480kg铸锭工艺的研究
2012-08-08 16:33:527140
摘要：目前GT铸锭炉使用的是878mm×878mm×420mm坩埚和450kg的铸锭工艺。在装料的质量上由于坩埚尺寸原因而受到限制，同时由于铸锭工艺的原因导致生产出来的晶锭晶粒偏小，进而影响多晶硅片的转换效率。本文论述了通过采用定制的加高坩埚和全新的铸锭工艺来生产480kg晶锭，不仅增加了硅料的投炉质量，而且增大了晶锭中晶粒的尺寸，提高了多晶硅片的转换效率。通过对480kg与450kg铸锭工艺生产的晶锭数据进行对比后发现，前者的铸锭工艺要明显优于后者。
关键词：坩埚；铸锭工艺；晶粒；热场；温度梯度
0引言
GTSolar公司目前配制的多晶铸锭炉工艺额定投炉质量为450kg，而且由于各种原因实际投炉的质量大都在430kg左右，这样铸锭炉的效率就没有得到充分发挥，从而无形中增加了多晶铸锭的成本。在光伏行业逐渐成熟的今天，如何提高设备的利用率和产品的性能是未来发展的趋势。正是基于这种思路和经过我们不断探索与实践，在同行业中首次使用全新的工艺在GT铸锭炉上铸锭出480kg的晶锭，480kg铸锭工艺成功地运用，不仅解决了多晶铸锭炉在投炉质量上的限制，而且提高铸锭效率和后序电池片的转换效率。
1铸锭设施改造与工艺创新
1.1铸锭设施的改造
经过对不同质量晶锭的有效利用率和brick头、尾部分截断长度的大量数据统计后发现，晶锭有效利用率随着投炉硅料质量的增加而增大，而brick头、尾部分截断长度并未随着投炉硅料质量的增加而改变。由此可以得出，通过增加硅料的投炉质量来提高晶锭的有效利用率。而且目前GTSolar铸锭炉使用的是878mm×878mm×420mm坩埚，如图1所示，在硅料的投炉质量上就受到限制。基于以上2点，可以根据所需要投炉硅料的质量以及石墨护板的高度计算出坩埚实际的高度为480mm，在878mm×878mm×420mm的基础上增了60mm，具体尺寸为878mm×878mm×480mm如图1所示，这样就可以很好地解决硅料投炉质量的限制。
1.2铸锭工艺的创新
硅的定压比热容为715J/（kg·K），投炉硅料质量的增加必然会导致加热和熔化所需要的热量的增加。经过计算，430kg和480kg硅料完全熔化，理论上需要的热量分别为706.5kJ、788.7kJ，增加的50kg硅料完全熔化需要多提供82.2kJ的热量。硅料在GT铸锭炉内是一个缓慢熔化的过程，相应电源功率也是随着温度的上升而逐渐增加。当430kg硅料熔化至第7~8步时，电源功率能达到最大值85%左右，如果增加硅料质量而不增加其熔化时间，结果将导致加热功率不断上升以及铸锭炉出现最高功率报警。从多晶铸锭工艺步骤中可以发现，当硅料完全熔化后并不是马上进入长晶阶段，而是进入过渡的3个步骤，其目的是利用硅液的自然对流让整个硅液的上下温度均匀，使硅液中的杂质更加均匀地分布。硅液的增加必然会导致自然对流的强度变弱，上下温差变大，硅液中杂质分布也相应存在差异。通过以上分析与计算，在原有450kg铸锭工艺的基础上增加加热第3步、第4步，熔化第6步、第7步、第11步的时间，如表1所示。
在熔化阶段GT铸锭炉内部的隔热笼是全关闭的，形成一个封闭的空间，在熔化的最后阶段硅液的上下温度比较均匀。而在长晶阶段隔热笼又缓慢地往上提，硅液中的热量通过DS-Block辐射至下炉体，这样在铸锭炉内形成一个方向指向坩埚顶部的温度梯度，同样晶锭内部也会形成这样一个温度梯度，如图2所示。
当硅液温度低于1414℃时，晶体便开始生长，随着隔热笼的提升，晶体便沿着坩埚底部垂直向上生长。随着晶体不断生长，晶锭的高度也在不断增加，从传热学的角度考虑传热热阻如公式1：
R=1/h+δ/λ（1）
h—对流传热系数；
δ—导热物质的厚度，mm；
λ—导热系数。
从公式（1）中可以看出，在h和λ不变的情况下，传热热阻只与导热物质的厚度有关。480kg和430kg晶锭的理论高度分别为29.2cm、26.2cm，这样在高度上前者要比后者高3cm。再从长晶工艺来看，长晶的最后3步隔热笼是不动的，而是利用降低控温温度来提供长晶驱动力，主要是利用导热方式在晶锭内部形成一个竖直向上的温度梯度。晶锭中的热量主要利用导热的方式传给DS-Block，从上面的分析中可以得出，晶锭高度的增加必然会导致导热热阻的增大。由于热阻的增大阻碍了热量的传递，相应的晶锭中温度降低就变慢，长晶的驱动力也变小，这样必然会延长长晶的时间。所以通过以上分析与计算，在原有450kg铸锭工艺的基础上增加长晶第4步、第5步、第7步的时间，并增大隔热笼在第5步、第6步、第7步的提升距离。450kg晶锭铸锭工艺与480kg铸锭工艺对比如表2所示。
2工艺实施效果
此工艺已经得到全面推广与应用，通过对铸锭出来晶锭的各项数据进行收集与分析，得出480kg铸锭工艺明显优于450kg铸锭工艺，而且晶锭中晶粒尺寸普遍变大，分别如表2、图3所示。从表2中的数据可以发现，由于投炉硅料质量的增加，480kg晶锭比430kg晶锭有效利用率高3%。虽然480kg晶锭铸锭时间比430kg多4.5h，但是从每月有效切片总质量来看480kg晶锭比430kg晶锭多289.8kg。图3中2张硅片的对比照片就体现了480kg铸锭工艺明显优于450kg铸锭工艺，480kg铸锭工艺由于在熔化和长晶阶段各参数设置得合理，长出来的晶粒普遍大。这样可以极大地减少晶锭中晶粒与晶粒之间的晶界数量，从而降低氧、碳等杂质在晶界处沉积的可能性。
3结论
通过对480kg和450kg铸锭工艺生产晶锭的数据对比与分析，以及铸锭成本的核算，可以得出以下结论：
1.878mm×878mm×480mm坩埚增加每炉硅料的投炉质量，提高晶锭的有效利用率和铸锭炉的铸锭效率，节约铸锭与切片成本。
2.采用创新480kg铸锭工艺进行铸锭，增大晶锭中晶粒的尺寸，提高多晶硅片的转换效率。
3.此工艺的成功运用与推广给多晶铸锭朝着大质量、高转换效率方向发展提供了强有力的依据。
参考文献
1杨德仁.太阳能电池材料.北京：化学工业出版社，2006，10
2杨世铭，陶文铨.传热学.第4版.北京：高等教育出版社，2006，8
3陈圣贤.陶瓷坩埚在多晶硅材料提纯和铸锭中的应用.SOLAR ENERGY. 2008.2
4BeiWu, Nathan Stoddard. Bulk multicrystalline silicon growth for photo voltaic (PV) application Journal of Crystal Growth310 (2008) 2178~2184
关键词：坩埚；铸锭工艺；晶粒；热场；温度梯度
0引言
GTSolar公司目前配制的多晶铸锭炉工艺额定投炉质量为450kg，而且由于各种原因实际投炉的质量大都在430kg左右，这样铸锭炉的效率就没有得到充分发挥，从而无形中增加了多晶铸锭的成本。在光伏行业逐渐成熟的今天，如何提高设备的利用率和产品的性能是未来发展的趋势。正是基于这种思路和经过我们不断探索与实践，在同行业中首次使用全新的工艺在GT铸锭炉上铸锭出480kg的晶锭，480kg铸锭工艺成功地运用，不仅解决了多晶铸锭炉在投炉质量上的限制，而且提高铸锭效率和后序电池片的转换效率。
1铸锭设施改造与工艺创新
1.1铸锭设施的改造
经过对不同质量晶锭的有效利用率和brick头、尾部分截断长度的大量数据统计后发现，晶锭有效利用率随着投炉硅料质量的增加而增大，而brick头、尾部分截断长度并未随着投炉硅料质量的增加而改变。由此可以得出，通过增加硅料的投炉质量来提高晶锭的有效利用率。而且目前GTSolar铸锭炉使用的是878mm×878mm×420mm坩埚，如图1所示，在硅料的投炉质量上就受到限制。基于以上2点，可以根据所需要投炉硅料的质量以及石墨护板的高度计算出坩埚实际的高度为480mm，在878mm×878mm×420mm的基础上增了60mm，具体尺寸为878mm×878mm×480mm如图1所示，这样就可以很好地解决硅料投炉质量的限制。
1.2铸锭工艺的创新
硅的定压比热容为715J/（kg·K），投炉硅料质量的增加必然会导致加热和熔化所需要的热量的增加。经过计算，430kg和480kg硅料完全熔化，理论上需要的热量分别为706.5kJ、788.7kJ，增加的50kg硅料完全熔化需要多提供82.2kJ的热量。硅料在GT铸锭炉内是一个缓慢熔化的过程，相应电源功率也是随着温度的上升而逐渐增加。当430kg硅料熔化至第7~8步时，电源功率能达到最大值85%左右，如果增加硅料质量而不增加其熔化时间，结果将导致加热功率不断上升以及铸锭炉出现最高功率报警。从多晶铸锭工艺步骤中可以发现，当硅料完全熔化后并不是马上进入长晶阶段，而是进入过渡的3个步骤，其目的是利用硅液的自然对流让整个硅液的上下温度均匀，使硅液中的杂质更加均匀地分布。硅液的增加必然会导致自然对流的强度变弱，上下温差变大，硅液中杂质分布也相应存在差异。通过以上分析与计算，在原有450kg铸锭工艺的基础上增加加热第3步、第4步，熔化第6步、第7步、第11步的时间，如表1所示。
在熔化阶段GT铸锭炉内部的隔热笼是全关闭的，形成一个封闭的空间，在熔化的最后阶段硅液的上下温度比较均匀。而在长晶阶段隔热笼又缓慢地往上提，硅液中的热量通过DS-Block辐射至下炉体，这样在铸锭炉内形成一个方向指向坩埚顶部的温度梯度，同样晶锭内部也会形成这样一个温度梯度，如图2所示。
当硅液温度低于1414℃时，晶体便开始生长，随着隔热笼的提升，晶体便沿着坩埚底部垂直向上生长。随着晶体不断生长，晶锭的高度也在不断增加，从传热学的角度考虑传热热阻如公式1：
R=1/h+δ/λ（1）
h—对流传热系数；
δ—导热物质的厚度，mm；
λ—导热系数。
从公式（1）中可以看出，在h和λ不变的情况下，传热热阻只与导热物质的厚度有关。480kg和430kg晶锭的理论高度分别为29.2cm、26.2cm，这样在高度上前者要比后者高3cm。再从长晶工艺来看，长晶的最后3步隔热笼是不动的，而是利用降低控温温度来提供长晶驱动力，主要是利用导热方式在晶锭内部形成一个竖直向上的温度梯度。晶锭中的热量主要利用导热的方式传给DS-Block，从上面的分析中可以得出，晶锭高度的增加必然会导致导热热阻的增大。由于热阻的增大阻碍了热量的传递，相应的晶锭中温度降低就变慢，长晶的驱动力也变小，这样必然会延长长晶的时间。所以通过以上分析与计算，在原有450kg铸锭工艺的基础上增加长晶第4步、第5步、第7步的时间，并增大隔热笼在第5步、第6步、第7步的提升距离。450kg晶锭铸锭工艺与480kg铸锭工艺对比如表2所示。
2工艺实施效果
此工艺已经得到全面推广与应用，通过对铸锭出来晶锭的各项数据进行收集与分析，得出480kg铸锭工艺明显优于450kg铸锭工艺，而且晶锭中晶粒尺寸普遍变大，分别如表2、图3所示。从表2中的数据可以发现，由于投炉硅料质量的增加，480kg晶锭比430kg晶锭有效利用率高3%。虽然480kg晶锭铸锭时间比430kg多4.5h，但是从每月有效切片总质量来看480kg晶锭比430kg晶锭多289.8kg。图3中2张硅片的对比照片就体现了480kg铸锭工艺明显优于450kg铸锭工艺，480kg铸锭工艺由于在熔化和长晶阶段各参数设置得合理，长出来的晶粒普遍大。这样可以极大地减少晶锭中晶粒与晶粒之间的晶界数量，从而降低氧、碳等杂质在晶界处沉积的可能性。
3结论
通过对480kg和450kg铸锭工艺生产晶锭的数据对比与分析，以及铸锭成本的核算，可以得出以下结论：
1.878mm×878mm×480mm坩埚增加每炉硅料的投炉质量，提高晶锭的有效利用率和铸锭炉的铸锭效率，节约铸锭与切片成本。
2.采用创新480kg铸锭工艺进行铸锭，增大晶锭中晶粒的尺寸，提高多晶硅片的转换效率。
3.此工艺的成功运用与推广给多晶铸锭朝着大质量、高转换效率方向发展提供了强有力的依据。
参考文献
1杨德仁.太阳能电池材料.北京：化学工业出版社，2006，10
2杨世铭，陶文铨.传热学.第4版.北京：高等教育出版社，2006，8
3陈圣贤.陶瓷坩埚在多晶硅材料提纯和铸锭中的应用.SOLAR ENERGY. 2008.2
4BeiWu, Nathan Stoddard. Bulk multicrystalline silicon growth for photo voltaic (PV) application Journal of Crystal Growth310 (2008) 2178~2184
11
请点击发布您的观点,参与互动
评论
