太阳能硅有籽晶定向凝固过程中保存籽晶的控制

作者：Qinghu Yu、Lijun Liu、Lei Sun，Xi'an Jiaotong University；Genxiang Zhong、Xinming Huang，Donghai JA Solar Technology Co., Ltd.

由于其制造成本低、较易操作、产量高和原料允差较宽，定向凝固（DS）是太阳能电池用多晶硅（mc-Si）生产的主要方法。DS方法的优越性使得mc-Si的光伏（PV）市场份额稳步扩张。但是，由于mc-Si的结构缺陷（如晶界和高密度位错），mc-Si制造的太阳能电池在光电转换效率方面受到限制。为了克服mc-Si的缺点，提出用有籽晶DS技术生产低缺陷密度的准单晶硅。在此技术中，用单晶硅籽晶把熔体与坩埚底部隔离，能避免在坩埚底部形成小尺寸晶粒。由此，原料熔融过程中必须很好地保存籽晶。为了很好地保存籽晶，要求二个条件：(a) 在硅范围内有足够大的温度梯度；(b) 尽可能平坦或稍凸的籽晶/熔体界面。稍凸的界面有利于随后块晶体生长，因为它促进晶粒向外生长，增大晶粒尺寸。得到这二个条件的直接方法是修改置于加热器下的隔热环的形状和位置。因此，研究在籽晶保存阶段，隔热环几何结构对硅范围内籽晶/熔体界面和温度梯度的影响是至关重要的。

有关优化晶体生长过程已进行了许多研究。采用瞬态3D数值模型，Delannoy等人研究过ECM炉内二种不同直径支架对凝固硅锭中热梯度和生长速率的影响。Miyazawa等人用DS过程中的2D/3D混合模型进行计算，研究坩埚形状、尺寸和材料性质对界面形状的影响。Wang等人和Ma等人比较了有和没有隔热的生长系统间的等温形状和能耗。但是，很少有研究者针对隔热环几何结构对有籽晶DS系统内籽晶保存的影响。
本研究中，考虑熔体对流、氩气流动、固体热传导和热辐射，以及相变后，为工业用硅锭有籽晶DS过程建立了一个全局模型。在此模型的基础上，我们用数值方法研究隔热环几何结构不同时，籽晶保存阶段期间硅范围内的籽晶/熔体界面形状和温度梯度。结果对优化工业硅锭有籽晶DS过程中保存籽晶的热区设计有重要参考价值。

模型描述

图1是生长用于太阳能电池的准单晶硅锭的籽晶工业化DS系统的结构和计算网格的示意图。生长系统的组成是：硅区（籽晶和熔体），气体区，加热器，坩埚，基座，热交换台，隔热装置和炉壁。为了提高计算效率，采用结构化/非结构化混合网格方案。整个炉内的全部范围细分为一些块区，每一区用结构化或非结构化网格离散化。结构化网格应用于具有规则几何边界的块区，而非结构化网格应用于气体流动区，那里的几何边界非常不规则。而且进一步完善靠近坩埚壁的网格和气体区中的网格。

为了计算方便而又有可接受的折中精度，做出如下的主要假设：(a) 炉结构的几何形状是轴对称的，(b) 系统是准稳定状态，(c) 辐射热传递模拟为漫-灰表面辐射，(d) 熔体流是不可压缩的层流，(e) 熔体密度随温度变化用博欣内斯克近似（Boussinesq approximation ）考虑，(f) 炉腔内氩气是理想气体且全透明的。模拟所有固体和液体表面间辐射热传递的方法，熔体对流和固体热传导的控制方程及边界条件在有关文献中已有说明。气流的控制方程和边界条件也在文献中描述了。在目前的模拟中，炉压为0.6 bar；腔室外壁温度为300 K；氩气流速为30L/min。

结果与讨论

本文研究了4种情况，它们的隔热环（图1中标号是8）几何构成不同。如图1所示，有隔热环的初始结构成定义为Case 1；修改后没有隔热环的结构定义为Case 2；相关于Case 1减少a的修改结构定义为Case 3；相关于Case 1增加h的修改结构定义为Case 4（即，隔热环置于承受器底部下面）。在籽晶保存阶段，底部绝热是固定的，热区完全封闭。坩埚底部的位置参照为零。4种情况中，调整加热功率确保籽晶高度在规定高度（即，中心位置处的籽晶高度约为10mm）。

假定熔点1685K等温线是籽晶/熔体界面。图2(a)显示4种情况下籽晶/熔体界面的偏移。4种情况的界面彼此大不相同。Case 1的界面完全凹向晶体，靠近坩埚侧壁处非常陡。Case 2的界面在中心区凸出，靠近坩埚侧壁处凹进。Case 3的界面偏移几乎与Case 1相同，不过靠近坩埚侧壁的界面不太凹。Case 4的界面是完全凸向熔体，与Case 1比较，偏移的绝对值比较小。结果证明，隔热环几何形状的修改能有效改变籽晶/熔体界面的形状。

在硅区内，大部分热量通过籽晶/熔体界面从熔体顶部传递到籽晶底部，这就建立了给DS提供合适条件的垂直温度梯度。同时，也有经硅区侧壁进入或出去的热流密度。图2(b)显示通过坩埚侧壁的热流密度。图2(b)中显示的热流密度负值代表经侧壁出去的热流密度。很明显，Case 1、2、3中，热流密度经上部侧壁流入硅区，经下部侧壁从硅区流出，而在Case 4中，热流密度经整个侧壁流入硅区。由于热流密度的方向几乎与界面垂直，热流密度的分布引起籽晶/熔体界面变形。Case 1、2、3中，硅区侧壁附近籽晶/熔体界面处的热流密度向外倾斜，而在Case 4中它向内倾斜。所以，Case 1、2、3中侧壁附近的界面是凹进的，而在Case 4中它是凸出的。（见图2(a)）。进而，因为通过硅区侧壁的热流密度绝对值足够大，中心区附近籽晶/熔体界面的变形趋势与Case 1、3和4中的侧壁附近一样。但是，在Case 2中通过侧壁的热流密度绝对值小。因此，靠近中心区的界面变形趋势与靠近侧壁的不同。此外，Case 1中靠近籽晶/熔体界面通过侧壁的热流密度绝对值大于Case 3和4。故Case 1的偏移大于Case 3和4。

图2(b)所示的通过硅区侧壁的热流密度主要由通过承受器(susceptor)外侧壁的热流密度决定。承受器外侧壁主要与加热器交换热量，通过热辐射隔离。图2(c)给出通过承受器外侧壁的热流密度。图2(c)中显示的热流密度负值代表经承受器外侧壁出去的热流密度。在Case 1和3中热流密度经上部外侧壁流入承受器，经下部外侧壁流出承受器，而在Case 2和4中热流密度经整个外侧壁流入承受器。原因是，在Case 1和3中隔热环阻挡了从加热器到承受器下部外侧壁的辐射。因为相对于Case 1，Case 3中距离a减少，隔热环的阻挡作用减弱，因而Case 3通过外侧壁的热流密度比Case 1小。所有情况下（Case 1除外），通过承受器外侧壁的热流密度方向与通过硅区侧壁的方向是一致的（见图2(b)和2(c)）。这是因为在Case 1值中，通过承受器外侧壁进入的热流密度不能补偿下部侧壁附近通过承受器和坩埚侧壁向下传导的热流密度，这需要补充经硅区侧壁出去的热流密度。

足够大的垂直温度梯度有利于籽晶保存的控制。我们采用沿硅区中心线垂直方向上的温度剖面研究硅区内的温度梯度。图2(d)显示沿硅区中心线垂直方向上的温度剖面研究硅区内的温度梯度。Case 1的垂直温度梯度 比Case 2的大得多。这表明，隔热环有助于形成大的温度梯度以保存籽晶。很容易解释这一点，因为在绝热体和承受器间垂直方向的热辐射通道被隔热环阻挡了。大部分热量就通过硅向下传递。与Case1比较，在Case 3中h增加或Case 4中a减少时，前面提到的通道的热阻弱化。经硅区向下的热流密度减少。因而，硅区轴向温度梯度减小。尽管如此，与Case1比较， Case3或Case4中垂直温度梯度的减少是小的。这些结果解释，适当的修改隔热环几何形状能有效地改变温度梯度。

结论

建立了研究工业用硅锭有籽晶DS中籽晶保存的2D轴对称全局模型。根据此模型，研究了隔热环几何结构对硅区内籽晶/熔体界面和温度梯度的影响。结果揭示，修改隔热环的几何形状能有效地改变籽晶/熔体界面形状。隔热环有利于形成大的温度梯度。而且，适当修改隔热环的几何形状能有效地改变温度梯度。因此，我们能适当地修改隔热环的几何结构，以得到平坦或稍凸的籽晶/熔体界面及合适的温度梯度，这些有利于籽晶保存。