摘要：  伴随着太阳能电池业的迅猛发展，成本较低且适合于大规模生产的多晶硅已成为最主要的光伏材料之一，并逐步取代传统直拉单晶硅在太阳能电池材料市场当中的主导地位。当前，在整个太阳能电池材料市场中，晶体硅片以超过90%的比例占据着绝对优势，其中多晶硅片超过60%;而以近5年新增部分来看，多晶硅片超过80%，且这个趋势还在发展中。

关键字：  绿色能源，  单晶硅，  光伏材料

能源和环境是当今世界广泛关注的两大问题，太阳能作为一种可再生的绿色能源自然成为人们开发和研究的焦点。自1954年美国贝尔实验室成功研制出第一块单晶硅太阳能电池以来，经过全球科技和产业界的不懈努力，太阳能电池技术和产业得到了巨大发展。

伴随着太阳能电池业的迅猛发展，成本较低且适合于大规模生产的多晶硅已成为最主要的光伏材料之一，并逐步取代传统直拉单晶硅在太阳能电池材料市场当中的主导地位。当前，在整个太阳能电池材料市场中，晶体硅片以超过90%的比例占据着绝对优势，其中多晶硅片超过60%;而以近5年新增部分来看，多晶硅片超过80%，且这个趋势还在发展中。

目前，定向凝固是制备太阳能级多晶硅锭的主要方法，即在凝固过程中控制液固界面的温度梯度，实行可控的定向凝固，形成多晶柱状晶。早期应用较为广泛的多晶硅锭生产技术为浇铸法，后渐有其它技术，包括热交换法(HEM)、定向凝固法(DSS)和电磁铸造法(EMC，冷坩埚连续铸造)等。这些方法各有优势，在生产中的应用情况也不尽相同。虽然其中的许多技术已经很成熟，但关于生产工艺的改进及探索研究仍在进行，促进着多晶硅产业的不断发展。以下简单介绍和评述各种硅锭生长技术。

1主要生产技术

1.1浇铸法

浇铸法的特点是硅料的熔化和凝固分别在2个不同的坩埚中进行，如图1所示。

硅料在预熔区熔化后，倒入另一个加有保温装置的生长区。通过控制生长区坩埚周围的加热装置，使硅液在设定的温度梯度下由底部开始逐渐结晶。这种方法由于将熔化与结晶区分开，使能量的利用更合理，也使半连续性铸锭成为现实，但浇铸法生产的硅锭相对较小且质量不如后述几种方法制备的硅锭，目前在实际生产中已逐渐被其他方法所取代。

1.2定向凝固系统法和热交换法

定向凝固实际上是本文介绍的所有方法的基本特征过程。这里定向凝固系统法特指目前普遍采用的GTSolar所提供的定向凝固系统法(Directionalsolidificationsystem，DSS)炉晶体生长技术。它起始于美国CrystalSystems用于生长单晶蓝宝石(Sapphire)的热交换法(Heatexchangemethod，HEM)。用于生长单晶蓝宝石的HEM由F.Schmid发明，示意如图2。它的长晶特点是通过氦气冷却坩埚的中心底部，保持籽晶不被熔化，并在长晶过程中带走热量，控制单晶不断地生长。F.Schmid和C.P.Khattak等试用这种方法(HEM)生长太阳能单晶硅，结果长出来的晶体有相当一部分是多晶;而用这部分多晶体制成的电池效率与单晶硅片相差不多，因而他们放弃长单晶的努力，干脆用HEM技术生长多晶硅锭。这一长晶专利转让给了当时的GTEquipmentTechnologies(即后来的GTSolar)。在第一批商业应用的HEM炉子中，氦气冷却被更简单的下降整个坩埚和移动绝热体所代替。

图3是GTSolar的DSS炉剖面图。定向凝固法的主要工艺包括加热、熔化、凝固长晶、退火、冷却等。在加热和熔化过程中，绝热体是封闭的。长晶时将四周绝热体提升，在坩埚下面开出一个传热的口子，使硅液从底部开始冷却，实现由下往上的定向凝固。DSS生长技术可生长大的多晶硅锭，因而产出量高。另外该工艺控制相对单晶生长简单，生产成本低。该技术可生产大的方形多晶硅片，降低了下游电池加工的成本。

近几年市场上还出现了另外一种定向生长炉，它与DSS方法很相似，不同的是这种方法的冷却凝固是通过底部隔热板旋转，产生可调节大小的开口，从而达到不同的辐射散热来控制凝固速度。

1.3电磁铸锭法

电磁铸锭法(EMC)于1985年被引入太阳能多晶硅锭的制备，之后又有研究者利用此法得到了较大尺寸的硅锭，有的地方也将其称为EMCP(Electromagneticcontinuouspulling)方法，其装置如图4所示。

电磁铸锭法采用电磁感应加热熔化高纯硅料，容器为水冷铜坩埚，利用电磁力保持硅熔体的位置，避免熔体与坩埚壁接触，能有效防止坩埚对熔体的污染，在连续铸造时控制热流方向可以实现定向凝固。用EMC方法得到的多晶硅杂质含量明显降低，而且硅料的熔化与凝固过程连续进行，可以缩短生产周期，大大提高生产效率，在工业生产中应有很好的发展前景。但是EMC法制得的硅锭一般含有较高的位错密度，而且晶粒尺寸较小，使其各项性能受到影响，与其他方法制得的多晶硅相比，所得电池能量转换效率较低。近几年，人们围绕着EMC方法进行了大量研究，在日法等国也已开始应用到了实际生产当中。

2研究与进展

太阳能多晶硅锭生产技术发展的两个主要方向分别是增大硅锭尺寸和提高生长速率。这是降低生产成本、提高产品质量、缩短生产周期、降低能耗的有效途径。但是，大尺寸将增加热场控制的难度，高生长速率会直接影响到硅锭的品质，特别是增加应力及晶体缺陷的形成几率，降低硅片的电学性能，因此在保证硅片质量的同时提高硅锭生长速率和增大硅锭尺寸是业界不断面临的挑战。在这一领域尚不存在技术发展成熟和饱和的问题。20世纪末国际上报道的最大硅锭为180kg，2002年迅速发展到240kg，2003年时则达到300kg，在2004年底，应用DeutscheSolarAG公司设计的炉子已生产出了400kg的大型硅锭。据闻更大吨级的硅锭也在研发之中。在我国，第一块240kg多晶硅锭于2003年在保定诞生，至2006年275kg硅锭已经在江西赛维LDK公司通过DSS炉大规模投产。提高生长速率方面也一直得到业界关注和研发努力。早在1990年DeutscheSolarAG公司就开发了一种生产周期为35～40h的硅锭铸造技术，近年来该公司又推出了一种名为TCVP(Tem2peraturecontrolledvolumeprocess)的新型热交换工艺，与一般硅锭热交换方法相比，TCVP方法能将生产周期缩短约30%。多晶硅锭生产周期的缩短主要依赖于结晶速率的增长，目前硅锭生长速率已由原来的0.5～1.0cm/h增加到了现在的1.0～2.0cm/h。当前国内外在增大硅锭尺寸、提高生长速率这两个主要方向上的攀登还在进行之中。

最近，KojiArafune等将移动加热炉应用到了多晶硅锭的实验研究中，并提出了一种新的硅锭生长工艺---连续弛豫过冷(Successiverelaxationofsupercooling)，SRS方法。该方法以减少硅锭中SiC的形成量为目的，对传统的移动加热方法进行了改进。C在硅中的分凝系数仅为0.07，在持续的过冷条件下，各个硅晶生长速率不一，很容易在界面附近造成局域C浓度过高，从而增大SiC的形核几率。SRS方法采用移动加热炉，其结构如图5所示。硅料在坩埚中熔化后，以一定速度将热源往上移，在过冷度的驱动下熔体凝固成硅锭，与传统移动加热法不一样的是在硅锭生长一段时间后，控制加热器再下移一段并停留，让部分已生长的硅重熔，这时重熔硅中的C含量相对均匀，其含量比原来的富集层要低许多，从而有效减少了SiC沉淀的生成。如此反复，得到的硅锭SiC含量得到了有效控制，细晶区也减少了，同时少子寿命等性能也得到了提高。这种方法用于大尺寸硅锭的生产效果会更明显。但是由于增加了这样一个重熔过程会大大延长生产周期，从而影响生产效率，目前也仅限于实验室研究。

3计算模拟方法在多晶硅锭生长与控制研究中的应用

如前所述，大尺寸和高生长速率在太阳能多晶硅锭生产中的优势是十分明显的，是业界不断追求攀升的目标。但是随着硅锭尺寸的不断增大，生产过程中遇到的问题越来越复杂，如果光靠实验方法进行研究，不仅工作量大、耗费的时间长，所需材料的花费更是巨大。在这一领域，计算模拟技术的运用是必由之路。对多晶硅锭凝固生长的计算模拟近20年前就已出现，

这样一种廉价便捷的方法提供了一些具有指导性的研究结果，为多晶硅锭定向凝固技术的改进提供了强有力的依据，有些已经应用到实际生产中。

20世纪90年代德国的D.Franke和I.Steinbach进行了将数值模拟应用于多晶硅生产的探索，提出了以虚拟炉(VOF)来指导多晶硅生产的思想，即参照实际的硅锭生产条件，用有限元方法创建一个虚拟炉，通过数值计算得到一些生产中人们关注的信息。他们用CASTS软件计算得到了一些初步的结果，如硅锭生长过程中的温度场、应力水平、生长速度与界面关系等。之后他们又进行了更深入的研究，对多晶硅的整个生产过程，从坩埚预热到多晶硅结晶以及冷却过程都通过数值模拟进行了更为细致的考察，包括热流控制、结晶速度、杂质分布、位错密度分布等。特别是关于平直界面凝固(SOP2LIN)的研究，其结果已经在实际生产中得到了验证与应用。

刘力军等近年来围绕多晶硅锭生长建立了一套较为系统太阳能多晶硅锭定向凝固技术进展/钟根香等·93·的计算模拟体系，开展了许多深入的研究工作。他们构建了整个多晶硅锭定向凝固炉系统的三维网格模型，通过计算模拟方法对硅锭生长过程中温度场、热流和铁、氧、碳等杂质的形成及分布等做了较为细致的考察，并研究了硅锭生长过程中的热功率、生长速率、热流及坩埚形状与大小对固液界面形状的影响，深入分析了炉体倾斜对多晶硅锭生长过程的影响。图6为他们通过计算模拟揭示的炉体微倾斜条件下硅锭凝固过程的温度场、熔体流场及其引起的夹杂粒子运动情况，以及不同倾斜角度下界面形状的变化。

随着多晶硅在光伏市场中的迅猛增长，有关多晶硅的各项研究得到了相应发展，这也促进了数值模拟在多晶硅研究中的应用，近年来相关的报道日渐增多，采用的计算手段与模拟内容也变得更为丰富。加拿大学者应用ABAQUS软件对多晶硅中的温度场与应力进行了研究;德国的D.Vizman等则应用STHAMAS3D分析了坩埚尺寸、微小倾角以及冷却速率等对固液界面形状的影响;俄罗斯学者的模拟结果则表明，与轴对称加热相比，非轴对称加热可增强对流，从而提高硅熔体的均一性，得到织构良好与电性能均一的多晶硅。这在相关实验中也得到了证实。到目前为止，国内在这方面的研究相对较少，已有文献报道的主要是林安中等就几何参数及热量变化对多晶硅凝固过程固2液界面形状和温度梯度的影响研究。笔者之一曾用Fluent对DSS炉的热场进行数值计算，对整个生长过程进行了三维瞬态模拟，为DSS炉从HEM方法中的发展提供了设计依据。

虽然到目前为止数值模拟在多晶硅生产中的应用还不是很多，但是从现在的研究趋势来看，数值模拟方法的优势近年来逐渐显现出来，在多晶硅的研究及生产指导方面起到了越来越重要的作用。

4结语

以保守的观点看，经过几十年的发展，多晶硅锭的定向凝固生产技术已颇为成熟，没有很大发展空间;然而从积极进取的角度来看:多晶硅锭尺寸要不断增大;生长速度还需要提高;其内部晶体点阵缺陷密度也需要降低;多晶硅锭的定向凝固生产技术发展的动力和潜力还很大;近年来的发展也十分引人注目。随着计算机硬件和软件技术的进步、工业信息化的推进，计算机模拟技术无疑将在这一发展中起到越来越重要的作用;目前多晶硅锭生长的计算机模拟尚限于热场、流场及传质分析;对于晶体点阵缺陷形成与控制的动态应力应变分析模拟尚未出现。后者难度较大，但是十分必要，它很可能是未来多晶硅锭质量控制技术发展的关键。