石英坩埚表面涂层对铸造多晶硅生长中杂质传输的影响

图3 Fig． 3
石英坩埚表面涂层示意图 Si3 N4 coating on quartz crucible
0． 5 mm， 1 mm 和 5 mm 四种 计算中坩埚表面 Si3 N4 涂层分两种情况： （ 1 ） 设置坩埚涂层厚度为 0． 2 mm， 情况。渗透率不变， 设为 0． 0125 。（ 2 ） 设置涂层厚度都为 0． 5 mm， 涂层的渗透系数分别为 0． 0125 和 0． 05 。
Table 1
Species Distribution coefficient Diffusion coefficient /10 -8 m2 ·s － 1 Initial contamination in melt / atom·cm － 3 Solubility contamination / atom·cm － 3
compared with the numerical simulation and the experiment
铸锭法中熔体流动主要为自然对流 ， 密度采用 boussinesq 近似。经计算熔体的格拉晓夫数约为 1． 279 × 10 11 ， 熔体已经达到充分湍流。采用 CGSim 软件中的 algebraic 算法计算熔体流动情况。 假设熔体与坩埚接 触面无速度滑移， 流固界面采用标准壁面方程。氩气进口流速设置为 0． 6 m / s， 炉内压力 100 Pa。 计算得马 3 ［18 ］ 氩气设为不可压缩的理想气体。模拟中守恒控制方程见文献 。 赫数小于 3 × 10 ，
第 42 卷 第 10 期 2013 年 10 月
人
工
晶
体
学
报
JOUＲNAL OF SYNTHETIC CＲYSTALS
Vol． 42 No． 10 October， 2013
石英坩埚表面涂层对铸造多晶硅 生长中杂质传输的影响
季尚司， 左 然， 苏文佳， 韩江山
（ 江苏大学能源与动力工程学院， 镇江 212013 ）
3
3． 1
计算结果与分析
坩埚涂层厚度对晶体生长中杂质传输的影响 21 ］ ， 模拟设置晶体生长 30 h。参照文献［ 非稳态计算时采用热电偶对顶部加热器的测温点 （ TP1 ） 的温 度进行控制， 热电偶的位置见图 1 ， 热电偶的温度随时间的变化曲线如图 4 （ a ） ， 隔热笼的侧壁随着生长向上 提升高度随时间的变化如图 4 （ b） 。 提升，
17 3 图 5 为不同坩埚涂层厚度下， 生长 30 h 后晶体中 O 浓度的分布， 浓度单位为 10 atom / cm 。 可以明显 发现， 坩埚涂层越厚， 晶体中的 O 浓度越低。 当涂层厚 1 mm 时， 晶体中的 O 浓度约为涂层厚度为 0． 2 mm
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时的 1 /30 。 16 3 图 6 为生长 10 h 后， 溶体中氧浓度的分布情况， 浓度单位为 10 atom / cm 。由图可见， 坩埚涂层厚度对 氧进入熔体的影响很大， 坩埚涂层越厚， 生长中 O 浓度越低。氧浓度在涂层厚为 1 mm 的生长中比涂层厚度 为 0． 2 mm 时降低了约 30 多倍。可见氧在晶体生长过程中主要是通过石英坩埚壁引入的 。
［16 ］
2
计算模型
文章基于工业常用的 GT 炉型进行数值模拟， 炉型结构如图 1 。炉子的规格： 坩埚尺寸 908 mm × 908 mm × 420 mm， 铸锭尺寸 880 mm × 880 mm × 245 mm， 铸锭质量 380 kg。 实验数据表明硅锭的生长速率约为 1 cm / h， 熔体的温度梯度 2 ～ 4 K / cm。计算中杂质组分参数见表 1 。图 2 为 CGSim 软件用于组分传输和化学 ［17 ］ 反应模拟得出的结果与实验数据的比较 ， 表明 CGSim 软件能准确的模拟定向凝固过程中炉内杂质的传 输和化学反应过程。
图5 Fig． 5
O 在晶体中的浓度分布 长晶 30 h 后，
（ a） 涂层厚度 0． 2 mm； （ b） 涂层厚度 0． 5 mm； （ c） 涂层厚度 1 mm； （ d） 涂层厚度 5 mm Oxygen distribution in crystal after 30 h growth （ a） coating thickness is 0． 2 mm； （ b） coating thickness is 0． 5 mm； （ c） coating thickness is 1 mm； （ d） coating thickness is 5 mm
1
引Biblioteka Baidu
言
铸造法生长多晶硅是制造太阳电池的主要方法 。因其产量大， 电池效率略低于单晶硅电池， 近年来对该
［1 ］ ［24 ］ ［5 ， 6 ］ ， 方法做了大量的研究和改进 。出现了准单晶 大晶粒 等改进方案。 但这些改进主要是减少了硅片 影响太阳电池的效率的重要因素之一是硅片中过高的杂质浓度 。 中晶界的数量和位错密度。在很大程度上，
Effect of Crucible Surface Coating on Transport of Asgrown Impurity in Multicrystalline Silicon
JI Shangsi，ZUO Ｒan，SU Wenjia，HAN Jiangshan
（ School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013 ，China） （ Ｒeceived 16 April 2013 ）
部区域。Gao 等 采用数值模拟方法研究了不同顶盖材料对铸锭中杂质传输的影响 。 结果表明当顶盖采 用 C 材料时， 熔体中的 C 相比没有顶盖时降低 10 倍； 而当顶盖材料使用钨材料时， 熔体中的 C 杂质可以降 C杂 对工业生产中铸锭炉内杂质传输及分布 ， 特别是生长过程中坩埚涂层物性对 O， 低 1000 倍。至今为止， 质传输及分布的研究仍很少。 本文针对石英坩埚涂层厚度及涂层渗透系数进行研究和分析 。 借助晶体生长数值模拟软件 CGSim 对 具有不同厚度和渗透系数的石英坩埚的铸锭生长过程进行非稳态模拟 。采用组分传输和化学反应模型， 模 C 的输运现象及氩气中 SiO 和 CO 的分布情况。 拟了生长过程中 O、
模拟过程中界面采用一种特殊的算法 ， 即界面形状修正算法。随着生长的继续， 界面不断推向熔体。在 结晶界面处的溶质守恒和能量守恒方程为 ： C i T cry T m － λm = ρvL ρv（ 1 － K i ） = D λs x i n n
第 10 期
季尚司等： 石英坩埚表面涂层对铸造多晶硅生长中杂质传输的影响
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式中， ρ 为熔体的密度； v 为晶体的生长速率； K i 为组分 i 的平衡分凝系数； D 为组分 i 在熔体中的扩散系数； c i 为组分 i 的浓度。λ s 为晶体的导热系数； λ m 为熔体的 导热系数； T m / n 为熔体中的温度梯度； T cry / n 为 晶体中的温度梯度； L 为硅晶体的潜热。 氩气进口处设置各组分的浓度为 0 。 C 在熔体中 的分凝系数为 0． 07 ， 熔体中的 C 主要由 Ar 气从自由 表面携带的 SiO 与加热器等石墨部件反应生成 CO， 然 ［20 ］ 后重新进入熔体 （ 图 3 ） 。
表 1 计算中用到的相关参数 Physical parameters of the materials used in calculation
Oxygen 1． 25 4． 1 0 2． 2 × 10 18 Carbon 0． 07 3． 5 5． 98 × 10 17 4 × 10 18
［18 ， 19 ］
Abstract： High impurity concentration in the ingot casting is one of the main factors that have influence on polysilicon solar cell efficiency． The coating thickness and permeability effect on the oxygen and carbon transport in casting process was studied by numerical simulation． The results were large coating thickness and small permeability can reduce the oxygen and carbon in the crystal． Key words： casting progress； impurity transmission； Si3 N4 coating； numerical simulation
等人测量了近坩埚壁区域的氧浓度 ， 结果发现 O 浓度在接近坩埚壁处有所增
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［15 ］ 加， 且通过坩埚涂层进入到熔体中。Liu 等 采用数值模拟方法分析了生长速率对 C 在铸锭生长中分布的 SiC 颗粒聚集在中心的顶部； 当生长速率慢时， SiC 颗粒主要分布在边缘的顶 影响， 研究表明生长速率快时，
图4
（ a） 热电偶（ 模型中的坐标位置为（ 556 ， 338 ） ） 温度随时间的变化； （ b） 隔热笼提升高度随时间的变化 Fig． 4 （ a） Temperature of thermocouple（ location in model is （ 556 ， 338 ） ） changed with time； （ b） side insulator position changed with time
如 O 会在太阳电池中形成热施主并造成光致衰减 SiC 颗粒
［8 ， 9 ］
［7 ］
。 C 的浓度超过其在硅熔体中的极限溶解度就会生成
， 增大了电池的电阻率并降低开路电压。 基于上述原因， 须对铸锭多晶硅中杂质的浓度进行严
格控制。 11 ］ Teng 等［10， ， Gao 等［12］和 Mechida 等［13］， 采用模拟和实验的方法， 研究了氩气流速和炉压大小， 如何影 响晶体中 O 的含量。Matsuo
图1 Fig． 1
二维铸锭炉结构简图（ 右） 及 网格划分图（ 左）
图2 Fig． 2
轴向晶体中 C 在杂质的数值模拟分布与实验的比较
［ 17 ］
C concentration in the ingot along the axial direction
2D geometry of DSS and calculate grid
图6 Fig． 6
O 在熔体的浓度分布 长晶 10 h 后，
（ a） 涂层厚度 0． 2 mm； （ b） 涂层厚度 0． 5 mm； （ c） 涂层厚度 1 mm； （ d） 涂层厚度 5 mm Oxygen distribution in melt after 10 h growth （ a） coating thickness is 0． 2 mm； （ b） coating thickness is 0． 5 mm； （ c） coating thickness is 1 mm； （ d） coating thickness is 5 mm
0416 收稿日期： 2013基金项目： 国家自然科学基金青年基金（ 51206069 ） ； 江苏省自然基金青年基金（ BK2012295 ） ）， mail： yawenhuaz06@ 163． com 作者简介： 季尚司（ 1986男， 安徽省人， 硕士研究生。E通讯作者： 左 mail： rzuo@ ujs． edu． cn 然， 教授， 博士生导师。E［14 ］
摘要： 铸锭中过高的杂质浓度是影响铸造多晶硅太阳电池效率的主要因素之一 。 本文通过数值模拟的手段研究了 C 杂质的影响， 不同的表面涂层厚度和涂层渗透率对生长过程中 O， 研究表明涂层厚度能够很明显的降低晶体中 O， C 的含量。同时涂层的渗透系数越小， O， C 杂质在晶体中的分布含量越低 。 关键词： 铸造多晶硅； 杂质传输； Si3 N4 涂层； 数值模拟 中图分类号： O731 文献标识码： A 985X（ 2013 ） 10217706 文章编号： 1000-