分析定向凝固多晶硅中细晶的产生

xianfenglee

直至当前，多晶硅材料仍然凭借其高性价比占据着世界光伏市场的主体地位。多晶硅的晶粒大小及组织形态与电池性能有着密切联系，粗大均一的晶粒有利于得到高质量的硅片，从而提高电池转化率。但是，在利用定向凝固法生长多晶硅锭时，晶锭的中心区域常常发现晶粒尺寸小于1mm2的细晶区域，其电学性能较差。如何避免细晶的产生，获得粗大均匀的结晶组织一直是生产多晶硅晶体追求的目标。多晶硅的晶粒形貌和尺寸，很大程度上取决于铸锭炉的热场结构和工艺过程。可借助于数值仿真技术，对铸锭多晶硅的结晶过程进行了仿真分析和实验。并通过对结晶界面形状、界面前沿的温度梯度、结晶速度、界面前沿熔体的流速等参数的比较，分析了多晶硅晶锭结晶过程中产生细晶的原因，并对如何避免细晶的产生提出了建议。

铸锭多晶硅是目前最主要的光伏材料，其结晶组织的形貌对太阳能电池的转换效率有着显著的影响。粗大均一的晶粒有利于得到高质量的硅片，从而提高电池转化效率。而在多晶硅锭的中心区域经常发现晶粒尺寸小于1mm2的细晶，其电学性能较差，影响该部分硅片的质量。利用计算机仿真技术和实验测量，结合组分过冷理论，对细晶形成机理和影响因素进行了探讨。研究表明，提高结晶界面前沿熔体的温度梯度与结晶速度的比值G/V、增强界面前沿熔体的对流强度，并维持较为平坦的结晶界面，有利于避免细晶的产生。

采用计算机仿真技术对两种不同的热场结构进行了仿真分析，并进行了实验。对于多晶硅铸锭中心部分区域产生细晶的现象，从结晶界面前沿的温度梯度与结晶速度比值G/V、熔体的径向对流强度以及结晶界面的形状等因素进行了分析可知：

1)对同一种热场结构，随着结晶过程的进行，G/V值在结晶初期略有降低后逐渐增大，产生细晶的可能性逐渐降低。对于不同的热场结构，是否产生细晶以及细晶含量的多少不能单独通过比较G/V的值来判定。

晶锭中心处结晶界面前沿熔体的径向对流强度较弱，使得该处溶质边界层较厚，是导致细晶出现在该处的主要原因。强化结晶界面前沿熔体的径向对流强度，有利于减少该处的边界层厚度，降低产生细晶的可能性。

相比较上凸的结晶界面，平坦的结晶界面，有利于抑制细晶的产生。