等离子提纯和电磁冷坩埚定向凝固太阳能级硅过程与硅锭质量相关性

This project researches on the processing of plasma purifying and electromagnetic cold crucible directionally solidifying solar grade silicon ingot, the quality of the silicon ingot, photovoltaic performance and the relationships of them. The silicon was purified with plasma furnace by controlling the ratio of the mixing gases, the melting time and the melting temperature. Effects of the technical parameters on the purifying of silicon can be obtained, the mechanism of plasma purifying can be revealed. Different silicon ingots will be prepared under different experimental parameters, such as the solidification velocity, the superheat degree, the temperature gradient. The melting mechanism, the forming and the characteristic of the melt meniscus will be studied systematically. The temperature field, the stress field and the flow field during the process of electromagnetic cold crucible directional solidification will be measured and calculated. The theory of controlling the solid/liquid interface in the crystal growth will be investigated. The thermodynamics and the dynamics of the silicon crystal growth will be analyzed. The distribution of the impurities and purifying mechanism, the forming of crystal defects and measures to eliminate defects will be found. The relationships between the plasma purifying and cold crucible directional solidification will be concluded. The effects of the processing on the electric resistivity, minority carrier lifetime and solar cell conversion efficiency will be studied and revealed.

本项目研究等离子体提纯和冷坩埚定向凝固制备硅锭的工艺过程、硅锭质量和光伏性能，以及它们的相关性。通过控制混合气体比例、熔炼时间和熔炼温度等参数，利用等离子熔炼炉提纯多晶硅，得到这些工艺参数对硅提纯的影响规律，揭示等离子精炼脱杂机理。通过改变凝固速度、过热度、温度梯度等实验参数，制备不同的硅锭，系统研究电磁冷坩埚定向凝固硅锭时的熔化机理、熔体驼峰形成和特征；研究冷坩埚定向凝固硅的温度场、应力场和流场。研究硅锭中晶体生长过程中结晶界面控制原理；硅锭中晶体生长的热力学条件和动力学分析，液相流动对硅晶体生长的影响模型；研究生长硅锭过程中杂质分布规律和提纯原理，硅锭的晶体缺陷形成原理与控制，温度场与应力场与晶体缺陷的关系。等离子提纯效果与冷坩埚定向凝固效果的相关性。工艺过程对硅锭的电阻率、少子寿命和硅太阳电池转换率的影响机理。

冷坩埚连续熔铸技术由于其生产率高、对熔体无或少污染、无坩埚损耗及所得铸锭组织性能比较均匀等优点，而逐渐被用于太阳能电池用多晶硅铸锭的制备中。. 本研究中建立电磁冷坩埚的3D物理模型并验证，对实验中难以准确测量的冷坩埚内的电磁场、温度场和应力场的数值模拟计算，考察应力与多晶硅硅锭表面裂纹之间的关系，对工艺参数进行优化，并进行冷坩埚定向凝固多晶硅实验进行验证。结果表明，随着电流的增加和频率的降低，坩埚内的磁感应强度也不断的增大，满载情况下物料上的磁感应强度主要集中在感应线圈高度的坩埚开缝处并向坩埚壁衰减。. 研究了保温时间、加热功率、抽拉速度、等不同的工艺参数对坩埚内流场的大小和分布的影响，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。.计算了熔体上冷却热应力的分布情况，并对不同的冷却速率下的定向凝固进行分析。随着冷却速度的增加，硅锭表面的应力差越大，应力集中越明显，其应变数值也越大。. 进行了冶金级硅的高能束熔炼并对提纯试样进行X射线荧光光谱分析，结果表明高能束熔炼对多晶硅内的杂质元素Fe、Al、Mg的有较为明显的去除效果，随着时间的增加，提纯效果得到提升，相同熔炼时间下对试样进行翻转可以进一步提高其提纯效果，而增加电流可以提高提纯的效果但影响较为微弱。.对制备得到的铸锭进行电学性能测试，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。.