大晶粒太阳能级多晶硅的冷坩埚定向凝固及性能研究

【摘要】：多晶硅中的晶界，特别是受到金属元素污染后，会大幅度降低多晶硅的性能，所以应尽可能增大铸锭中晶粒的尺寸。本论文运用数值模拟软件研究了坩埚内流场的大小和分布，结合模拟的结果采用保温法和籽晶法来制备大晶粒的多晶硅铸锭。分析了晶体长大的机理，对其性能进行了测试并分析了晶粒大小对其电学性能的影响。 模拟结果表明，随着电流大小和频率的增加，坩埚内的流速大小不断变大，当频率达到50kHz后，再增大其频率，对其流速的变化较小。硅熔体在熔池内呈交错回旋循环流动，熔池的上下层呈现两套环流。在熔体的底部也就是固液界面处，其流速普遍较慢，但是也存在一个较小的强流区。该区域的流速大小会对晶体的长大造成较大的影响。 控制保温时间，制备出大晶粒的多晶硅铸锭。对铸锭进行分析，发现随着保温时间的延长，晶粒逐渐增大，当保温时间为35min时，铸锭的平均晶粒可以达到5mm。使用扫描电镜对试样进行观察，发现在保温5min的试样中存在大量尺寸为2μm左右的白色小颗粒，由能谱分析可知其主要含有Si和Fe元素。随着保温时间增加，白色小颗粒的数量明显减少，到达35min时，几乎不存在这种颗粒。可能随着保温时间的增加，导致硅原料中的高熔点杂质熔化，减少了非均匀形核的质点，有利于晶粒的长大。 最后采用在底部加载籽晶的方法来制备大晶粒多晶硅铸锭。由于底部采用石墨来启熔，籽晶容易被熔化，需要在底托和籽晶之间采取隔热措施。对铸锭的电学性能进行测试，发现晶粒大小对其有较大影响，晶粒越大，电阻率也越大，少数载流子的寿命也越高。 【关键词】：多晶硅 定向凝固 冷坩埚 晶体生长
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O78;O613.72
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-25
• 1.1 课题来源及研究目的及意义9-10
• 1.2 太阳能级多晶硅的制备10-18
• 1.2.1 传统方法制备多晶硅10-12
• 1.2.2 制备太阳能级多晶硅的新型工艺12-14
• 1.2.3 铸造多晶硅锭的制备技术14-18
• 1.3 太阳能级多晶硅的晶体生长18-22
• 1.3.1 晶体生长的热力学条件18
• 1.3.2 晶体生长的动力学原理18-20
• 1.3.3 多晶硅晶体生长过程20
• 1.3.4 多晶硅生长的影响因素20-21
• 1.3.5 大晶粒多晶硅中晶界的影响21-22
• 1.4 电磁冷坩埚技术及其应用22-23
• 1.4.1 电磁冷坩埚的工作原理22
• 1.4.2 电磁冷坩埚的应用22-23
• 1.5 本文主要研究内容23-25
• 第2章 实验材料及方法25-30
• 2.1 研究方案和技术路线25
• 2.2 实验材料25-26
• 2.3 实验设备26-27
• 2.4 测试分析设备27-30
• 第3章 电磁冷坩埚熔铸多晶硅流场的数值模拟30-43
• 3.1 前言30
• 3.2 冷坩埚模型的建立30-33
• 3.2.1 数学模型的建立30-31
• 3.2.2 坩埚三维造型及简化31-32
• 3.2.3 材料物性参数的设定及网格的划分32-33
• 3.3 冷坩埚定向凝固驼峰内电磁力分布规律33-37
• 3.3.1 不同电流大小对驼峰内的电磁力的影响规律33-36
• 3.3.2 不同频率大小对驼峰内的电磁力的影响规律36-37
• 3.4 冷坩埚定向凝固驼峰内流场的分布规律37-42
• 3.4.1 不同电流下驼峰内流场的分布规律37-39
• 3.4.2 不同频率下驼峰内流场的分布规律39-41
• 3.4.3 不同工艺参数下固液界面处流场的流动情况41-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第4章 保温法制备大晶粒太阳能级多晶硅43-58
• 4.1 前言43
• 4.2 多晶硅铸锭的制备43-53
• 4.2.1 硅料的起熔43-44
• 4.2.2 实验的工艺参数44
• 4.2.3 多晶硅铸锭分析44-46
• 4.2.4 宏观组织分析46-49
• 4.2.5 微观组织分析49-53
• 4.3 晶界对多晶硅性能的影响53-55
• 4.4 保温法晶体长大机理55-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第5章 籽晶法制备大晶粒太阳能级多晶硅58-74
• 5.1 前言58
• 5.2 籽晶法实验58-61
• 5.2.1 多晶硅原料的选择58
• 5.2.2 石墨底托的设计58-59
• 5.2.3 籽晶的选择59-61
• 5.2.4 实验参数设定61
• 5.3 籽晶的熔融61-67
• 5.3.1 石墨导热对籽晶熔融的影响61-62
• 5.3.2 石墨毡对籽晶熔融的影响62-64
• 5.3.3 籽晶处的导热分析64-67
• 5.4 宏观组织分析67-69
• 5.5 电学性能分析69-72
• 5.5.1 电阻率69-71
• 5.5.2 少数载流子寿命71-72
• 5.6 本章小结72-74
• 结论74-75
• 参考文献75-81
• 致谢81

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