定向凝固技术控制了凝固组织的晶粒取向，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能。小编整理了定向凝固技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!

定向凝固技术论文篇一

基于定向凝固工艺的高效多晶硅锭制备技术

摘 要：提高硅片质量是提高太阳电池装换效率的重要途径之一。文章通过籽晶诱导形核，硅料融化过程中控制籽晶保留高度为20mm，长晶过程中控制固液界面形状和长晶速率来改善硅晶体生长过程，提高晶粒尺寸的均匀性。研究表明，采用定向凝固技术制备粒径大小均匀多晶硅锭，可使太阳电池的转化效率提高0.3%。

关键词：定向凝固;高效;温度梯度;太阳电池

引言

硅片质量和电池制备工艺是影响太阳能电池光电转换效率的重要因素，多晶硅片质量的改善很大程度上取决于多晶硅定向凝固技术。从定向凝固技术的发展来看，最初是研究柱状多晶硅的生长，后来发展到类单晶技术。类单晶技术在2006年由BPSolar研制成功，需要在坩埚底部平铺一层晶向相同的单晶硅块作籽晶使硅锭晶向与籽晶一致，而在实际生产过程中由于温度梯度和凝固界面的缺陷，使得类单晶边缘出现碎多晶而降低了硅锭产出率[1]。再后来研究大晶粒技术，即具有显著大尺寸晶粒的多晶硅。该技术需在初始形核阶段准确控制温度梯度，且对提升电池效率效果不明显而并没有发展起来。近几年又出现了高效多晶硅锭技术，用该类技术制备的多晶硅片制成太阳电池，其光电转化效率比用普通多晶硅片制成的太阳电池要高0.5%左右。主要代表产品有赛维LDK高效多晶硅片M2、M3，其高效多晶硅片晶粒较小，位错等缺陷较少，制成的太阳电池平均转换率比用普通工艺高0.3%-0.5%;保利协鑫鑫多晶S2、S3硅片具有碳、氧及金属杂质浓度低、少子寿命高、掺杂分布均匀等特点。另外还有新日光的A+++硅片、镇江环太硅科技有限公司的高效多晶硅片、台湾中美晶研发出A4+整锭高效多晶硅片效率17.8%等等[2]。目前该工艺成为高效硅片发展的主要方向。

文章论述了一种基于定向凝固工艺的高效多晶硅的铸锭方法，采用法国ECM公司生产的PV450多晶硅铸锭炉，利用Semilab少子寿命测试仪(μ-PCD)及红外探伤仪(IR)等测试手段，研究一种新高效铸锭方法，利用此方法加工的太阳电池效率比普通电池要高0.4-0.6%。

1 实验

1.1 坩埚准备

高温熔化长晶过程中，熔融Si和石英坩埚主要成分SiO2的反应生成气态SiO，高温下逸出后与石墨制品反应形成CO气体，CO进入硅熔体中，容易形成间隙氧和替位碳[3]，导致所制成的太阳能电池短路，电池效率急剧降低。为避免杂质影响硅锭质量，先在坩埚底部坩埚内壁涂覆高纯度的氮化硅涂层。

1.2 装料

将硅片加工过程中产生的崩边、线痕、缺角等不合格硅片，通过筛网加工分选得到粒径大小为5mm左右碎硅片，将加工好的碎硅片均匀铺在石英坩埚底部作为高效硅锭生长的籽晶诱导形核[4][5]，厚度约30mm，碎硅片上面用多晶边皮料、头尾料覆盖，防止硅料在高温融化过程中碎硅片上浮，将硅原料、掺杂元素按照级配标准共计540-550kg装入840×840×480mm石英坩埚里，投入多晶硅铸锭炉准备运行。

1.3 定向生长

在硅料融化过程中，控制加热器顶部温区温度为1550℃、侧面温区温度为1518℃，使硅料融化过程中从坩埚顶部向坩埚底部稳定融化。在融化过程中，采用长晶速率测试装置，实时监测硅料融化情况，既要通过加热对熔体进行均匀化处理，又要防止籽晶被完全融化。在底部籽晶高度剩20mm时铸锭工艺由融化阶段进入长晶阶段，由籽晶进行诱导形核。在长晶初期热门关闭，底部迅速成核，达到(100、110、112)晶向为主的效果。长晶过程中调节顶部加热器的温度在1435-1413℃，侧部加热器的调节温度为1432-1400℃，同时底部散热热门打开比例范围为0-85%，自下而上定向生长，具体工艺曲线图如图1所示。

在定向生长过程中通过加热器温度和热门开度的配合，达到减少水平面温差和熔化惯性的目的，使坩埚内部形成稳定纵向的温度梯度、横向等温的温度环境，保持硅锭以1.3±0.1cm/h的速率稳定生长，从而获得柱状多晶硅锭。长晶速率测试结果如图2所示。

2 结果与讨论

2.1 普通工艺和高效工艺EL测试

普通工艺和高效工艺制备的多晶硅锭EL测试图见图3。是从底部形核并逐渐向上生长，不同的是添加籽晶的高效工艺制备的多晶硅锭相比普通工艺，晶粒在垂直于固液界面的方向自下而上生长、长大为柱状晶体，切割后的硅片晶粒尺寸大小为1-2cm的“小花”，分布均匀(外观图如图4所示)，这种结构Al、Ca等杂质元素可以均匀分布在整个晶粒区域，从而显著提高硅锭的强度，提高切片成品率;同时杂质元素在晶界处不发生偏聚，可以降低少数载流子在晶界处的复合能力，有利于提高太阳电池的电性能。普通硅锭结晶过程中在侧部、底部方向产生侧向分支，支晶尖端进一步发展成枝晶而形成胞状晶结构的微小晶粒，导致出现细晶区域，相邻晶体间发生杂质元素的富集，在结晶面容易出现位错、层错和亚晶界等结构缺陷，其电性能较差，降低硅片质量，从而降低太阳电池的电性能。

2.2 电池实验

在同一条生产线采用高效硅片和普通硅片制备太阳电池。高效多晶硅片制成太阳电池后的电池性能参数见表1。电池效率集中分布在17.4%-17.8%，而用普通工艺制备的太阳电池的转换效率为17.4%左右。

3 机理分析

高效多晶硅的特征主要体现在晶粒形貌和尺寸上，而多晶硅的晶粒形貌和尺寸除热场结构影响外，很大程度则取决于工艺过程，主要包括结晶界面形状、界面前沿的温度梯度、结晶速度等参数。

固液界面的形状主要取决于以下公式：

(1)

式中，G为固液界面前沿液相中的实际温度梯度;R为结晶速度;m为相图中液相线斜率;D为液相中溶质的扩散系数;k0为平衡分配系数[6][7]。

定向凝固过程中，通过加热器三区控温单元精确控制固液界面前沿处温度梯度G，利用底部热门开度配合三区控温单元控制结晶速度R，使G/R的比值满足公式(1)。从而抑制固液界面前沿产生成分过冷区，获得柱状晶组织;同时可使下凹状固液界面向平面状过渡。这也保证了柱状晶生长方向垂直于凝固界面，得到适合制备太阳电池的高效多晶硅铸锭[8]。 文章研究的重点是在硅料融化和长晶过程中精确控制固液界面的前沿温度梯度和结晶速度，保证固液界面的平坦，减少细晶出现几率，得到粒径大小均匀的柱状晶。即在熔化进入最高温度后，减缓硅料融化速度，使固液界面尽量平整，中心、边角部位的硅料同步熔化。同时硅料时间加长，熔融态的硅料中的杂质有足够的时间被氩气带到熔体表面，能有效减少硅料中的杂质含量，提高定向凝固效率。在长晶初期用籽晶诱导形核，调整通过加热器温度和热门打开比例，使硅晶体结晶温度位于梯度区的一维温度场中，形成一维的溶质分凝条件，从而获得理想的平面结晶界面，得到径向无偏析的晶体而改善晶体生长过程和提高晶体质量。另外从应力角度考虑，平面结晶界面有利于减少由于复杂的温度场和热应力场造成位错等缺陷，从而减少隐裂和碎片的几率。

4 结束语

在坩埚底部铺设籽晶诱导形核，在融化过程中控制籽晶保留高度为20mm，长晶过程中精确控制结晶界面前沿温度梯度，从而有效控制固液界面和长晶速度，制备晶粒大小均匀的高效多晶硅片，制得太阳电池转换效率比普通硅片高0.3%左右。

参考文献

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[8]介万奇.晶体生长原理与技术[M].北京：科学出版社，2010：318-325.

定向凝固技术论文篇二

定向凝固技术的发展概况

摘要：简要回顾了传统定向凝固技术及其存在的问题，介绍了几种新近发展起来的新型定向凝固技术，并指出了定向凝固技术今后的发展方向。

关键词：定向凝固;电磁约束;深过冷;单晶连铸;激光超高温度梯度;特种定向凝固

所谓定向凝固[1]，是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向柱状晶的技术。该技术较好地控制了凝固组织的晶粒取向，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能。

1.传统定向凝固技术的发展过程

传统的定向凝固技术经历了由发热铸型法(EP法)、功率降低法(PD法)、快速凝固法(HRS法)、液态金属凝固法(LMC法)、流态床冷却法(FBQ法)等的发展过程。

这些方法所获得的冷却速度都是很有限的。首先是冷却速度太慢，使得凝固组织有充分的时间长大、粗化，以致产生严重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高;其次，是凝固界面与液相中最高温度面距离太远，固液界面并不处于最佳位置，因此所获得的温度梯度不大，这样为了保证界面前液相中没有稳定的结晶核心的形成，所能允许的最大凝固速度就有限。为了更进一步提高材料的各项使用性能和综合性能，有必要对传统定向凝固技术进行改造。在充分吸收其他凝固技术如快速凝固等优点基础上出现了许多新型的定向凝固技术。

2.新型定向凝固技术

2.1电磁约束成形定向凝固法(DSEMS法)[2]

其原理是利用电磁感应加热使合金熔融，然后用在金属熔体表层部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形，同时,由于冷却介质与铸件表面有的直接接触, 铸件固相的冷却能力得到增强,使得固液界面附近熔体内可以产生很高的温度梯度,使凝固组织超细化。但该技术涉及电磁流体力学、冶金、凝固以及自动控制等多学科领域，目前还处于研究阶段。

2.2深过冷定向凝固(DUDS法)

过冷熔体中的定向凝固首先由B.Lux 等在1981年提出，其基本原理是将装有试样的坩埚装在一个高频线圈中循环加热，通过蒸发与分解或加入净化剂去除、吸附和钝异质核心，从而获得深过冷的合金熔体;然后再将坩埚的底部激冷，让合金熔体底部先形核，晶体自下而上生长，形成定向排列的树枝晶骨架， 残余的金属液向已有的枝晶骨架上凝固，最终获得了定向凝固组织。深过冷熔体凝固速度很快，凝固时间很短，可大幅度提高生产效率，改善组织和性能。

2.3单晶连铸技术[3]

单晶连铸技术，即O.C.C法。其基本原理是：将结晶器的温度保持在熔体的凝固温度以上，绝对避免熔体在型壁上形核，熔体的凝固只在脱离结晶器的瞬间进行。随着铸锭不断离开结晶器， 晶体的生长方向沿热流的反方向进行。O.C.C法可以得到完全单方向凝固的无限长柱状组织;铸件气孔、夹渣等缺陷较少;组织致密，消除了横向晶界。

2.4激光超高温度梯度快速定向凝固法(LRM法)[4]

利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固。其关键在于：在激光熔池内获得与激光扫描方向一致的温度梯度;根据合金凝固特性选择适当的工艺参数以获得胞晶组织。激光能量高度集中的特性，使,其温度梯度可高达106K/m,速度可高达24mm/s,冷却速度，较区熔液态金属冷却法大大提高(约为三个数量级)。

2.5特种定向凝固技术[5]

2.5.1侧向约束下的定向凝固

侧向约束下的定向凝固考虑到沿凝固方向，制品的截面形状与大小发生变化时对凝固过程和组织的影响。以施加侧向约束使试样截面突然减小，模拟叶片的变截面时得到的单晶镍基高温合金凝固组织为例。随着试样截面的突然减小，合金凝固组织由发达的粗枝状很快转化为细的胞状。随着凝固的继续进行，胞晶间距逐渐增加，之后胞晶间距趋于恒定，凝固进入新的稳态。最后当试样截面由小突然增大时，凝固状态也由胞状很快转化为粗枝状。对存在截面变化的实际单晶合金铸件，在生产过程中不应采用恒定的铸型抽拉速度，而应在其整个凝固过程中适时调节抽拉速度及其他冷却条件，以获得组织和成分均匀的单晶合金铸件。

2.5.2对流下的定向凝固

对流下的定向凝固主要利用加速坩埚旋转技术装置(ACRT)。在加速旋转过程中液相强迫对流，由于极大的改变热质传输过程而引起了界面形貌的显著变化。在一般定向凝固条件下，合金组织中枝晶发达，糊状区宽度变大。ACRT状态下的糊状凝固区宽度较静态下的要小得多。对Al-Si共晶合金，在定向凝固开始时就让坩埚旋转，则强烈的对流导致Si相得断裂。Si碎片可进一步破碎并生长，最后形成块状Si共晶组织。施加坩埚的变速旋转，则Si相在坩埚加速旋转阶段变得更加规则。只有当坩埚旋转方式与定向凝固参数合理配合时，才能获得理想的定向组织。在通常情况下，提高GTL/υ的值，当GTL过高时，Si相虽然定向生长，但粗化现象明显。

2.5.3二维定向凝固

二维定向凝固(bi-directional solidification)的概念是J.Brigme于20世纪80年代初提出来的，主要用于制备高性能叶片和圆盘件。对圆盘件而言，二维定向凝固的主要原理是控制热流方向，使得金属由边缘向中心定向生长，最后获得具有径向柱状晶(宏观)和枝晶轴(微观)组织的材料。目前利用这种方法已制备出铝合金样件和高温镍基合金的样件。

2.6存在的问题及展望

虽然定向凝固技术能获得小偏析甚至无偏析的超细化的组织等，具有广阔的应用前景，但仍有一些问题要解决。

第一，激光超高温度梯度定向凝固技术的凝固组织是从基体外延生长的，界面上不同位置的生长方向也不相同，在对凝固组织进行定量分析时造成困难。

第二，深过冷还需解决在不同过冷度条件下，过冷熔体激发形核后晶体的生长方式和组织形成规律; 确定适用于形成枝晶阵列微观组织的试验条件和工艺因素。

第三，快速定向凝固技术只适合于制备一维或二维小尺度材料，在应用上受到一定限制。如何解决大体积深过冷熔体激发快速定向凝固技术，利用该技术获得具有一定外形的零件。

综上述说，合理调节温度梯度和过冷度是定向凝固发展的一个方向。另外，采取不同控制措施以获得细小的定向组织，便成为新一代定向凝固技术发展的又一方向。在今后较长一段时间内，材料加工技术的研究将倾向于：性能设计与工艺设计的一体化和材料设计、制备、成型与加工处理的全过程中队材料组织性能和形状尺寸进行精确控制等方面。

参考文献

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作者简介：陈冬丽(1981——)，女，汉族，四川攀枝花，助教，主要研究方向为金属材料方向。