毕业设计(论文)-铸造多晶硅不同区域性能的研究.doc
《毕业设计(论文)-铸造多晶硅不同区域性能的研究.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计(论文)-铸造多晶硅不同区域性能的研究.doc(26页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、河南科技大学毕业设计(论文)铸造多晶硅不同区域性能的研究 摘 要近年来,由于低成本、低耗能和少污染的优势,铸造多晶硅成为主要的光伏材料之一,越来越受到人们的广泛关注。深入地研究材料中杂质有利于生产出高成品率的铸造多晶硅锭,降低铸造多晶硅太阳能电池的制造成本,同时也是制备高效率铸造多晶硅太阳能电池的前提。本文利用微波光电导衰减仪(PCD),以及红外探伤(IR Imaging)等测试手段,对铸造多晶硅中的杂质及缺陷以及少子寿命的分布特征进行了研究。采用PCD测得了沿硅锭生长方向(从底部至顶部)的少子寿命分布图。结果显示距离硅锭底部34cm,以及顶部3cm的范围内存在一个少子寿命值过低的区域,而硅锭
2、中间区域少子寿命值较高且分布均匀。研究结果表明硅锭中存在的高浓度的氧、铁等杂质为影响其少子寿命值的关键因素。多晶硅锭中经常出现硬质夹杂颗粒,严重影响线切割硅片的表面质量,严重时造成硅片切割生产中断线。结果显示硅锭的顶表面附近夹杂高度富集。关键词: 铸造多晶硅,少子寿命,铁,氧, 夹杂The Property of Different Regions in Cast Multi-Crystalline SiliconABSTRACTRecently,due to the superiority of low cost, low energy consumption and less pollut
3、ion,cast multicrystalline silicon has obtained more and more attention for being one of the main photovohaic materials. Understanding the properties of these impurities of mc-Si materials could help us find the way to reduce the cost of mc-Si solar cells and produce high quality mc-Si ingots In this
4、 thesis,the properties of impurities and defects in mc-si as well as their impacts on the minority carrier lifetime in mc-si ingots have been studied by means of Microwave Photo Conductive Decay,and IR Imaging techniques.The minority carrier lifetime mapping along the multicrystalline ingot was obta
5、ined by -PCDThe lifetime measurements exhibit a degraded regions with the width of the order of 3-4 cenimeters at the bottom and about 3cm at the top of the ingot,whiile a large uniform with high 1ifetime zone exist in the central positionThe high concentration of impurities such as iron and oxygen
6、, which is believed to be responsible for the lifetime reduction in the two sides of the ingot. The inclusion particles severely affect surface quality of multi-crystalline silicon wafers,and threaten the wire cutting process of the wafer production from multi-crystalline silicon ingotBecause they m
7、ay cause wire broken in the cutting processes. The inclusions are highiy concentrated in the top layers of the ingot.KEY WORDS: multicrystalline silicon,nority carrier lifetime,ron ,oxyge,nclusion目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 多晶硅材料的发展现状11.3 铸造多晶硅的原材料21.4 铸造多晶硅的生产工艺31.4.1定向凝固31.4.2浇铸法41.5铸造多晶硅中的主要杂质51.5.1 杂质的
8、来源51.5.2 杂质的分布51.6 铸造多晶硅中的缺陷81.6.1 晶界81.6.2 位错81.7论文研究的目的9第二章 实验方案及设备102.1多晶硅锭的铸造102.1.1 实验锭的原料组成102.1.2坩埚的喷涂102.1.3 铸锭的运行102.2 多晶铸锭的剖方112.3实验设备122.3.1少子寿命测量仪的工作原理及应用122.3.2红外探伤仪的原理及测试方法13第三章 实验结果及分析143.1 IR测试中多晶硅棒中的阴影143.2 多晶硅棒不同区域少子寿命的分布153.3 结果分析17结 论19参考文献20致 谢2222 第一章 绪论1.1 引言 随着我国经济的发展,能源问题和环境
9、问题显得越来越重要,直接关系到我国今后长时间的可持续发展。我国是以煤和石油为主的能源消耗大国,而我国的人均资源相对贫乏。另外一方面,在使用煤和石油等原材料作为能源时又会对环境带来严重的污染,不符合和谐社会的宗旨。因此,开发利用可再生的清洁能源便成为一种重要的途径。其中,太阳能是最重要的清洁的可再生能源。目前,铸造多晶硅材料是最主要的太阳能电池材料,铸造多晶硅作为太阳电池的重要原材料与单晶硅相比具有较高密度的晶界、微缺陷等结构缺陷以及氧、碳和大量金属杂质,杂质的存在及其与材料结构缺陷的相互作用极大地降低了器件的电学性能,从而降低了太阳电池的转化效率1。 在实际的生产过程中,由于少子寿命的分布不均
10、匀,寿命低的区域不符合太阳能电池片的要求而必须切除。同时因涂层脱落造成的氮化硅颗粒以及碳含量过高造成的硬质点沉淀区域也必须切除,因为多晶硅锭中常出现的硬质夹杂是造成硅片线切割生产中断线的主要原因之一,同时影响到太阳能电池片的质量,严重影响生产效率。此外,由于退火与冷却过程中温度不均造成的底部崩边,缩短了硅棒的有效长度,降低了产量。以上这些问题造成了生产损失,降低了生产效率,所以研究少子寿命的分布、夹杂物分布规律对实际生产有重要的参考意义。 本文应用微波光电导衰减仪(PCD) 以及红外探伤(IR Imaging)测得了铸造多晶硅中的少子寿命的分布以及硬质夹杂,并且对此进行分析研究。1.2 多晶硅
11、材料的发展现状 随着世界经济的发展,能源问题和环境问题显得越来越重要,直接关系到社会经济的可持续发展。长期使用煤和石油等原材料作为能源会对环境带来严重的污染。因此,开发利用可再生的清洁能源便成为一种非常重要的途径。太阳能是最重要的清洁的可再生能源。对于太阳能的开发利用,世界发达国家予以高度地重视。硅太阳电池因为可靠性高、寿命长、能承受各种环境变化等优点,成为太阳电池的主要品种2。目前,国际上98以上的太阳电池是利用硅材料制备的,显然,硅是太阳电池的基础材料。近年来,由于德国等国实施了新能源政策和新的太阳能项目,国际光伏市场快速发展。以德国为例,2004年的太阳电池系统安装量比2003年增加了2
12、30以上。而在2005年,国际太阳电池系统的安装量更是达到1800MW左右3。与此同时,我国的光伏产业得益于国外市场的增长,也进入了快速发展期,新的太阳电池、组件和材料企业纷纷建立,产能接近800MW,成为国际光伏产业的一支重要力量。绿色能源革命,太阳能电池应该唱主角,但为什么没有列入国家中长期发展规划?表面的原因是太阳能电池太贵了,但核心的问题是太阳能电池的材料多晶硅的发展存在瓶颈。在太阳能电池多晶硅耗能方面,提高效率是唯一的出路。要降低能耗和成本的有效办法就是生产薄膜的单晶硅和多晶硅太阳能电池,这是目前全世界都面临的课题。如果我们能直接生产出十几微米到二十几微米、性能牢靠的薄膜太阳能电池,
13、我们国家的能源问题就解决了,价格如果能降低十倍,就能和现在的火力发电相媲美,科技部要重视这个问题,要注重原始性的创新,要有自己独到的见解。1.3 铸造多晶硅的原材料制造硅的原材料是一种相对比较纯净的硅砂(SiO2)石英砂。将石英砂和各种不同的碳材料(比如煤、焦炭、木片等)一起放在熔炉中。总反应式为:C(固体)+ SiO2(固体)Si(固体)+ SiO (气体)+CO(气体)此步骤可获得98%的冶金级的硅,然后将冶金级的硅研磨成粉,再在300的温度下和HCl发生化学反应。Si(固体)+3HCl(气体)SiHCl3(气体)+H2(气体)SiHCl3(三氯硅烷)在室温下呈液态(沸点为32)。然后用分
14、馏法除去SiHCl3液体中的杂质,再将提纯后的SiHCl3和氢反应SiHCl3(气体)+H2(气体)Si(固体)+3HCl(气体)可得到电子级的硅(EGS),多晶硅杂质浓度为十亿分之一。此反应是在一个包含电阻加热硅棒的反应器中完成的,该硅棒可以作为淀积硅的晶核4。通常,硅太阳电池的原料主要是利用电子工业用硅单晶的废弃料和高纯的多晶硅材料,前者包括电子级直拉硅单晶的头尾料、埚底料、碎(破损)片以及集成电路的废弃片,而后者则是利用化学提纯的高纯多晶硅材料,主要包括低质量的电子级高纯多晶硅以及近年发展出来的太阳能级高纯多晶硅(一般称为原生多晶硅)。另外,利用低廉的物理提纯方法制备太阳能级多晶硅的技术
15、和产业,也在迅速发展之中。1.4 铸造多晶硅的生产工艺1.4.1定向凝固定向凝固法通常指的是在同一个坩埚中熔炼,利用杂质元素在固相和液相中的分凝效应达到提纯的目的,同时通过单向热流控制使坩埚中的熔体达到一定温度梯度,从而获得沿生长方向整齐排列的柱状晶组织。依据控制硅熔体热流方向的不同,定向凝固法主要分为热交换法(HEM)和布里奇曼法(Bridgman)5。如图1-1和1-2所示。定向凝固法的熔化及凝固过程皆在同一坩埚中,避免了熔体的二次污染,液相温度梯度接近常数,生长速度可以调节,因此,用定向凝固法所得硅锭制备的电池转换效率较高。但该制备工艺能耗大、产能较小,多晶硅生长速度慢,且坩埚只能用1次
16、,生产成本较高。另外,在定向凝固过程中,由于分凝现象铸造多晶硅锭杂质浓度会随着硅锭高度的变化而变化,杂质的最高浓度分布在最后凝固的硅锭顶部和最先凝固的锭底部(由于长时间与坩埚低接触而受固态扩散的污染)。因而,在硅锭的中部少数载流子的寿命和扩散长度是最高的,而在其顶部与底部少数载流子的寿命明显缩短。因此,实际生产中多晶硅铸锭头尾料需切除,留去中间部分,降低了材料的利用率。用定向凝固法,可以通过控制垂直方向的温度梯度,使得固液界面尽量平直,有利于生长出取向性较好的柱状多晶硅(Multicrystalline Silicon)晶锭,该方法目前被产业界广泛采用6。 图1-1 热交换法制多晶硅 图1-2
17、 传统的布里奇曼法制多晶硅1.4.2浇铸法浇铸法是于1975年由Wacker公司首创并用来制备多晶硅材料,其工艺过程是将硅料置于预熔坩埚内熔化,而后利用翻转机械将其注入预先准备好的凝固坩埚内进行结晶,结晶时始终控制固液界面的温度梯度,保证固液界面在同一平面上,最终使所有的硅熔体结晶 7。浇注法工艺成熟、设备简单、易于操作控制,且能实现半连续化生产,其熔化、结晶、冷却都分别位于不同的地方,有利于生产效率的提高和能耗的降低。然而,由于浇注法所用的坩埚材料多为石墨、石英等,并且熔化和结晶使用不同的坩埚,硅锭二次污染较严重。所以用该法制备的多晶硅杂质元素含量较高,同时受熔炼坩埚及翻转机械的限制,炉产量
18、较小。然而,在上述两种传统的铸造工艺中一个显著的问题就是:由于材料与坩埚接触,在铸造过程中,很容易从坩埚中引入大量的杂质,所以通常生长出来的多晶硅材料含有较高的杂质浓度,从而影响了其光电转换效率。为了解决上述问题,一个可行的方法是通过在坩锅内壁涂上Si3N4或BN涂层8。采用涂层,既可以有效地降低来自坩锅的杂质玷污,同时也降低了凝固时产生的大量应力。本实验所用硅锭是定向凝固法所生产,多晶硅锭的生产流程:开炉准备装炉抽真空、自检加热熔化长晶退火冷却开炉取锭。1.5铸造多晶硅中的主要杂质1.5.1 杂质的来源 氧一部分来自原材料,因为铸锭的原料常常是微电子工业的头尾料,锅底料等,本身含有一定量的氧
19、杂质。在定向凝固过程中石英坩埚中的氧也会扩散进入熔体中,增加氧的含量。此外,由于氮化硅涂层的质量问题,涂层脱落后,1400时会有反应:Si(固体)+SiO2(固体)2SiO(气体)SiO一部分从硅熔体中蒸发,一部分溶解于硅熔体中,增加硅中的氧浓度9。 铁具有较大的固相扩散系数和扩散速度。因而,坩埚以及氮化硅涂层中所包含的金属杂质成为硅锭中铁的主要来源。此外,原料中也含有铁杂质。碳一部分来自原材料中。铸造多晶炉所用加热器为石墨加热器,石英坩埚有石墨底座支撑,所以在铸造过程中含碳气氛会增加熔体中碳的含量。1.5.2 杂质的分布 铸造多晶硅中的杂质分布主要和分凝、扩散、蒸发三种机制有关。晶体的生长过
20、程中,杂质在结晶的固体和未结晶的熔体中浓度是不同的,这种现象即为分凝10。在温度为TL固液两相平衡时,固相A中杂质B(溶质)的浓度Cs和液相中的杂质浓度Cl的比值K0=Cs/Cl即定义为平衡分凝系数,以此来描述该体系中杂质的分配关系。表1-1列出了硅中各主要杂质的分凝系数11。表1-1 硅中各主要杂质的分凝系数K杂质元素分凝系数杂质元素分凝系数B0.80.9Cu410-4Al0.002Ni2.510-5Ga0.008Au2.510-5In410-4C0.08P0.36Ta10-7As0.80Fe810-6Sb0.023O1.2Bi710-4Mn10.5Sn0.02Li0.01Zn110-3 氧
21、是铸锭中的主要杂质之一,氧在多晶铸锭中的分布主要由分凝机制决定,如表1-1所示,氧的分凝系数K大于1,氧浓度从底部至顶部逐渐降低。另一方面,在漫长的冷却过程中,由于硅锭的底部及边缘处与坩埚接触,所以硅锭底部及边缘处氧浓度会比头部和中间部位处氧浓度要高,并且随着凝固的进行,熔体和坩埚的接触面积减小,这样扩散减少,同时,氧在固体硅中扩散较慢,氧会从熔体表面蒸发并且凝固过程中这种蒸发几乎为常数12。因此,氧在硅锭的竖直方向上从底部至顶部有降低的趋势。在缓慢冷却中,高的氧含量主要是由于差的涂层导致石英坩埚中较多氧扩散进入硅中造成的。图1-3显示了间隙氧浓度在硅锭中不同方向的分布情况13。 a图 b图图
22、1-3 铸造多晶硅中间隙氧浓度分别沿硅锭生长方向(a)和沿边缘到中心(b)的分布曲线碳也是多晶硅锭中的一种杂质,在硅料的加热熔化过程中,由于石墨加热器的蒸发,所以碳杂质易从顶部进入熔体中,导致顶部碳浓度较高。另一方面,根据分凝机制,碳的分凝系数K小于1,随着凝固的进行,碳杂质逐渐向顶部集中。同时和氧的扩散机制类似,底部也含有碳,但碳在多晶铸锭中的分布主要由分凝机制决定。图1-4显示了碳的分布情况14。图1-4 碳在铸造多晶硅中的分布及模拟铁具有较大的固相扩散系数和扩散速度。同时,硅锭的底部及边缘处与坩埚接触,所以硅锭底部及边缘处铁浓度会比头部和中问部位处氧浓度要高的多。而根据分凝机制,铁的分凝
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 论文 铸造 多晶 不同 区域 性能 研究
链接地址:https://www.31doc.com/p-3950941.html