六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

如圖6.11（d）所示，幾乎所有的晶粒都是沿晶體生長(zhǎng)方向生長(zhǎng)的，是與水平面呈垂直狀態(tài)的柱狀晶，說(shuō)明此時(shí)的固液界面在固液界面在晶體生長(zhǎng)時(shí)一直是與水平面平行的；而且，在晶錠的底部，還可以看出來(lái)晶粒比較細(xì)小，而到上部，晶體逐漸變大。第五十七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日在晶體凝固過(guò)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(zhǎng)，甚至導(dǎo)致晶錠的破裂。防止溫度梯度的方法①鑄造多晶硅在生長(zhǎng)時(shí)，生長(zhǎng)系統(tǒng)必須很好的隔熱，以便保持熔區(qū)溫度的均勻性，沒(méi)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(méi)有變化。第五十八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日影響溫度梯度的因素，除了熱場(chǎng)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(zhǎng)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(duì)硅錠溫度梯度的的影響第五十九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日在生產(chǎn)過(guò)程中，既要保持一定晶體生長(zhǎng)速率，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；又要保持盡量小的溫度梯度，降低熱應(yīng)力并減少晶體中的缺陷。在晶體生長(zhǎng)初期，晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)；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(zhǎng)以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。晶錠的冷卻速率的合理設(shè)計(jì)第六十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)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(zhǎng)過(guò)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。鑄造多晶硅中的晶粒大小第六十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

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(duì)較多，即使晶粒的尺寸較小；隨著晶體生長(zhǎng)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，如圖6.11所示。鑄造多晶硅中的晶粒大小第六十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

圖6.12所示為晶粒的平均面積隨多晶硅晶錠高度的變化。

從圖6.12中可以看出，晶錠上部的晶粒的平均面積幾乎是底部晶粒的2倍。第六十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日晶粒的大小也與晶體的冷卻速率有關(guān)：晶體冷去得快，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)系第六十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日再者，由于坩堝壁也與硅熔體接觸，與中心部位相比，溫度相對(duì)較低；結(jié)晶時(shí)，固液界面與石英坩堝接觸處不斷會(huì)有新的核心生成，導(dǎo)致多晶硅晶錠的邊緣有一些晶粒不是很完整，相對(duì)較小，如圖6.6（b）和圖6.11所示。第六十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

一般而言，在鑄造多晶硅中晶錠的周邊區(qū)域存在一層低質(zhì)量的區(qū)域，其少數(shù)載流子壽命較低，不能應(yīng)用與太陽(yáng)電池的制備。這層區(qū)域與多晶硅晶體生長(zhǎng)后在高溫保留時(shí)間有關(guān)。通常認(rèn)為，晶體生長(zhǎng)速率越快，這層區(qū)域越小，可利用的材料越多。鑄造多晶硅中的低質(zhì)量的區(qū)域

這部分材料雖然