多晶硅鑄錠過程中的籽晶熔化控制

張運鋒+孟慶超+劉磊+夏新中+張任遠+張莉沫

摘要：對本文所述太陽能電池用多晶硅鑄錠爐型中的熔化段固液界面形狀進行數值模擬和實驗分析，研究熱場結構及化料溫度對籽晶保存效果的影響。研究結果表明，通過在熔化后期提前打開百葉進行散熱并對百葉開度和化料溫度進行合理控制，能夠有效降低熔化后期的化料速率并獲得相對較為平坦的籽晶熔化界面形狀，從而在工業生產過程中提高成功保晶的概率并增加籽晶保存面積。

【關鍵詞】太陽能電池用多晶硅錠 籽晶 數值模擬 界面形狀

以定向凝固法鑄造的多晶硅錠是太陽能電池的主要原材料之一，近年來業內主要采用鑄造小品粒硅錠的方式來改善多晶硅的晶體品質并提高相應的電池效率。小品粒硅錠即為晶粒尺寸較小且均勻度較高的多晶硅錠，相應的多晶硅片性能也較為均勻。此外，晶界具有吸雜和阻礙位錯滑移的作用，因此小品粒硅錠在晶體生長過程中能夠避免單個晶粒內的缺陷向外蔓延，并通過晶粒問的競爭生長作用淘汰部分位錯密度較高的晶粒。獲得小品粒硅錠的主要方法之一為有籽晶鑄錠，即在坩堝底部鋪設碎硅料作為籽晶，并調整熔化段工藝參數以保證籽品不完全熔化，以此為基底生長小品粒硅錠。顯而易見，盡可能地增加籽晶保存而積是這種鑄錠方法的關鍵。針對上述情況，本文以某種工業用多晶硅鑄錠爐為主要研究對象，采用CGSim模擬軟件對硅料熔化后期的固液界而形狀進行數值模擬，研究散熱系統的結構及化料溫度對籽晶保存效果的影響，以此指導大規模工業生產過程中的鑄錠工藝優化。

1 數值模型

圖1所示為本文所述多晶硅鑄錠爐的結構簡圖。這種鑄錠爐型的加熱器位于坩堝頂部與側部，散熱系統由可向下旋轉打開的百葉及其下方的水冷銅盤構成，百葉開度可在鑄錠工藝中進行設定。為了節省計算資源、減少計算時問，本文對三維鑄錠爐結構進行軸對稱簡化，實施二維全局計算。

2 結果分析與討論

2.1 百葉開度對籽晶熔化過程的影響

通常情況下，硅料熔化階段隔熱籠是全封閉的，但對于有籽晶鑄錠，閉籠化料會導致后期熔化速率過快甚至出現漂料現象，不利于籽晶保存，因此本文模擬了在熔化段后期開百葉化料的過程，并對比了相同化料溫度下不同的百葉開度對后期熔化界而形狀的影響。由模擬結果可知，在化料后期打開百葉能夠將化料速率控制在19mm/h左右，籽晶熔化界而最高點與最低點差值約為35mm。此外，在化料溫度均為1510℃的前提下，百葉開度為200時界而差值高于百葉開度為250時的界而差值。

百葉開度為20°時，坩堝底而的溫度整體高于百葉開度為25°時的情況，但坩堝底而中心位置與邊緣位置的溫差小于后者，即溫度分布更為均勻。這種現象與散熱系統的結構有較大關系，百葉旋轉向下打開后，熱交換臺與百葉下方的水冷銅盤進行輻射換熱以達到散熱的目的，顯而易見，散熱量同時受百葉開度與百葉上方的窗口尺寸影響。百葉打開后，隨著開度的增加，坩堝底部中心位置的溫度迅速降低，邊部區域則受到底部隔熱籠的遮擋，散熱量明顯低于中心區域，導致坩堝底部邊緣位置的溫度下降范圍有限。百葉開度越大、百葉窗尺寸越小，邊部區域與中心區域散熱量的差異就越明顯。因此，在一定范圍內適當減小百葉開度可以令熱交換臺底部及坩堝底部的溫度分布更為均勻。

2.2 熔化段后期化料溫度與百葉開度的匹配

由2.1節可知，在化料溫度設定值相同的前提下，百葉開度為20°時對應的熔化界而差高于百葉開度為25°時的情況，但前者對應的加熱器功率低，且坩堝底部溫度分布更為均勻，因此我們選用20°作為熔化后期的百葉開度，并降低化料溫度與之匹配。由模擬結果可知，用較低的化料溫度匹配20°的百葉開度的確能夠起到降低籽晶熔化界而凸度的作用，并能將熔化后期的化料速率降至15mm/h左右。此外，當籽晶剩余高度為20mm左右時，雖然緊鄰坩堝側壁的籽晶已經化完，但所占比例很小，籽晶剩余而積完全符合生產要求。

2.3 實驗結果

為了驗證模擬結果并確定最佳工藝參數，本文選定某臺鑄錠爐使用同種坩堝進行鑄錠實驗。將位于實驗錠左上角的九塊硅塊去底并將底料拼接拍照以觀察籽晶保存效果，結果顯示，低化料溫度匹配小百葉開度的工藝方案對應的后期化料速率適中、穩定，籽晶剩余而積也最大，僅有角部硅塊Al對應位置的籽晶熔化較多。

3 結論

通常情況下，在多晶硅鑄錠過程中硅料熔化階段的隔熱籠是封閉的，但對于有籽晶鑄錠，在熔化后期開籠化料有利于快速降低硅料的熔化速率，通過調整隔熱籠開度和化料溫度能夠有效的調平籽晶熔化界而。以本文所述鑄錠爐型為例，將化料溫度降至1500℃以下并配合較小的百葉開度能夠將熔化段后期的化料速率控制在15mm/h左右，籽晶熔化界而差低于30mm，實際籽晶高度為20mm左右即可獲得較大的籽晶剩余而積，有利于在工業生產過程中維持較低的硅錠紅區高度并增加有籽晶鑄錠的保晶而積。

參考文獻

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