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石墨材料在铸锭多晶硅制造中的应用
发布时间:2018-09-16        浏览次数:11        返回列表
 2007年在全球半导体产业低速增长的情况下,中国的半导体产业持续发展,比2006年增长了20.8%,随着各国对可再生能源的重视,以及太阳能电池转换效率不断提高,产品成本不断下降,太阳能电池产量快速增长。自2000年以来光伏市场的发展超过了工业历史上的任何一次飞跃。2007年全球太阳能电池产量达到4000MW,较2006年增长了56%,中国2007年太阳能电池产量达到1088MW,同比增长148%,市场占有率由2006年的17%提升到27%。光伏发电的前景已经被越来越多的国家和金融界认识,多晶硅材料不仅用于半导体集成电路单晶硅的生产,同时还大量用于光伏太阳能电池产业,特别是用多晶硅生产的单晶硅制造的太阳能电池片其转化效率高﹙13%-18%﹚。

  硅太阳能电池所用的单晶硅片,主要来自两种工艺渠道生产、供应的。一类是通过直拉单晶硅,生产出单晶硅棒,经切割等制成晶圆。另外一类是以多晶硅为原料,通过铸锭方法制成铸锭多晶硅块,再利用线切割机加工制成晶圆。

  在太阳能电池制造的工艺流程中,可以看出,多晶硅铸锭是整个光伏产业链中的一个非常重要的基础工序。利用铸造技术制备硅多晶体,称为铸造多晶硅或铸锭多晶硅﹙multicrystalline silicon,mc-Si﹚。铸造多晶硅虽然含有大量的晶粒、晶界、位错和杂质,但由于省去了高费用的晶体拉制过程,所以相对成本较低,而且能耗也较低,在国际上得到了广泛应用。

  与直拉单晶硅相比,铸造多晶硅的主要优势是:

  ①材料利用率高、能耗小、制备成本低,而且其晶体生长简便,易于大尺寸生长;

  ②可直接得到方锭,与拉制单晶圆棒相比,在切割制备硅片的过程中比较省料,提高了硅料的利用率,且方形较圆形易于提高电池模块的包装密度。但是,其缺点是含有晶界、高密度的位错、微缺陷和相对较高的杂质浓度,其晶体的质量明显低于单晶硅,从而降低了太阳能电池的光电转换效率。

  目前,太阳能用于多晶硅片主要采用铸造多晶硅,多晶片的制作工艺是一个铸造过程,在这个过程中,熔化的硅被倾倒到一个模子里并且被定型,然后它被切成薄片。因为多晶片是通过模铸被制作出来的,由于铸造过程的晶体结构上的不完整,铸造多晶硅太阳能电池的效率低于单晶硅电池,但是由于生产工艺简单,所以他们能够更加便宜的被生产,具有广阔的市场前景。

  早在1975年,德国的瓦克﹙Wacker﹚公司在国际上首先利用浇铸法制备多晶硅材料﹙SILSO﹚制造太阳能电池。几乎同时,其他研究小组也提出了不同的铸造工艺来制各多晶硅材料如美国Solarex公司的结晶法、美国晶体系统公司的热交换法、日本电气公司和大阪钛公司的模具释放铸锭法等。以此为开端,铸造多晶硅产品走入人们的视线。

  自从铸造多晶硅发明以后,技术不断改进,质量不断提高,应用也不断广泛。在材料制备方面,平面固液界面技术和氮化硅涂层技术等技术的应用、材料尺寸的不断加大;在电池方面,SiN减反射层技术、氢钝化技术、吸杂技术的开发和应用,使得铸造多晶硅材料的电学性能有了明显改善,其太阳能电池的光电转换效率也得到了迅速提高,实验室中的效率从1976年的12.5%提高到21世纪初的19.8%。近年来更达到20.3%。而在实际生产中的铸造多晶硅太阳能电池效率也已达到15%-16%左右。

  由于铸造多晶硅的优势,包括中国在内的世界各主要太阳能生产国都在努力发展其工业规模。自20世纪90年代以来,国际上新建的太阳能电池和材料的生产线大部分是铸造多晶硅生产线,并且随着产业规模和技术的提升,更多的铸造多晶硅材料和电池生产线投入应用。目前,铸造多晶硅已占太阳能电池材料的55%以上,称为最主要的太阳能电池材料。