定向凝固法制备铸造多晶硅技术现状及发展综述

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定向凝固法制备铸造多晶硅技术现状及发展综述/史冰川等

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定向凝固法制备铸造多晶硅技术现状及发展综述 史冰川 ,李昆 ,亢若谷，邱建备。,王宏杰。,史彩云。 ( 1昆明冶研新材料股份有限公司，曲靖 6 5 5 0 1 1;2昆明理工大学材料科学与工程学院，，昆明 6 5 0 0 3 1; 3北京奥依特科技有限责任公司，北京 1 0 0 0 1 5 ) 摘要光生伏特效应是将太阳能转化为电能的重要途径之一。提高电池效率和降低生产成本，是光伏产业大

规模发展面临的核心课题。铸造多晶硅技术因其相对低的生产成本和较高的转化效率，市场份额迅速增长。对定向凝固法制备铸造多晶硅的工艺原理进行了简介，对铸造多晶硅制备技术的发展进行了回顾，并对当前的准单晶铸造、 计算机模拟、高效多晶等研究热点的发展现状进行了综述。 关键词铸造多晶硅准单晶硅高效多晶计算机模拟 文献标识码： A中图分类号： T G2 4 9

S u mma r y o f t h e S t a t u s a n d De v e l o p me n t 0 f Mu l t i— c r y s t a l l i n e S i l i c o n Pr e pa r e d b y Di r e c t i o n a l S o l i d i f i c a t i o n Me t h o d

S HI B i n g c h u a n ,L I Ku n , KANG R u o g u ,QI U J i a n b e i。, W ANG Ho n g j i e a,S HI C a i y u n 3 ( 1 Ku n mi n g Ye - y a n Ne w Ma t e r i a l C o ., L t d, Qu j i n g 6 5 5 0 1 1; 2 F a c u l t y o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g, Ku n mi n g

Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y, Ku n mi n g 6 5 0 0 3 1; 3 B e i j i n g 0p t o . E l e c t r O n i c s T e c h n o l o g y C o .,L t d,B e i j i n g 1 0 0 0 1 5 ) Ab s t r a c t Ph o t o v o l t a i c e

f f e c t i s a n i mp o r t a n t me t h o d t O t r a n s f o r n l s o l a r e n e r g y i n t o e l e c t r i c a 1 e n e r g y . To i m—

p r o v e t h e c e l l e f f i c i e n c y a n d r e d u c e t h e c e l l p r o d u c t i o n c o s t i s t h e c o r e i s s u e o f l a r g e - s c a l e d e v e l o p i n g p h o t o v o h a i c i n— d u s t r y .Th e c a s t mu l t c r y s t a l l i n e s i l i c o n p r e p a r e d b y t h e d i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o n me t h o d a r e i n t r o d u c e d,t h e t e c h n o l o - g y d e v e l o p me n t o f mu l t i - c r y s t a l l i n e s i l i c o n i s r e v i e we d, a n d t h e r e c e n t r e s e a r c h p r o g r e s s 0 n mo n o - l i k e c a s t i n g,c o mp u - t e r s i mu l a t i o n a n d h i g h e f f i c i e n c y mu l t c r y s t a l l i n e s i l i c o n a r e s u mma r i z e d . Ke y w o r d s c a s t mu l t i - c r y s t a l l i n e s i l i c o n,mo n o - l i k e c r y s t a l s i l i c o n,h i g h e f f i c i e n c y mu l t c r y s t a 1 1 i n e s i l i c o n,

c o mp u t e r s i mu l a t i o n

0引言 光生伏特效应是将太阳能转化为电能的重要途径之一。 1 8 3 9年，欧洲科学家贝克雷尔第一次观察到了光生伏特效应[ 。2 0世纪 5 O年代，硅开始成为主流半导体材料。1 9 5 4 年贝尔实验室首次制备出转化效率为 6 的硅太阳电池[ 1]。

阪钛公司的模具释放铸锭法、

日本 S u mi t o m o公司的电磁感应冷坩埚法[ 2]。其中，美国晶体系统公司的热交换法与目 前产业化的技术颇有渊源。 上海有色金属研究所于 2 O世纪 8 O年代中期制备出晶 粒尺寸 0 . 5~4 m m,转换效率 9 ~1 O 的多晶电池_ 5]。北

提高转换效率和降低生产成本，是光伏产业大规模发展面临的核心课题。铸造多晶硅技术因其相对低的生产成本和较高的转化效率，市场份额迅速增长， 2 1世纪初已经占有 5 O 以上的市场份额。近年，铸造多晶硅占据了新增产能的 8 O% 以上[ 2。],成为主要的太阳电池材料。本文对定向凝固法制 备铸造多晶硅的工艺原理进行了简介，对铸造多晶硅制备技

京有色金属研究总院制备出平均晶粒尺寸 2 mm的多晶硅锭，对其形貌和晶体缺陷等进行研究],并开展了相关的模拟研究[ 7]。2 0 0 3年 1 O月，保定英利公司使用 G T公司的 MX 2 2 5型 HE M炉制备出国内首个 2 4 0 k g多晶硅锭 l _ 8],标

志着国产多晶硅铸锭技术产业化的开始。 定向凝固法制备铸造多晶硅主要包括装料、加热、化料、 晶体生长、原位退火、冷却等步骤。首先，将完成装料的坩埚

术的发展进行了回顾，并对当前的准单晶铸造、计算机模拟应用、高效多晶等研究热点的发展现状进行了综述。

放置在铸锭炉的定向凝固块上，关闭炉体后抽真空，然后充

1 铸造多晶硅制备技术发展及工艺原理 铸造多晶硅生产技术可以追溯到 2 O世纪 7 o年代末、 8 0 年代初，主要有 Wa c k e r公司发明的浇铸法、 S o l a r e x公司的 结晶法、美国晶体系统公司的热交换法、日本电气公司和大

氩气、氦气等惰性气体。采用石墨加热器加热，升温至硅材料熔点以上，直至硅料全部熔化。待硅料全部熔化后，降低

加热功率，打开隔热笼，使热量从底部散失，晶体硅开始在底 部形核，并呈柱状向上生长，直至所有液体硅全部结晶。然后，关闭隔热笼进行原位退火后打开隔热笼冷却到 4 5 0℃以下后即可出炉。其设备示意图如图 1所示。

史冰川：男， 1 9 8 3年生，硕士，工程师，主要从事半导体材料的研究 E - m a i l: s g l a c i e r@1 2 6 . c o n r

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