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电子束再生制造多晶硅熔体全熔时点的判断

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1 绪论

1.1 光伏产业综述

1.1.1 太阳能光伏发电技术的发展与展望

1.1.2 主要发达国家光伏产业的发展现状

1.1.2 我国光伏产业的发展现状

1.2 硅材料综述

1.2.1 硅的性质与应用

1.2.2 太阳能级硅的制备工艺

1.2.3 光伏产业对太阳能级硅的巨大需求及再生硅的意义

1.2.4 硅的再生方法综述

1.3 利用电子束技术再生硅材料

1.3.1 电子束技术的应用

1.3.2 电子束熔炼技术与设备

1.3.3 电子束熔炼法在提纯硅方面的应用与研究进展

1.4 本课题研究的目的与内容

2 实验原理及设备

2.1 电子束再生制造多晶硅的理论基础

2.1.1 电子束蒸发去除杂质原理

2.1.2 电子束诱导硅定向凝固原理

2.1.3 电子束熔炼提纯效果对熔炼时间的敏感性

2.2 产业化电子束熔炼设备

2.2.1 设备总体构成

2.2.2 设备各个部分构成

2.2.3 典型电子束熔炼技术

2.3 材料分析与评价设备

2.3.1 带锯床

2.3.2 超声波清洗机

2.3.3 烘干箱

2.3.4 电阻率测试仪

2.3.5 少数载流子寿命检测仪

3 电子束熔炼过程中硅全熔时点的判断

3.1 实验方法

3.1.1 原料

3.1.2 实验过程

3.1.3 样品的分析与检测

3.2 实验结果与讨论

3.2.1 利用冷却水温差反应熔体状态的可行性

3.2.2 熔炼过程中冷却水温差变化趋势

3.2.2 全熔时点判据的提出

3.3 本章小结

4 全熔时点判据的有效性评价

4.1 多晶硅电学性能与杂质含量的关系

4.2 铸锭的宏观形貌及电学性能

4.3 有效熔炼时间的确定

4.4 有效熔炼时间与电学性能的对应关系

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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摘要

自2009年以来,我国光伏产业在国家金太阳、并网补贴等多项重大利好政策的相继带动下,装机总量从不足100MW到2016年底的超过70GW,近7年时间增长近700倍,连续多年达到世界第一的水平,对太阳能电池的原料多晶硅的需求每年已超过20万吨。多晶硅材料在铸锭过程中的一次利用率仅为65%左右,其余需要通过提纯、酸洗等方式再生制造利用。电子束熔炼因其高真空、快速熔炼等特点,可以有效提纯硅中的磷、铝等蒸发型杂质,并可以通过诱导定向凝固去除金属杂质,是有效的硅材料绿色再生制造技术。
  但是,由于工业生产中电子束熔炼硅材料过程中无法通过直接测温方式获得硅熔体状态,只能通过观察窗判断硅材料熔炼时间,缺乏统一的判断标准,使不同批次的熔炼时间偏差较大,又由于硅中蒸发性杂质去除对熔炼时间非常敏感,导致了产品品质波动大、能量利用效率低等系列问题,不利于标准化的工业生产。因此,研究具有客观标准的硅熔体全熔时点判据,确定准确的熔炼时间,对电子束再生制造多晶硅的产业化应用至关重要。
  本文通过间接测温的方式,利用实时反映熔体温度变化的冷却水进出水温度差变化规律来分析硅熔体的熔炼状况,进而分析硅料全熔的时间点,通过大量实验分析并验证其可行性,并通过对样品的电学性能检测来评价这一方法的效果。本文的具体研究结果如下:
  (1)在固态硅熔化以及熔炼过程中(含由于硅熔体中杂质蒸发导致真空报警,电子枪紧急关闭的情况),当冷却水的进出水温差从某一时刻开始以指数函数:此处为公式省略...的形式上升时,该时刻即为硅料达到全熔的时刻,其中A1、B1、A2、B2的值,随生产环境的不同有所变化,如机械投料导致的每次熔炼硅的质量不同、环境温度导致冷却水进水温度不同等;
  (2)杂质的去除量对熔炼时间非常敏感,当熔炼时间达到了施主杂质与受主杂质临界时,熔炼时间的微小差异就会引起产品p-n型的改变。
  (3)利用这一判断方法重新标定全熔时间点,计算出实际熔体硅的熔炼时间,结合电阻率随熔炼时间变化趋势曲线、样品的电阻率p-n型分布图,可以认为通过冷却水温差的变化规律来确定硅的全熔时间点是有效的。

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