石墨坩埚厚度对感应加热制备太阳能级多晶硅影响的数值模拟研究

定向凝固法制备的多晶硅是目前主要的光伏原材料,制备过程中热场结构和硅熔体对流形态对于生长高质量的多晶硅极为重要,本文利用专业晶体生长软件CGSim对制备太阳能级多晶硅用真空感应铸锭炉中的石墨坩埚进行改进并进行了数值模拟,分析了不同石墨坩埚厚度的变化对热场、流场、固液界面、硅晶体应力场以及和V/G值的影响.结果表明,当石墨坩埚厚度为20 mm,可获得良好的对流形态、平坦的固液界面、合理的V/G值等,有利于节约多晶硅的生产成本并提高多晶硅的品质,为生产实践中工艺方案优化及缺陷分析等提供重要的理论依据.     

改良西门子法多晶硅产品质量分析

以工业硅为原料采用改良西门子法生产出质量优良的多晶硅,分别采用ICP-MS、低温傅立叶变换红外光谱、硅多晶气氛区熔基P检验法和真空区熔基B检验法等,对三氯氢硅中的杂质和多晶硅产物中的P、B、C、O含量及其P、B电阻率进行了检测,报道了改良西门子法获得的优质多晶硅产品质量检测数据;对影响多晶硅产物质量的各种因素,包括原料混合气进料量变化,还原炉内生长温度,生长过程中AEG电气的电压、电流变化,以及中间产品精制三氯氢硅、氢气的质量等进行了分析讨论.研究结果对于稳定生长高质量多晶硅具有重要参考价值.     

Cu对Al-50%Si合金法提纯太阳能级多晶硅过程中初晶硅Al含量影响研究

Al-Si合金法提纯具有生产成本低、除杂效率高、副产物单一等特点,是一种极具潜力的太阳能级多晶硅原料的制备方法。在该工艺路线中,Al作为溶剂不可避免地会对Si产生污染,如何降低初晶硅中Al的含量是亟需解决的问题之一。本文通过向Al-50%Si合金中加入Cu,分析Cu对合金溶液热力学性能的影响,结合Cu的存在方式,探讨Cu对Al污染的抑制作用。结果表明：在Al-50%Si合金中添加10%(质量分数)Cu后,合金中Al的活度系数降低至0.714 8;初晶硅中Al的含量从250.960 mg/kg降低到181.637 mg/kg,比未添加Cu时减少了27.62%,同时,Cu在初晶硅中的残留仅为12.6 mg/kg,低于Cu在Si中的固溶度。可见,在Al-Si合金中引入Cu并未对初晶硅造成二次污染。因此,采用Al-Si-Cu三元合金体系进行提纯制备太阳能级多晶硅能够有效抑制Al对初晶硅的污染。     

一种热量补偿结构在多晶硅定向凝固设备中的应用研究

定向凝固(DS)是冶金法提纯太阳能级多晶硅的重要工艺环节.以保证垂直的晶体生长方向,维持良好的固液相界面形态为目的,设计了一种带有热量补偿结构的多晶硅定向凝固设备,用以替代常规设备的侧壁加热装置,在满足工艺要求的同时达到节能减排、降低成本的目标.进行理论分析和数值模拟来阐述原理与设计结构,对优化凝固工艺、设备结构、控制方法提供了理论依据与技术支持.     

“太阳能级多晶硅材料提纯关键技术研发及检测服务平台的标准化建设”项目通过验收

7月23日,中国科学院福建物质结构研究所黄丰研究员主持完成的省科技重大专项专题"太阳能级多晶硅材料提纯关键技术研发及检测服务平台的标准化建设"通过项目验收。本专题针对太阳能级多晶硅材料提纯关键技术研发及检测服务平台的标准化建设,取得了以下主要成果:     

石墨衬底上铝诱导法制备多晶硅薄膜

利用磁控溅射技术在石墨衬底上制备了石墨/a-Si/Al和石墨/Al/a-Si叠层结构,采用常规退火(CTA)和快速热退火(RTA)对样品进行退火,系统研究了不同退火条件对多晶硅薄膜制备的影响.利用X射线衍射(XRD),拉曼光谱(Raman)对制备的多晶硅薄膜进行表征,并利用谢乐公式计算了晶粒尺寸,结果表明制备的多晶硅薄膜具有高度(111)择优取向,结晶质量良好,利于后续外延制作多晶硅厚膜电池.基于实验结果,建立了铝诱导晶化模型,很好的解释了实验现象.     

碳热还原氮化法制备β-Sialon粉体的研究

采用山西大同土为主要原料,利用碳热还原氮化法(CRN)制备了β-Sialon材料,并利用SEM、XRD等检测手段对其进行了检测分析.研究了温度、N2流量、保温时间以及配碳量等因素对制备β-Sialon的影响,采用正交设计的方法确定了反应的最佳工艺参数,并在此基础上讨论了α-Si3N4晶种对生成产物的影响.实验结果表明,烧结温度为1500℃,氮气流量为1 L/min,保温时间为2 h,配碳量为0.8化学计量时可以生成较多的β-Sialon相.SEM微观形貌表明具有一定长径比的β-Sialon柱状晶呈均匀分布.此外,加入3;的晶种α-3N4可促使晶粒大小均匀并获得高品质细密结构的粉体.     

晶体硅表面Ag纳米颗粒形貌控制及其对黑硅性能的影响

采用湿法化学法在太阳能级Si(100)表面沉积Ag纳米颗粒,并对Ag颗粒进行了退火处理.利用扫描电子显微镜研究了不同沉积时间及退火工艺对硅片表面Ag纳米颗粒形貌的影响规律.在此基础上采用退火前后的Ag纳米颗粒辅助化学腐蚀法制备了黑硅减反射结构,并用扫描电子显微镜观察了所制备黑硅的微结构,用紫外-可见分光光度计研究了所制备黑硅的反射率.研究表明,制备的Ag颗粒为不规则片状结构,并且随Ag沉积时间的延长,Ag颗粒逐渐长大.通过对样品退火处理,Ag颗粒收缩成球状纳米颗粒.利用未退火的Ag颗粒制备的黑硅呈不规则纳米线状微结构,在300 ～ 1100 nm范围内平均反射率为2.7;;而利用退火后球状Ag纳米颗粒制备的黑硅则呈多孔状微结构,同样波长范围内平均反射率为14.2;.     

半固态处理对Al-50wt;Si合金初晶硅形貌的影响研究

提高初晶硅的收率是Al-Si合金法制备太阳能级多晶硅的研究热点之一.本文对成分为Al-50wt; Si合金在580℃进行半固态热处理,分析初晶硅的形貌以及Al元素含量的变化.结果表明:随半固态处理时间的增加,初晶硅的尺寸逐渐增大,其原因是在熟化机制的作用下,尺寸为0.15～0.7 mm的初晶硅的含量显著增加,这一结果导致初晶硅的收率高于理论收率.同时,经过半固态热处理,片状初晶硅之间的富Al层容易酸洗去除,降低了初晶硅中的Al含量.     

保温层结构对感应加热制备太阳能级多晶硅影响的数值模拟研究

定向凝固技术是制备太阳能级多晶硅的主要制备技术.在该技术路线之中,优化多晶铸锭炉的热场结构和控制硅熔体的对流形态是获得高品质多晶硅的有效途径之一.本文设计了三种热场保温层,通过分析不同保温层下坩埚内硅熔体的热场、流场、固液界面、氧含量等的变化,确定了优化的保温层结构.研究发现,在传统固化碳毡保温层中引入石墨层可以使多晶炉内形成两个“热源”,提高多晶炉的热效率,使其能耗降低了38.5;;在洛伦兹力的作用下硅熔体中仅存在一个上下贯通的涡流,有利于硅中杂质原子的挥发.同时,添加石墨保温层后固液界面的形状由“W”状转变为凹状,其上的氧含量有所降低,并且V/Gn值在整个固液界面范围内均大于临界值,可以有效抑制氧沉淀.可见,在感应加热多晶硅生长系统中,采用固化碳毡+石墨保温层时,有利于降低多晶硅的生产成本并提高多晶硅的品质.     

西门子CVD还原炉内硅棒生长环境的数值模拟

考虑包括热辐射在内的质量传递、动量传递、热量传递三维模型,利用流体力学计算软件,对18对棒西门子多晶硅CVD还原炉实际情况进行数值模拟.考察了两种进气方式下还原炉内的流场和温度场分布.计算结果表明,为了实现硅棒均匀沉积,与底盘上分散进气、中心集中出气的还原炉结构相比,中心集中进气、中环与外环之间分散出气的流场及温度场分布更为合理.后者可能有效避免气体在进出口间的“短路”现象,又使炉内各处温度分布更为均匀,减小硅棒不均匀生长现象.模拟结果还表明,采用典型工况的数据,还原炉中总能量损失占能量输入的78.9;,辐射热损失占总能量损失的70.9;,产品单位质量能耗为72.8 kWh/·kg-1,与很多其他研究结果及实际相一致.     

三氯氢硅和氢气系统的气相沉积三维模拟

建立了氢气和三氯氢硅系统的多晶硅气相沉积反应模型,通过Chemkin4.0耦合气相反应、表面反应机理,利用流体力学软件Fluent 6.3.26数值求解.根据模拟结果绘制了进气温度、进气组成、沉积表面温度以及反应压力与硅沉积速率的关系曲线,阐述了这些条件对于硅沉积速率的影响,同时把模拟结果与文献中的实验数据和计算结果进行对比.结果表明,硅沉积速率随反应温度和反应压力的提高而提高,随进气温度的提高而提高,当氢气摩尔组成低于0.8时,与氢气物质的量组成成正比,氢气物质的量组成大于0.8时,与氢气摩尔组成成反比.     

西门子反应器中硅棒热电行为数值模拟与分析

改良西门子法制备多晶硅过程中,化学气相沉积所需能量全部由电流加热硅棒提供.本文考虑多晶硅还原炉中辐射和对流热量传递形式,耦合频率控制的焦耳电加热方程,建立了12对棒多晶硅还原炉热场-电磁场耦合模型,并通过工业数据验证了其模拟结果的合理性.分析了硅棒半径、交流电频率以及反应器壁发射率对西门子还原炉内、外硅棒内部温度及电流密度分布的影响.结果表明:当硅棒半径增长到所用交流电频率引起的趋肤深度时,交流电趋肤效应开始显著影响硅棒内部温度梯度;交流电频率的增大,硅棒内部温度梯度逐渐减小;反应器壁发射率增加,低频时硅棒内部温差增大,而高频时发射率对硅棒内部温度分布影响不再显著.     

基于POLO钝化接触结构的晶硅电池技术及其研究进展

多晶硅氧化物(POLO)结构是在晶硅表面依次生长一层极薄的界面氧化层与多晶硅层所形成的钝化接触结构。基于POLO结构的钝化接触技术不仅能够获得优异的表面钝化特性,而且避免了金属与晶硅表面的直接接触,极大地降低了金属与晶硅表面的接触复合。目前应用POLO钝化接触结构制作的小面积晶硅太阳能电池转换效率高达26.1%,制作的大面积晶硅太阳能电池产业化效率已经超过24.5%。同时POLO钝化接触技术应用于晶硅电池的制作可以承受高温工艺,兼容现有的晶硅电池产业化设备,是未来极具产业化潜力的钝化接触技术方案。本文主要综述了POLO钝化接触结构中载流子的传输机理及相应的量化参数表征方法;对比了POLO结构制备中界面氧化层生长、多晶硅层的沉积、掺杂及氢化处理的方法;总结了多晶硅层的寄生吸收效应、晶硅表面形貌结构、掺杂浓度分布对POLO结构钝化接触特性的影响;简述了POLO钝化接触技术的研究进展及当前POLO电池制作面临的技术难点。     

Evaluation of Grain Surface Area in Heavily Arsenic-doped Polysilicon

A kinetic model based on thermodynamical concepts has been investigated to determine the grain size and its surface area in heavily arsenic-doped polysilicon for various arsenic concentrations, annealing times and annealing temperatures. Computer simulation technique has been used to determine the grain boundary self-diffusion of silicon atoms. The numerical analysis of our results shows that the grain surface area increases with annealing time and annealing temperature, but decreases with arsenic concentration. Our theoretical predictions have been compared with the available experimental results.     

LPCVD法制备TOPCon太阳能电池工艺研究

本文主要对低压化学气相沉积(LPCVD)法制备N型高效晶硅隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)电池工艺进行研究。分析LPCVD法制备隧穿氧化层及多晶硅层的影响因素,研究了不同氧化层厚度、多晶硅厚度及多晶硅层中P掺杂量对太阳能电池转换效率的影响。结果表明：当隧穿氧化层厚度在1.55 nm时,钝化效果最佳;多晶硅层厚度120 nm时V_oc达到最高值;多晶硅层厚度在90 nm时E_ff最高。当P掺杂量为3.0×10¹⁵ cm^-2时可获得较高的V_oc,原因是随着P掺杂量的增加,多晶硅层场钝化效果提高。     

流态化多晶硅化学气相沉积过程的数值模拟

利用基于欧拉-欧拉两相流模型,建立硅烷热分解的均相和非均相反应模型,模拟了二维流态化的多晶硅化学气相沉积过程,以及硅烷、硅烯和硅沉积速率在反应器中的分布规律.模拟结果表明多晶硅的沉积主要发生在流化床中的密相区及气泡的周围,浓度相对较小的硅烯非均相反应对多晶硅沉积的贡献约为硅烷的10;.分析了硅烷入口浓度和反应温度对硅沉积速率及转化率的影响,模拟的硅沉积速率与文献中的实验数据做了比较.     

HVPE生长室气流分布模拟及GaCl载气流量对GaN单晶生长的影响

采用计算流体力学软件Fluent对HVPE反应室进行了数值模拟,研究了GaCl载气流量对HVPE反应室气流分布的影响,发现GaCl载气流量是影响GaCl和NH3在衬底上均匀分布的重要因素.采用HVPE方法在不同GaCl载气流量下生长GaN单晶,研究了GaCl载气流量对GaN单晶质量的影响,得到了与模拟一致的结果.     

氯硅烷残液水解制备二氧化硅团聚的机理研究

多晶硅生成工艺中的副产物氯硅烷残液,具有腐蚀性强、产量大等特点.采用多晶硅副产物氯硅烷残液为原料进行水解反应生成二氧化硅.研究了以不同水解方式在不同水解体系中引入位阻剂及该位阻剂的时效性对二氧化硅团聚的影响以及机理研究.结果表明:气-液反应的水解方式产出的二氧化硅呈现颗粒状具有颗粒特性;水解体系中引入位阻剂后产物二氧化硅分散性好,颗粒均匀、粒径大小在2 μm左右;并且证实了位阻剂的位阻作用具有时效性.     

多孔硅形成机理的逆结晶学模型

本文概述了多孔硅形成机理和现有模型.通过观察和分析多晶多孔硅化学腐蚀机理提出了一个新模型:多孔硅形成机理的逆结晶学模型.这个模型指出多晶多孔硅均匀形貌具有自选择性,而此自选择性受结晶学原理控制.此模型的提出对研究晶体生长有用.