多晶硅鑄錠爐中加熱器結構對硅錠中雜質分布的影響分析

孟慶超 王子謙 潘明翠 夏新中 劉磊

英利能源（中國）有限公司 河北 保定 071000

1 研究背景與內容

以定向凝固方法鑄造的多晶硅錠是晶硅太陽能電池的主要基材之一，與用直拉法生產的單晶硅相比，具有生產成本低的優勢。研究硅錠中的雜質分布規律并對其進行優化，不但能夠進一步降低多晶硅錠的生產成本，還能夠提高多晶硅的晶體品質。

本文在研究過程中使用了CGSim模擬軟件，針對工業用多晶硅鑄錠爐進行計算機仿真模擬，研究不同加熱器結構及位置下的固液界面形狀和熔體流動模式及其對硅錠中雜質分布的影響，并通過優化加熱器結構、位置并在晶體生長階段匹配合適的溫度控制來減少硅錠中的雜質損失。

2 研究結果與討論

2.1 鑄錠爐型與模擬軟件簡述

本文在研究過程中使用的鑄錠爐型為JJL500N及其改造爐型。對于原JJL500N爐型，加熱器位于熱場頂部，為棒狀結構；散熱窗口位于熱交換臺下方，為百葉窗結構，四片百葉可旋轉向下打開，最大旋轉角度為90°，百葉窗下方設有水冷銅盤。改造爐型是在JJL500N的基礎上進行了優化，加熱器結構改為蛇形，并增加了側部加熱器，散熱系統的結構和位置均保持不變。下文將用鑄錠爐JJL01代指原JJL500N鑄錠爐，用JJL02代指優化后的鑄錠爐。

本文使用的計算機模擬軟件為CGSim，為了提高計算效率，將三維鑄錠爐結構進行了軸對稱簡化，實施二維全局計算，并將模擬結果與實際鑄錠過程進行對比和校準，提高模擬的準確性。模擬過程中耦合求解了導熱、對流和輻射等各種換熱現象，以此為基礎，對JJL01和JJL02中的鑄錠過程進行數值模擬[1-2]。

2.2 加熱器結構和位置對固液界面形狀和熔體流動模式的影響

模擬結果和運行記錄顯示，JJL01和JJL02中的固液界面形狀和熔體流動模式具有很大差異。

在硅料熔化后期，JJL01和JJL02的固液界面雖然都是凸形，但JJL02的界面凸度明顯大于JJL01，整體化料速率也明顯加快。即，增加側部加熱器后，坩堝側壁接受的熱量輻射明顯增加，坩堝邊部位置和中心位置的硅料熔化速率有了明顯差異。與JJL01相比，JJL02中的硅料熔化時間明顯縮短，從坩堝側壁和坩堝底部擴散進入硅熔體的雜質含量也有所降低。

在晶體生長階段，模擬結果顯示，在保持散熱系統結構不變、硅錠中心位置的晶體生長速率沒有太大變化的前提下，將加熱器由頂部的棒狀加熱器變更為頂、側都有的蛇形加熱器之后，長晶界面前沿的熔體流動方向發生了變化。JJL01中，長晶界面前沿的熔體流動方向是自硅錠邊部位置流向硅錠中心位置，JJL02與之相反。此外，JJL01中，晶體生長前期，硅錠邊部靠近坩堝位置的熔體流速較快，硅錠中心位置的熔體流速較慢。JJL02中，整個長晶界面前沿的熔體流速分布較為均勻。

JJL01和JJL02的長晶界面形狀也有明顯不同。JJL01鑄錠爐中，加熱器位于坩堝正上方，坩堝外圍的可移動隔熱擋板具有減少坩堝側部熱量損失的作用。此外，長晶階段可旋轉向下打開，生長中、后期可開至90°的百葉以及位于百葉正下方的水冷銅盤能夠最大程度的保證散熱方向的垂直性。因此，JJL01在晶體生長過程中能夠獲得整體較平的長晶界面形狀——界面中心略微凸起，邊部位置有飛角，界面中心高度與最低點高度的差值在20mm以內。JJL02鑄錠爐中，坩堝外圍的擋板被側部加熱器取代，側部加熱器的存在能夠有效抑制坩堝側壁過冷形核，并降低硅錠邊部位置的晶體生長速率。因此，JJL02中的長晶界面整體較凸，其邊部位置的飛角高度明顯低于JJL01，界面差為30mm左右。

2.3 熔體流動方向和長晶界面形狀對硅錠中雜質分布的影響

跟蹤大量實驗錠發現，JJL01和JJL02所鑄硅錠在雜質分布方面有著截然不同的規律。JJL01易在中心硅塊的中下部產生大量雜質損失；JJL02則更傾向于在邊部硅塊的頂部位置出現點狀雜質，與JJL01相比，整錠雜質損失明顯降低。

結合前文的模擬結果分析認為，對于JJL01，由于晶體生長階段的固液界面形狀較為平坦，界面前沿的熔體流動方向是自坩堝側壁流向硅錠中心位置，不但不能及時帶走結晶時分凝到熔體中的雜質，還會對坩堝側壁形成沖刷作用，將從坩堝側壁擴散進入熔體的雜質帶到中心界面前沿，導致中心位置的雜質濃度升高，從而令雜質在硅錠中心位置聚積。

JJL02中，長晶界面前沿的熔體流動方向與JJL01相反，是從硅錠中心位置流向坩堝側壁，能夠快速帶走中心界面前沿分凝的雜質。此外，JJL02中的長晶界面形狀相對較凸，也有利于雜質向硅錠邊部分凝。但相對的，晶體生長末期，熔體最后凝固的位置，即邊部硅塊的頂部較易出現雜質損失。針對這種情況，使用高純硅料、高純坩堝和提高坩堝涂層質量可以有效提高硅錠利用率。

3 結束語

多晶硅定向凝固鑄錠爐中的加熱器結構和加熱器位置會直接影響鑄錠過程中的熔體流動模式和固液界面形狀，從而影響多晶硅錠中的雜質分布規律。以本文所述兩種鑄錠爐為例，加熱器為棒狀并位于熱場頂部時，更易于獲得平坦的長晶界面，同時熔體流動方向不利于雜質向外分凝，硅錠中下部易出現雜質聚集；加熱器為蛇形并位于熱場頂部和側部時，長晶界面相對較凸，且界面前沿的熔體流動方向發生了改變，雜質傾向于出現在邊部硅塊的頂部位置，整錠雜質損失明顯降低。