大晶粒太陽能級多晶硅的冷坩堝定向凝固及性能研究

【摘要】：多晶硅中的晶界，特別是受到金屬元素污染后，會大幅度降低多晶硅的性能，所以應盡可能增大鑄錠中晶粒的尺寸。本論文運用數(shù)值模擬軟件研究了坩堝內(nèi)流場的大小和分布，結(jié)合模擬的結(jié)果采用保溫法和籽晶法來制備大晶粒的多晶硅鑄錠。分析了晶體長大的機理，對其性能進行了測試并分析了晶粒大小對其電學性能的影響。 模擬結(jié)果表明，隨著電流大小和頻率的增加，坩堝內(nèi)的流速大小不斷變大，當頻率達到50kHz后，再增大其頻率，對其流速的變化較小。硅熔體在熔池內(nèi)呈交錯回旋循環(huán)流動，熔池的上下層呈現(xiàn)兩套環(huán)流。在熔體的底部也就是固液界面處，其流速普遍較慢，但是也存在一個較小的強流區(qū)。該區(qū)域的流速大小會對晶體的長大造成較大的影響。 控制保溫時間，制備出大晶粒的多晶硅鑄錠。對鑄錠進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著保溫時間的延長，晶粒逐漸增大，當保溫時間為35min時，鑄錠的平均晶粒可以達到5mm。使用掃描電鏡對試樣進行觀察，發(fā)現(xiàn)在保溫5min的試樣中存在大量尺寸為2μm左右的白色小顆粒，由能譜分析可知其主要含有Si和Fe元素。隨著保溫時間增加，白色小顆粒的數(shù)量明顯減少，到達35min時，幾乎不存在這種顆粒。可能隨著保溫時間的增加，導致硅原料中的高熔點雜質(zhì)熔化，減少了非均勻形核的質(zhì)點，有利于晶粒的長大。 最后采用在底部加載籽晶的方法來制備大晶粒多晶硅鑄錠。由于底部采用石墨來啟熔，籽晶容易被熔化，需要在底托和籽晶之間采取隔熱措施。對鑄錠的電學性能進行測試，發(fā)現(xiàn)晶粒大小對其有較大影響，晶粒越大，電阻率也越大，少數(shù)載流子的壽命也越高。 【關鍵詞】：多晶硅 定向凝固 冷坩堝 晶體生長
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：O78;O613.72
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目錄7-9
• 第1章 緒論9-25
• 1.1 課題來源及研究目的及意義9-10
• 1.2 太陽能級多晶硅的制備10-18
• 1.2.1 傳統(tǒng)方法制備多晶硅10-12
• 1.2.2 制備太陽能級多晶硅的新型工藝12-14
• 1.2.3 鑄造多晶硅錠的制備技術(shù)14-18
• 1.3 太陽能級多晶硅的晶體生長18-22
• 1.3.1 晶體生長的熱力學條件18
• 1.3.2 晶體生長的動力學原理18-20
• 1.3.3 多晶硅晶體生長過程20
• 1.3.4 多晶硅生長的影響因素20-21
• 1.3.5 大晶粒多晶硅中晶界的影響21-22
• 1.4 電磁冷坩堝技術(shù)及其應用22-23
• 1.4.1 電磁冷坩堝的工作原理22
• 1.4.2 電磁冷坩堝的應用22-23
• 1.5 本文主要研究內(nèi)容23-25
• 第2章 實驗材料及方法25-30
• 2.1 研究方案和技術(shù)路線25
• 2.2 實驗材料25-26
• 2.3 實驗設備26-27
• 2.4 測試分析設備27-30
• 第3章 電磁冷坩堝熔鑄多晶硅流場的數(shù)值模擬30-43
• 3.1 前言30
• 3.2 冷坩堝模型的建立30-33
• 3.2.1 數(shù)學模型的建立30-31
• 3.2.2 坩堝三維造型及簡化31-32
• 3.2.3 材料物性參數(shù)的設定及網(wǎng)格的劃分32-33
• 3.3 冷坩堝定向凝固駝峰內(nèi)電磁力分布規(guī)律33-37
• 3.3.1 不同電流大小對駝峰內(nèi)的電磁力的影響規(guī)律33-36
• 3.3.2 不同頻率大小對駝峰內(nèi)的電磁力的影響規(guī)律36-37
• 3.4 冷坩堝定向凝固駝峰內(nèi)流場的分布規(guī)律37-42
• 3.4.1 不同電流下駝峰內(nèi)流場的分布規(guī)律37-39
• 3.4.2 不同頻率下駝峰內(nèi)流場的分布規(guī)律39-41
• 3.4.3 不同工藝參數(shù)下固液界面處流場的流動情況41-42
• 3.5 本章小結(jié)42-43
• 第4章 保溫法制備大晶粒太陽能級多晶硅43-58
• 4.1 前言43
• 4.2 多晶硅鑄錠的制備43-53
• 4.2.1 硅料的起熔43-44
• 4.2.2 實驗的工藝參數(shù)44
• 4.2.3 多晶硅鑄錠分析44-46
• 4.2.4 宏觀組織分析46-49
• 4.2.5 微觀組織分析49-53
• 4.3 晶界對多晶硅性能的影響53-55
• 4.4 保溫法晶體長大機理55-57
• 4.5 本章小結(jié)57-58
• 第5章 籽晶法制備大晶粒太陽能級多晶硅58-74
• 5.1 前言58
• 5.2 籽晶法實驗58-61
• 5.2.1 多晶硅原料的選擇58
• 5.2.2 石墨底托的設計58-59
• 5.2.3 籽晶的選擇59-61
• 5.2.4 實驗參數(shù)設定61
• 5.3 籽晶的熔融61-67
• 5.3.1 石墨導熱對籽晶熔融的影響61-62
• 5.3.2 石墨氈對籽晶熔融的影響62-64
• 5.3.3 籽晶處的導熱分析64-67
• 5.4 宏觀組織分析67-69
• 5.5 電學性能分析69-72
• 5.5.1 電阻率69-71
• 5.5.2 少數(shù)載流子壽命71-72
• 5.6 本章小結(jié)72-74
• 結(jié)論74-75
• 參考文獻75-81
• 致謝81

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