定向凝固多晶硅锭中微细晶粒区形成机理的研究

Directional solidification technique is currently the most important method for the fabrication of solar-grade multicrystalline silicon (mc-Si) ingots. Minicrystallized regions are present from time to time in the directionally solidified mc-Si ingots, and the grain size in these regions is much smaller than the grains in the normal regions. Presence of such minicrystallized regions can seriously degrade the photovoltaic performance of mc-Si solar cells. Therefore, such regions must be recycled and this results in higher power consumption and production cost.In the earlier years, constitutional supercooling was believed to be the cause for such minicrystallized regions. However, the constitutional supercooling cannot properly explain the characteristics of the minicrystallized regions present in the mc-Si ingots. Based on our prior research work on minicrystallized regions, we propose several mechanisms for the formation of such regions in mc-Si ingots. A series of solidification experiments will be conducted to test these mechanisms. This work should be of practical significance for the industrial production of mc-Si ingots, and also be beneficial to the cost reduction of solar-grade mc-Si.

定向凝固技术是制备太阳能多晶硅锭的主要方法。在定向凝固过程中，多晶硅锭内时常会有微细晶粒区的形成，微细晶粒区的晶粒尺寸明显低于正常区域中的晶粒。这种微细晶粒区使多晶硅太阳电池的光伏性能显著下降，在产业界，多晶硅锭中微细晶粒区出现的部分通常只能回收再用，从而导致较高的能耗和成本。早期文献认为成份过冷是微细晶粒区的形成机理，但这与近年来所得到的实验结果完全不一致，多晶硅锭中微细晶粒区的形成机理仍然是一个实际生产中的科学难题。近年来，课题组联合本省多晶硅加工企业对这种微细晶粒区的特征进行了前期研究，我们在本项目中将以此为基础对这种微细晶粒区的形成机理开展系统研究，我们首先提出几种形成机理，然后通过一系列的定向凝固实验来探索和验证各种形成机理。本项目的研究结果将对太阳能多晶硅锭定向凝固技术的进一步完善和提高有重要的实际意义，有助于进一步降低太阳能多晶硅的加工能耗和成本。

太阳电池级多晶硅定向凝固过程中时有微细晶粒区出现，微细晶粒区的晶粒尺寸大多低于1 mm，显著小于正常区域的晶粒尺寸。微细晶粒区的出现导致多晶硅太阳电池的光伏性能大幅度下降，通常只能回收再用，导致能耗和成本的增加。本项目以探究多晶硅锭中微细晶粒区的形成机理为研究目标，与省内多晶硅生产企业合作开展了系统的研究工作，已开展的研究工作以及获得的研究结果如下：（1）研究了多晶硅铸锭过程中的长晶速度对微细晶粒区形成与否的关联性，通过采用不同的长晶速度进行铸锭实验，结果表明当长晶速度超过一定值的时候会导致微细晶粒区的形成，通过控制长晶速度在适当低的范围可以避免微细晶粒区的形成。合作企业基于该实验结果已能完全避免在铸锭过程中出现微细晶粒区，产生了较好的经济和社会效益。（2）模拟计算了不同长晶速度下铸锭炉内的温度场分布、固液界面形态特征和固液界面附近的液体硅中的温度梯度分布，结果表明，长晶速度升高时液体硅中的温度梯度会迅速增大，而且固液界面附近局部区域的液体硅具有最大的温度梯度，从而使该区域的过冷度快速增大，导致该区域的液体硅在多晶硅表面（或固液界面处）发生非均匀成核，形成微细晶粒区。微细晶粒区的这种形成机理合理地解释了多晶硅锭中微细晶粒区出现在局部区域的现象。（3）研究了微细晶粒区的位错分布特征，位错分布很不均匀，同时也有大量的位错团簇存在，这些位错团簇可能是导致其光伏性能大幅度下降的主要原因之一。（4）比较了微细晶粒区和与其紧邻的正常区域的杂质组成，发现两个区域的杂质含量基本一致，这间接支持了前面阐述的微细晶粒区的形成机理。