第十章铸造多晶硅

第十章:多晶硅薄膜人们一直试图寻找一种既具有晶体硅的优点，又能克服非晶硅弱点的太阳电池，多晶硅薄膜就是这样一种重要的新型薄膜材料。

多晶硅薄膜既具有晶体硅的电学特性，又具有非晶硅薄膜成本低、设备简单且可以大面积制备等优点，因此，多晶硅薄膜不仅在集成电路和液晶显示领域已经有广泛应用，而且在太阳能光电转换方面，人们也做了大量研究，寄予了极大的希望。

多晶硅（poly-Si）薄膜材料是指在玻璃、陶瓷、廉价硅等低成本衬底上，通过化学气相沉积等技术，制备成一定厚度的多晶硅薄膜。

1，多晶硅薄膜分类-晶粒大小①微晶硅薄膜（μc-Si）：晶粒大小在10-30nm左右；②纳米硅（nc-Si）：晶粒大小在10nm左右。

2，多晶硅薄膜主要的制备途径①通过化学气相沉积等技术，在一定的衬底材料上直接制备；②首先制备非晶硅薄膜，然后通过固相晶化、激光晶化和快速热处理晶化等技术，将非晶硅薄膜晶化成多晶硅薄膜。

无论是哪种途径，制备的多晶硅薄膜应该具有晶粒大、晶界缺陷少等性质。

3，在多晶硅薄膜研究中，目前人们主要关注的问题①如何在廉价的衬底上，能够高速、高质量地生长多晶硅薄膜；②多晶硅薄膜温度尽量要低，以便选用低价优质的衬底材料；③多晶硅薄膜电学性能的高可控性和高重复性。

10.1 多晶硅薄膜的基本性质1、多晶硅薄膜的特点多晶硅（polycrystalline silicon）薄膜是指生长在不同非硅衬底材料上的晶体硅薄膜，它是由众多大小不一且晶向不同的细小硅晶粒组成，晶粒尺寸一般为几百纳米到几十微米。

它与铸造多晶硅材料相似，具有晶体硅的基本性质；同时，它又具备非晶硅薄膜的低成本、制备简单和大面积制备等优点。

2 、多晶硅薄膜的制备技术（1）、液相外延技术制备多晶硅薄膜液相外延式其中一种重要的制备多晶硅薄膜的技术。

液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE）制备多晶硅薄膜是指将衬底浸入低熔点的硅的金属合金（如Cu、Al、Sn、In等）熔体中，通过降低温度时硅合金在合金熔体中处于过饱和状态，然后作为第二相析出在衬底上，形成多晶硅薄膜。

缺陷和杂质2023-11-09•铸造多晶硅太阳电池概述•铸造多晶硅的结构缺陷•铸造多晶硅中的杂质目录•铸造多晶硅结构缺陷和杂质的表征与检测方法•铸造多晶硅结构缺陷和杂质的控制与优化•展望与未来发展趋势01铸造多晶硅太阳电池概述铸造多晶硅太阳电池的制造工艺已经非常成熟，可以实现大规模生产。

制造工艺成熟转换效率较高制造成本较低铸造多晶硅太阳电池的转换效率较高，可以满足大部分应用需求。

铸造多晶硅太阳电池的制造成本较低，具有较好的经济性。

030201吸光层由多晶硅材料构成，能够吸收太阳光并将其转化为电能。

吸光层导电层由掺杂的多晶硅材料构成，能够将吸光层产生的电流导出并传输到外部电路中。

导电层背反射器用于将太阳光反射回吸光层，以增加光吸收效果。

背反射器导电层制备将掺杂的多晶硅材料通过热处理和加工等工艺制成导电层。

铸造多晶硅太阳电池的制造过程原材料准备制造铸造多晶硅太阳电池需要准备多晶硅材料、掺杂剂、反射器等原材料。

吸光层制备将多晶硅材料通过热处理和掺杂等工艺制成吸光层。

背反射器制备将反射器材料通过加工等工艺制成背反射器。

组装将吸光层、导电层和背反射器组装在一起，形成完整的铸造多晶硅太阳电池。

02铸造多晶硅的结构缺陷在铸造多晶硅中，晶界是常见的结构缺陷。

晶界是指不同晶粒之间的交界，通常会对材料的性能产生负面影响。

在太阳电池中，晶界会降低载流子的迁移率，导致光电转换效率下降。

晶界位错是指晶体结构中的原子排列错位。

在铸造多晶硅中，位错会破坏晶体结构的周期性，导致能带结构发生变化。

位错还会影响载流子的散射和复合，进一步降低太阳电池的性能。

位错铸造多晶硅中的晶界与位错杂质陷阱在铸造多晶硅中，杂质原子通常会聚集在晶界或位错等缺陷处。

这些杂质原子会捕获电子或空穴，形成杂质能级，从而影响载流子的迁移和复合过程。

杂质陷阱对太阳电池的光电转换效率产生负面影响。

热处理与杂质陷阱通过热处理可以部分消除杂质陷阱的影响。

在高温下，杂质原子有机会从缺陷处扩散出去，从而减少杂质陷阱的数量。

定向凝固制备铸造多晶硅的原理及应用综述摘要：阐述了介绍了定向凝固应用于硅材料的理论基础，论述了近年来定向凝固制备技术在杂质提纯和晶体生长的研究进展，提出了定向凝固制备铸造多晶硅研究现状和存在的问题。

展望今后的发展前景，认为新型的定向凝固技术制备出的硅锭在杂质含量、晶体结构方面均优于传统凝固技术，应积极改善定向凝固技术，以制备高品质的太阳能硅材料。

关键词定向凝固；铸造多晶硅；杂质和缺陷；转化效率晶体硅太阳能电池包括单晶电池和多晶电池2种，多晶电池的市场份额占到一半以上，商业化的多晶电池效率可以达到14%左右[1]。

实验条件下，多晶电池的最高转化效率达到20.30左右，多晶电池的效率虽然略低于单晶电池1%～2%，但多晶电池制造成本低、环境污染小，仍有很高的性价比和市场[2]。

近年来，由于技术改良、电池效率提高及生产成本下降等有利因素，因而大大促进了多晶电池应用技术的发展，也使业内专家学者给予了多晶电池制备技术更多研究和关注[3]。

影响多晶电池转换效率主要有2个方面：一是多晶硅铸锭的纯度，即使材料中含有少量的杂质，对电池的光电性能就有很大的影响[4]；二是尽量减少材料中各种缺陷，多晶硅铸锭中的晶界、位错与杂质聚集成载流子复合中心，大大的降低了多晶电池效率。

由以上表述可知，要提高多晶电池的效率，必须围绕提高材料纯度和降低材料缺陷的技术进行研究，而定向凝固技术正是制备硅晶体材料的典型应用。

定向凝固技术开始只用于传统的高温合金研制，经过几十年的发展，它已经是一种成熟的材料制备技术[5]。

定向凝固技术在多晶硅铸造主要是控制晶体生长和杂质提纯2方面的应用。

定向凝固技术可以很好地控制组织的晶面取向，消除横向晶界，获得大晶粒或单晶组织，提高材料的力学性能[6]。

同时，定向凝固可生成按照一定晶面取向、排列整齐的晶体结构,由于分凝系数的不同，杂质凝聚于晶界和铸锭上方，对材料起到提纯作用。

1. 基本原理多晶硅铸锭实际上就是由定向排列的柱状晶体组合形成，形成的理论基础就是定向凝固原理。

铸锭多晶硅材料制备技术变革光伏产业概况图12000-2013年全球累积光伏发电装机容量(*来源EPIA)图22000-2013年中国累积光伏发电装机容量(*来源EPIA)从2010年开始，亚洲，尤其是中国光伏发电装机量发生了巨大的变化，开始爆发式的增长，由2010年的800MW增长至2013年的18600MW，四年时间增长近23倍，平均每年以2倍以上的速度发展，远远超过了欧洲国家。

光伏发电装机量的爆发式增长，带动了整条产业链的发展，中国的光伏产业正在进入高速发展的时期。

光伏行业爆发式发展，单晶与多晶硅片在太阳能电池应用在市场的推动下，不断的分歧化发展。

在2007年，单晶与多晶生产比例约为1:1，而到目前，这一比率已降至30:70。

单晶硅片电池效率较多晶硅片有2.0%的优势，然而标准单晶硅片通产售价较多晶硅片溢价30%，市场需求对比率的变化起到了主要作用。

图32010-2017年单晶与多晶市场份额(*来源solarbuzz)多晶硅材料制备技术的发展历史自1975年德国瓦克(Wacker)公司首次采用绕铸的方法制备多晶硅材料[1]，几乎同时，其他科研小组也提出了利用不同的铸造技术来制备太阳能级多晶硅材料，例如热交换法(HEM)、布里奇曼(Bridgman)定向凝固法、浇铸法、电磁铸锭法等。

目前铸锭多晶硅技术，采用的生长方法主要为热交换法和布里曼法结合的方式，其晶体生长方向垂直向上，通过定向凝固(也称可控凝固、约束凝固)过程来实现的，即在结晶过程中，通过控制温度场的变化，形成单方向热流(生长方向与热流方向相反)，并要求固液界面处的温度梯度大于0℃，横向则要求无温度梯度变化，从而形成定向生长的柱状晶。

铸造多晶硅虽然含有大量的缺陷杂质[2]，但相对直拉单晶硅，其成本低、产能大、能耗少，在国内外工业生产上得到广泛应用。

在铸锭多晶硅技术发展至今，由最初的铸锭炉装料量200kg、铸锭耗时50H，发展至目前装料量达到1200kg、铸锭耗时90H、石英坩埚尺寸1200×1200mm，单位产能实现了由4kg/h提升至13.3kg/h，且多晶铸锭炉的连续加料技术已经提上日程。

铸造多晶硅的书
引言
铸造多晶硅是一项重要的工艺，它在太阳能电池、集成电路和半导体等领域都有广泛应用。

本书将详细介绍铸造多晶硅的原理、方法和应用，帮助读者深入了解这一技术。

第一章：多晶硅概述
1.1 多晶硅的定义和特性 1.2 多晶硅在工业中的应用
第二章：铸造多晶硅的原理
2.1 多晶硅的结构特点 2.2 铸造多晶硅的基本原理 2.3 影响铸造质量的因素
第三章：铸造多晶硅的方法
3.1 传统方法：Czochralski法 3.1.1 Czochralski法工艺流程 3.1.2 Czochralski法优缺点及改进措施
3.2 新兴方法：区熔法、浮区法等 3.2.1 区熔法工艺流程及优缺点 3.2.2 浮区法工艺流程及优缺点
第四章：铸造多晶硅设备与工艺参数控制
4.1 铸造多晶硅设备概述 4.2 温度控制 4.3 压力控制 4.4 搅拌控制
第五章：铸造多晶硅的质量控制与评估
5.1 多晶硅的质量评估指标 5.2 质量控制方法和流程 5.3 质量问题分析与解决
第六章：铸造多晶硅的应用领域
6.1 太阳能电池生产中的应用 6.2 集成电路生产中的应用 6.3 半导体材料研究中的应用
结论
本书详细介绍了铸造多晶硅的原理、方法和应用，希望读者通过学习本书，能够全面了解这一技术，并在实际工作中运用自如。

铸锭多晶硅的工艺流程铸锭多晶硅工艺和直拉单晶工艺都属于定向凝固过程，不过后者不需要籽晶。

当硅料完全融化后，缓慢下降坩埚，通过热交换台进行热量交换，使硅熔液形成垂直的，上高下低的温度梯度，保证垂直方向散热，此温度梯度会使硅在锅底产生很多自发晶核，自下而上的结晶，同时要求固液界面水平，这些自发晶核开始长大，由下而上地生长，直到整锅熔体结晶完毕，定向凝固就完成了，当所有的硅都固化之后，铸块再经过退火，冷却等步骤最终生产出高质量的铸锭。

冷却到规定温度后，开炉出锭。

铸锭多晶硅的优缺点相对于直拉单晶来说，铸锭多晶硅有如下优点1、备制造简单，容易实现全自动控制。

2、料比较广泛，可以利用直拉头尾料、集成电路的废片以及粒状硅料等，当然要将原工艺过程中的污染经过喷砂，腐蚀等手段清洗干净。

3、料量大，产量高，适合大规模生产。

4 、片大小可以随意选取i，例如690MM的方锭可以切成125MM 的方锭25个，也可切成156MM的方锭16个等。

铸锭溶晶生产大尺寸方片，但直拉法就难一些。

点晶体的熔无论融化了已经变成的熔体，或尚未融化的固体都在处在同一个温度值，尽管继续加热，温度却始终保持不变，这个温度就是晶体的熔点。

单晶硅的导热性与方向有关。

多晶硅片上有很多的晶粒，晶粒之间有明显的晶界，由于晶向各不相同，呈现出深浅不同的色差。

直拉单晶炉的热系统及热场1、热系统直拉单晶炉的热系统是指为了融化硅料，并保持在一定温度下进行单晶生长的整个系统，它包括加热器、保温罩、保温盖、托碗（石墨坩埚）、电极等部件，它们是由耐高温的高纯石墨和碳毡材料加工而成的。

加热系统长期使用在高温下，所以要求石墨材质结构均匀致密、坚固、耐用，变形小，无空洞，气孔率≤24%，无裂纹，弯曲强度40~60Mpa,颗粒度0.02~0.05mm,体积密度1.70~1.80g/310-cm,灰分≤1⨯4（100ppm)，金属杂质含量少，一般检测值在410-%数量级。

10-%~6加热器是热系统中最重要的部件，是直接的发热体，温度最高时达到1600。

太阳能电池材料电子教案铸造多晶硅制备工艺教学目标：1.理解太阳能电池的工作原理和应用；2.了解多晶硅的制备工艺；3.掌握多晶硅的铸造方法。

教学准备：1.教材：太阳能电池材料相关教材；2.多媒体设备：投影仪、电脑；3.实验设备：实验室用的电炉、石英坩埚、高温计量秤等；4.实验化学品：硅粉、碳粉、氧化铝粉、卤化铝等。

教学过程：一、导入（5分钟）通过展示太阳能电池的实物或者图片，向学生介绍太阳能电池的基本原理和应用。

二、太阳能电池材料介绍（10分钟）1.介绍太阳能电池的基本原理：太阳能电池是一种将太阳光转变为电能的装置，其工作原理是通过太阳能光子的能量使半导体中的电子跃迁，从而产生电流。

2.介绍太阳能电池材料：目前使用最广泛的太阳能电池材料是多晶硅。

多晶硅具有优异的光电转换效率和稳定性，是太阳能电池的理想材料。

三、多晶硅制备工艺介绍（15分钟）1.介绍多晶硅制备的主要方法：目前多晶硅的主要制备方法是铸造法。

铸造法是将硅粉与其他添加剂混合，在高温下熔炼并冷却，使其凝固成块，再进行压碎和烧结等工艺，最终得到多晶硅块料。

2.介绍多晶硅铸造的工艺过程：铸造法包括熔炼、凝固和固化等过程。

学生可以通过实验室模拟实验的方式，了解多晶硅的铸造工艺。

四、多晶硅铸造实验演示（30分钟）1.展示实验所需实验设备和化学品，并说明注意事项和操作步骤。

2.进行实验演示，包括熔炼、凝固和固化等过程。

3.解释实验过程中发生的化学反应和物理变化，并与制备多晶硅的工艺过程进行对比。

4.学生可以通过观察实验现象和参与实验操作，加深对多晶硅铸造工艺的理解。

五、讨论和总结（10分钟）1.学生就实验中观察到的现象和实验过程进行讨论，加深对多晶硅铸造工艺的理解。

2.进行小结，总结太阳能电池材料太阳能电池材料多晶硅铸造工艺的基本知识和实验过程。

六、作业布置（5分钟）布置相关的学习任务，如阅读太阳能电池材料相关教材，并完成相关的练习题。

以上内容可以根据实际教学需要进行调整和补充。