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文檔簡介
1、太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用 一、前言 二、太陽電池多晶硅錠的組織結(jié)構(gòu) 三、定向凝固時硅中雜質(zhì)的分凝 四、多晶硅錠定向凝固生長方法 五、熱交換爐型 六、熱交換法現(xiàn)行工藝討論 太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用一、前言太陽電池產(chǎn)業(yè)是近幾年發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一,最近5年來以超過40%的速度高速增長。在各種類型的太陽電池中,晶體硅太陽電池由于其轉(zhuǎn)換效率高,技術(shù)成熟而繼續(xù)保持領(lǐng)先地位,占據(jù)了90%以上的份額,預計今后十年內(nèi)晶體硅仍將占主導地位。太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用太陽電池產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,帶動硅錠/硅片的需求也大增,2004年以前,我國光伏產(chǎn)業(yè)鏈中晶體硅硅片的
2、生產(chǎn)廠家還只有兩、三家,生產(chǎn)能力也只有幾十兆瓦。隨著市場需求的增長,涌現(xiàn)了很多硅片生產(chǎn)企業(yè),特別是多晶硅硅錠的生產(chǎn)向大規(guī)模化發(fā)展,單廠生產(chǎn)能力已達到百兆瓦級。多晶硅錠/片生產(chǎn)工藝成熟,生產(chǎn)設(shè)備主要從國外引進(美國GTSOLAR,德國ALD)。太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用二、太陽電池多晶硅錠的組織結(jié)構(gòu) 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
3、狀晶。 太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用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太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用 一般來說,純金屬通過定向凝固,可獲得平面前沿,即隨著凝固進行,整個平面向前推進,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。太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用多晶硅錠的柱狀晶結(jié)構(gòu)太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用三、定向凝固時硅中
4、雜質(zhì)的分凝 太陽電池硅錠的生長也是一個硅的提純過程,是基于雜質(zhì)的分凝效應進行的。如下圖所示,一雜質(zhì)濃度為C0的組分,當溫度下降至T時,其固液界面處固相側(cè)的雜質(zhì)濃度為C*S。太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用對一個雜質(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10-410-8之間,B為,P為。太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用實際生產(chǎn)中固液界面還存在一個溶質(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)的擴散速度、硅液的
5、對流強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(-R/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, 溶質(zhì)富集層厚度(固液界面的擴散層)cm (), DL 擴散系數(shù)cm2/s。 R或趨近于0,K趨近于K時,最大程度提純。 R趨近于,K趨近于1時,無提純作用。太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用固液界面處的擴散層太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用h金屬雜質(zhì)含量沿硅錠生長方向分布圖05101520963126162199210硅錠高度/生長方向(mm)雜質(zhì)含量(ppm)FeAl太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用四、多晶硅錠定向凝固生長
6、方法實現(xiàn)多晶硅定向凝固生長的四種方法:布里曼法熱交換法電磁鑄錠法澆鑄法太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用1、布里曼法(Bridgeman Method)這是一種經(jīng)典的較早的定向凝固方法。特點:坩堝和熱源在凝固開始時作相對位移,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。液固界面交界處的溫度梯度必須0,即dT/dx0,溫度梯度接近于常數(shù)。太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用長晶速度受工作臺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)。硅錠高度主要受設(shè)備及坩堝高度限制。生長速度約分。缺點:爐子結(jié)構(gòu)比熱交換法復雜,坩堝需升 降且下降速度必須平穩(wěn),其次坩堝底 部需水冷。太陽電池單多晶硅硅
7、錠生產(chǎn)技術(shù)應用 坩堝 熱源 硅液 隔熱板 熱開關(guān) 工作臺 冷卻水 固相 固液界面 液相 布里曼法示意圖太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用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:坩堝和熱源在熔化及凝固整個過程中均無相對位移。一般在坩堝底部置一熱開關(guān),熔化時熱開關(guān)關(guān)閉,起隔熱作用;凝固開始時熱開關(guān)打開,以增強坩堝底部散熱強度。長晶速度受坩堝底部散熱強度控制,如用水冷,則受冷卻水流量(及進出水溫差)所控制。太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用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,因此隨著凝固的進行,熱源也即熱場溫
8、度(大于熔點溫度)會逐步向上推移,同時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。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,要擴大容量只能是增加硅錠截面積。最大優(yōu)點是爐子結(jié)構(gòu)簡單。太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用 熱源 坩堝 液固界面 散熱裝置 HEM法示意圖 固相液相太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用3、電磁鑄錠法特點: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
9、最大 350mmx350mm,但錠子高度可達 1公尺以上。太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用圖十二 電池鑄造法示意圖太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用4、澆鑄法 澆鑄法將熔煉及凝固分開,熔煉在一個石英砂爐襯的感應爐中進行,熔清的硅液澆入一石墨模型中,石墨模型置于一升降臺上,周圍用電阻加熱,然后以每分鐘1mm的速度下降(其凝固過程實質(zhì)也是采用的布里曼法)。 特點是熔化和結(jié)晶在兩個不同的坩堝中進行,從圖中可以看出,這種生產(chǎn)方法可以實現(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。 缺點是因為熔融和結(jié)晶使用不同的坩堝,會導致二次污染,此外因為有坩堝翻轉(zhuǎn)機構(gòu)及引錠
10、機構(gòu),使得其結(jié)構(gòu)相對較復雜。 太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用圖八 鑄造法硅錠爐示意圖 1硅原料裝入口 2. 感應爐 3. 凝固爐 4. 硅錠搬運機 5. 冷卻機 6. 鑄型升降 7. 感應爐翻轉(zhuǎn)機構(gòu) 8. 電極太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用圖九 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 保溫壁太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用五、熱交換法爐型爐型1: 下頁圖為目前國內(nèi)應用較多的一種熱交換法爐型示意圖,采用石墨電阻在四周加熱。容量240-270公斤。凝固開始時通過提升
11、保溫框(分)以增大石墨塊的散熱強度。長晶速度為變數(shù),平均為分。 這種爐 型最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,坩堝底部無需水冷。其次是側(cè)面加熱,底部溫度較表層溫度高,形成較強烈對流,有利于提純。 缺點是熱效率不高,每公斤硅錠耗電約13度-15度。此外循環(huán)周期較長,約為50-52小時。太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用 保溫框 熱源 坩堝 液固界面 石墨塊 隔熱板 (防止不銹鋼爐底過熱) 爐型1示意圖太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用爐型2:這種爐型由于生產(chǎn)容量大,目前正為國內(nèi)很多廠家引進。特點: 采用石墨棒頂?shù)准訜帷?頂裝料,裝料時爐蓋平推移出。 凝固時底部加熱器斷開,同時打開熱開關(guān),通過冷卻板,提高散熱強度(也即長晶速度)。 由于是頂部 加熱,在液相中形成正溫度梯度,改善了晶粒取向,長晶速度也比第一種爐型快。 結(jié)構(gòu)較復雜,用懸臂吊車頂裝料,廠房高度增加。 熱效率較高(有熱開關(guān),周期縮短,為46-50小時)。 頂加熱,抑制了對流,提純效果可能低于第一種爐型。太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用 爐蓋 頂部加熱器 坩堝 支持板 底部加熱器 熱開關(guān) 冷卻板 爐體 爐型2示意圖 太陽電池單多晶硅硅錠生產(chǎn)技術(shù)應用六、熱交換法現(xiàn)行工藝討論1、長晶速度。 第一種熱交換法爐型長晶速度為分,第二種爐型有待進一步測定,而布里曼法為分,單晶則大于1mm/分。從節(jié)能角度及縮短周
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