下载文档原格式
2013年第9届中国太阳级硅及光伏发电研讨会（晶硅材料制备技术）高效太阳能电池相关铸锭技术开发黄新明1,2，明亮1，黄美玲1，钟根香1（1）东海晶澳太阳能科技有限公司；（2）南京工业大学Email：huangxm@摘要：光伏太阳能作为人类未来能源的重要组成部分，近年来获得了突飞猛进的发展，2012年全球新增装机总量已超过30GW。
其中，又以晶硅太阳能电池为主，占整个光伏市场的80%以上。
更高品质、更低成本的太阳能电池是业界始终追寻的目标。
与直拉单晶相比，铸造法/定向凝固法生产的多晶硅晶体具有更好的性价比，因而一直以来占有更高的市场份额。
另一方面，多晶硅晶体中除了具有众多晶界之外，还有很多的位错、杂质沉淀等晶体缺陷，导致其品质低于单晶硅。
如何进一步提高多晶硅的品质，使其达到或者接近单晶硅，是太阳能电池相关硅晶体制造商和研究者的一个重要目标。
本文以传统铸造多晶硅技术为基础，对铸锭炉的热场结构进行改造优化，利用实验及计算机模拟方法针对如下课题进行了系统研究：（1）通过控制晶体生长参数实现枝蔓状多晶生长；（2）利用单晶籽晶生长铸锭准单晶；（3）利用多晶籽晶生长晶粒均匀的高效多晶。
对各项技术的长处及不足之处进行了系统的对比分析。
获得的准单晶电池“晶枫”产品的平均转换效率达到18.5%以上（对应普通多晶电池效率为17.2%）；高效多晶电池的平均转换效率达到17.7%，并且由于高效多晶电池的制造工艺及产品规格与普通多晶电池工艺基本相同，已经推广量产，成为晶澳公司的主流产品之一。
关键词：高效，太阳能电池，晶澳The research of the casting technology for high-quality solar cellsXinming Huang1,2,Liang Ming1,Meiling Huang1,Genxiang Zhong1(1)Donghai JA Solar Technology Co.,Ltd.,Lianyungang,Jiangsu222300,China(2)School of Materials Science and Engineering,Nanjing Univ.Tech.,Nanjing,Jiangsu210009,ChinaEmail：huangxm@Abstract：The photovoltaic(PV)industry has grown rapidly in recent years because solar energy is one of the most important energy in the future.In2012,the new global installed capacity of solar PV systems has reached to 30GW,80%of which are made from silicon crystal.The higher quality and lower cost of the solar cells is always the goal for PV pared with the single crystal,the multi-crystalline silicon(mc-Si)produced by casting method or directional solidification method has better cost performance.Therefore,the mc-Si always occupied a higher market share.But on the other hand,besides the grain boundaries,there are many other defects in the mc-Si,such as the dislocation and precipitation of impurities,which result in the lower quality in the mc-Si than in the single crystal silicon.So improving the quality of mc-Si,and making it reached or approached the quality of single crystal silicon is one of the most important goals for the manufacturers and researchers in PVindustry.In this paper,we optimized the thermal field of the hot zone on the basis of industrial DS furnace,and used experiments and simulation methods to study the following technologies:(1)the dendrite casting technology by controlling the parameters of crystal growth;(2)the quasi-single crystal casting method by using the single crystal seeds;(3)the high-quality mc-Si casting technology by using mc-Si seeds.The advantages and disadvantages of each technology were comparatively analyzed.The average conversion efficiency of“Maple”cells made from the quasi-single crystal silicon could reach above18.5%(corresponding to the efficiency of the conventional mc-Si solar cells is17.2%);the average conversion efficiency of the high-quality mc-Si was up to17.7%.Furthermore, because the manufacturing process and product specifications of the solar cells made from the high-quality mc-Si are basically the same with that of the conventional mc-Si,the high-quality mc-Si has been widely promoted in the industrial production and has become one of the mainstream products in JA.Keywords:High efficiency,Solar cells,JA1前言以光伏为代表的太阳能是人类未来能源最重要的组成部分。
多晶硅电气系统结构原理图如下多晶硅电气系统由以下设备组成：1．调压功率柜TY4—3600A/ 2000V，一般3台/每炉。
北京三义电力电子公司制造。
型号参数4表示四档调压器，电压调整范围100V—2000V，电流调整范围20A—3600A。
调压功率柜的作用是根据硅棒的工艺要求调整供电电压电流，对硅棒进行加热，电流闭环精度为0.5%。
2．单相无功功率补偿柜MV1X—350+700/600.D，一般3台/每炉。
北京三义电力电子公司制造。
型号参数350表示设备提供的基波无功功率；型号参数700表示设备提供的谐波无功功率；型号参数600表示设备的额定电压。
无功功率补偿柜的作用是按照国家标准滤除3、5、7等谐波，功率因数提高达到0.9以上，并且达到稳定电网电压、降低变压器和供配电温升和损耗。
3．打压调压柜DY3—400V/500A，一般2台/每20炉。
北京三义电力电子公司制造。
型号参数3表示三档调压器；型号参数400V表示供电额定电压；型号参数500A表示设备额定输出电流。
打压调压柜的作用是把硅棒从环境温度快速加热到1080℃，然后将硅棒移交到调压功率柜进行控制。
4．PLC信号柜XH1—400，一般1台/每10炉。
北京三义电力电子公司制造。
型号参数400表示配置西门子400系列PLC。
信号柜的作用是对所有断路器和接触器进行输入输出操作，对所有开关量进行处理，对系统和各个单元进行电和光的通信管理，对220V控制电源进行集中管理。
5．双冗余计算机操作系统JSJXT1，一般1套/每20炉。
北京三义电力电子公司制造。
其作用是通信和资料管理系统（光纤通信方式）和整个控制系统操作和故障管理。
包括两套容余服务器（双21寸液晶显示器）、一台资料管理计算机、一台供电和补偿监视计算机、两个操作台。
6．三相高压开关柜，一般1台/每炉。
开关设备厂制造。
7．12KV/3600A真空断路器，一般3台/每炉。
开关设备厂制造。
8．12KV/160A真空接触器，一般3台/每炉。
美国GT Solar Incorporated太阳能公司简介通过超过15 年太阳能行业的专业服务，GT Solar 已在全球范围内建立起作为具备增值工艺设计专长并可提供高质量设备的供应商的卓越声誉。
良好的声誉加上精深的专业知识、服务能力和领先业界的先进技术，使GTSolar 得以与很多全球最具影响力的太阳能制造商建立起良好的合作关系。
时至今日，这些优势已使得我们发展成为多晶硅还原炉和转化炉及多晶铸锭炉领域的全球市场领先企业，并为电池片和组件的生产打下了坚实的技术基础。
我们还可为太阳能制造链所涉及的各种工艺提供顶级的独立解决方案和交钥匙解决方案。
最近，GT Solar 取得了一系列具有重大意义的里程碑成就。
我们以 5 亿 4千1 百万美元的创纪录收入为2009 财年画上了一个完满的句号。
在2009 财年中，我们交付了我们的第1,000 套定向凝固系统---DSS 铸锭炉；安装了我们的第一套48 硅棒还原炉；开设了一处新的太阳能设备生产工厂，几乎实现了产能翻番；并成功地在纳斯达克上市（股票代码“SOLR”），成为一家上市公司。
产品GT Solar 是面向太阳能产品制造公司提供交钥匙和设备解决方案领域的领先供应商。
我们是唯一一家能够跨越整个太阳能价值链——从硅片、电池片直至组件生产——为客户提供交钥匙和设备解决方案以及技术专业知识的公司。
多晶硅多晶硅生产设备了解我们的SDR-200 和SDR-300 CVD 还原炉配置，以及我们CVD 还原炉的支持设备，其中包括四氯硅烷(STC) 至三氯硅烷(TCS) 转化炉、气相进料与热交换器模块、多晶硅加工设备和籽晶制备。
并了解令我们的设备组合更趋完备的工程项目支持和工艺及产品分析技术。
三氯硅烷(TCS) 和硅烷成套系统方案了解我们用于生产三氯硅烷(TCS) 和硅烷的基础设计工艺包(BEP)。
工程项目支持了解我们的咨询服务，其中包括现场工艺与设备支持、太阳能生产设备了解我们市场领先的GT-DSS450™ 多晶炉技术及坩埚处理系统等相关设备。
GT solar DSS/HEM FurnaceDSS/HEM FurnaceHigh Quality Ingots, Lower Overall Costs HEM FurnaceDSS FurnaceIngot from DSS/HEM FurnaceGT-MX225™ HEM Furnace The Heat Exchanger Method (HEM) is a crystal growth process ideally suited for growing high-quality multicrystalline silicon ingots to size and weight minimums of 69cm/sq. and 240kg. The furnace is simple, automated and well insulated which results in low equipment, labor and energy costs.Each HEM furnace grows enough silicon to make approximately 2 megawattsof solar cells per year.GT-DSS240™ FurnaceAs the market leader in multi-crystalline growth technology we felt committed to expand our line of products. The DSS (Directional Solidification System) furnace is a result of our development program. Multi-crystalline ingots can now be grown faster and at lower cost than ever before. Plus we deliver all our furnaces, including the well-proven HEM furnaces with a solid process that enables our customers to jumpstart their production.∙Bottom-load process chamber adds operating convenience∙Standardized mezzanine module insures quick set-up∙Produces Material for High Efficiency Cells∙Output of 1 Furnace: 160 ingots/year (equivalent to > 3.3 MW with 125 mm cells @ 15% efficiency)∙Ingot Size: 69 x 69 cm2∙Ingot Weight: > 240 kg to 270 kg typically∙Fully automated process∙Process guarantee includedSectioning of ingots into bricks for different wafer sizes。
多晶硅铸锭炉热场底部改进的数值模拟研究作者：高强韩江山沈永华夏小江来源：《科技资讯》2013年第13期摘要：多晶硅铸锭炉热场的优化改进对于生长高质量的多晶硅极为重要。
本文结合计算机数值模拟，对多晶硅铸锭炉热场的底部进行优化，并分析了这项优惠对温场、流场和界面的影响。
模拟结果表明，热场优化后，杂质分布更加均匀，更有利于定向凝固过程。
关键词：多晶硅数值模拟热场光伏太阳能中图分类号：TG156.8 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（a）-0012-01多晶硅太阳电池由于产量大、性价比高，占据着约50%的光伏产品市场份额[1]。
多晶硅铸锭晶粒的大小及组织形态与电池的性能有着密切的联系，晶粒尺寸均一、粗大有利于得到高质量的多晶硅片，从而提高多晶硅太阳电池的效率[2]。
多晶硅晶粒大小和组织形态，很大程度上取决于多晶硅铸锭炉热场设计以及工艺过程。
以往热场设计都是通过实验来调整，这需要很高的成本及时间。
同时，由于铸锭炉很高的温度，所以得到炉体内部的温度分布非常困难。
数值模拟的出现为更好的理解熔体凝固过程中的传热传质以及温场、流场的分布提供了有力的工具，已经成为学术界和产业界的重要研究和开发手段[3]。
1 模型及参数设置本文采用工业界常用的带有移动隔热笼的多晶硅铸锭炉进行研究。
铸锭炉的物理模型采用简化的二维轴对称模型。
在物理模型中，考虑了晶体、熔体和坩埚内的能量守恒，熔体和气体中的对流、各表面之间的辐射、结晶潜热、高温熔体内的湍流流动。
模拟采用STR公司开发的晶体生长专业模拟软件CGSim，该软件用于多晶硅铸锭的数值模拟研究已被大量文献所报道。
计算方法采用有限元法（固体区域）与有限体积法（流体区域）结合。
2 初始结构模拟结果本文以GT Advanced Technology的DSS450多晶硅铸锭炉为参考，量取了其热场的实际尺寸并做了适当简化，从而进行数值模拟，以铸锭炉中晶体生长到熔体高度一半时（110 mm）为具体说明数据点，得到了炉体内温场分布、流场分布以及固液界面的形状。
步骤一、回充气步骤二、进入升降窗口步骤三、卸下挂钩步骤四、选择方向步骤五、升降按钮步骤五：下降时密切观察炉腔水平度，一旦发现倾斜、异响等情况，立刻停止点击上图所示黑色箭头，使之方向向下。
设备名称设备型号长按HMI左上角黑色按钮，炉腔即可下降。
由慢及快，临近最低处时，自动减速直至停止，然后松开按钮。
步骤三：确保四个挂钩全都松开步骤四：确保箭头方向向下向自己面前用力提拉黑色把手，使上图所示银色部分的挂环向下，即可松开挂钩。
设备类型管理部门多晶炉铸锭炉DSS450生产设备点击Manual界面中的Backfill回充气至950mbar，屏幕右上方会出现Chamber Lift 设备部辅助工具注意事项点击右上角的Chamber Lift，弹出上图所示对话框，确认炉四周的四只挂钩都卸下后，点击YES。
步骤一：TC1温度＜400℃且气压＞950mbar时，Chamber Lift按钮才会出现辅助工具步骤三、取锭管理部门注意事项将硅锭叉起取出后，缓慢地放在不锈钢制的运锭小车上。
将热的硅锭运至冷锭区指定位置冷却。
出锭后检查加热器螺杆螺帽有否烧坏、陶瓷片是否有移位。
设备名称多晶炉铸锭炉设备型号DSS450设备类型生产设备步骤五：更换损坏的螺杆、螺帽，修正或更换移位或损坏的陶瓷片步骤一、劳动防护步骤二、取出塞条步骤五、转移至冷锭区步骤四、放下锭涉及高温作业，作业前请佩戴劳动防护用具，隔热手套和防护眼镜。
将DS块四周的四根塞条取出，放置于下炉腔的石棉毯上。
将上下锭叉车小心地开进炉腔，兜住硅料，缓慢起升，兜住硅锭。
设备部步骤一：高温！佩戴隔热手套和防护眼镜步骤二：切勿将塞条放在底部隔热板上步骤四：运输过程中切勿撞伤墙壁步骤六、出锭后检查步骤五、锁上挂钩长按HMI左上角黑色按钮，炉腔即可上升。
由慢及快，临近最高处时，自动减速直至停止，然后松开按钮。
将四只挂钩都挂上，用力按压黑色把手，使之扣紧。
步骤三、进入升降窗口辅助工具步骤四、升降按钮步骤四：下降时密切观察炉腔水平度，一旦发现倾斜、异响等情况，立刻停止硅料投炉结束后，用纱布蘸取少许酒精，擦拭上炉腔密封面和下炉腔O型圈。
