多晶硅铸锭定向凝固过程中的氧碳杂质耦合输运机理及控制

多晶硅片通常有较高的氧、碳杂质含量，是导致多晶硅太阳电池比单晶硅电池效率低的重要原因，而多晶硅片中的氧、碳杂质含量取决于多晶硅铸锭制备过程中存在的氧、碳杂质源特性，以及氧、碳杂质在炉腔和硅熔体内部的输运特性。本项目针对大尺寸方形多晶硅铸锭的定向凝固过程，建立氧、碳杂质在炉腔和硅熔体内的耦合输运模型，采取理论分析、数值模拟和实验研究相结合的研究手段，研究整个多晶硅铸锭制备系统在铸锭凝固过程中氧、碳杂质的来源、去向和输运途径，以及其影响因素和影响机理。在杂质来源方面，研究凝固炉各组件材质对氧、碳杂质生成和消耗的作用机制；在杂质输运途径方面，研究凝固炉的热场结构设计和工艺参数对炉腔内氩气流动和坩埚内硅熔体流动的影响规律，从而阐明各影响因素对氧、碳杂质在炉腔和硅熔体内部的输运过程的影响机制；提出有效控制铸锭内氧、碳杂质含量及其分布的技术方案，为多晶硅定向凝固过程的设计、优化和控制提供理论指导依据。

太阳能光伏发电是颇具发展前景的能源利用方式。定向凝固法生长的多晶硅铸锭是主要的太阳能电池材料，但多晶硅铸锭中通常含有较高浓度的氧、碳杂质，是导致太阳能电池效率下降的重要原因。本项目以工业用大尺寸多晶硅铸锭定向凝固炉内部氧、碳杂质的产生、消耗及输运过程为切入点，全面深入研究了氧、碳杂质的污染源特性，以及其在硅熔体和炉腔内部的输运特性。.在杂质来源方面，实验研究了硅原料、石英坩埚以及铸锭炉内部含碳组件对氧、碳杂质生成和消耗的影响机制，明确了多晶硅铸锭内部氧、碳杂质的主要来源。研究结果表明，多晶硅铸锭过程中硅原料中的杂质成分及含量不是铸锭内部最终杂质含量的主要影响因素；铸锭内部氧杂质主要来源为高温环境下与硅熔体直接接触的石英坩埚，碳杂质主要来源为高温条件下炉腔内部石墨组件表面的氧化反应。基于上述研究，阐明了铸锭炉内部氧、碳杂质的输运途径及其在高温环境下的耦合反应过程。..在杂质输运方面，针对多晶硅铸锭定向凝固全过程，开发了包含铸锭炉内部所有传热传质模式和热化学反应流动的定向凝固全过程热场分析模型和氧、碳杂质耦合输运模型；深入研究了铸锭工艺、热场结构与材质等因素对坩埚内部硅熔体流动及炉腔内部氩气流动的影响规律，进而阐明了各因素对氧、碳杂质在硅熔体和炉腔内部输运过程的影响机制。研究结果表明，铸锭过程中通过配置加热器功率、改进铸锭工艺、布置局部隔热块、使用坩埚盖板等操作，可以有效控制硅熔体流动、温度分布及固液凝固界面形状，能够获得微凸的凝固界面以利于氧、碳杂质的控制；通过调节氩气流量及炉腔压力、设计坩埚盖板的形状位置与材质，可以有效控制氧、碳杂质的生成、消耗及输运过程。.该项目研究揭示了多晶硅铸锭过程中氧、碳杂质的输运机理，提出有效控制铸锭内部氧、碳含量的技术方案，为多晶硅定向凝固过程的设计、优化和控制提供了理论依据。项目组与英利、晶澳等光伏龙头企业开展合作研究，将研究成果应用于工业化生产过程中。通过铸锭炉局部结构设计及工艺参数控制，分别获得了氧含量降低50%、碳含量降低70%的高纯多晶硅铸锭，以及整锭平均效率高达17.8%（效率提高1.2%）的450公斤高效单晶硅铸锭和整锭平均效率高达17.59%（得率提高8.8%）的600公斤高效多晶硅铸锭。结合相关研究，共发表学术论文75篇（被SCI检索22篇、被EI检索22篇），申请专利、软件著作权5项，培养从事相关工作的研究生18名。