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黄莹莹等:精炼法提纯冶金硅至太阳能级硅的研究进展 7931
精炼法提纯冶金硅至太阳能级硅的研究进展
黄莹莹,郭辉,黄建明,沈树群
(北京邮电大学电子工程学院,北京 100876)
摘要: 随着光伏市场需求不断增加,满足光伏电池
2 精炼法提纯冶金硅至太阳能级硅的技术原
技术经济指标要求的硅材料出现严重短缺,低成本提
理
纯冶金硅至太阳能级硅2 工2 艺技术越来越受到广泛重 2 2
视,成为研究开发热点。综述了近年来国外有关基于硅光伏电池衬底的杂质含量对电池性能起决定性
定向凝固原理开发的精炼法提纯冶金硅至太阳能级硅作用。大量实验结果表明,合格衬底中,除 C、O 、H 3
的技术成果,并进行了比较分析,展望了应用前景。种杂质外,B 、P、Fe 、Ca 、Ti 、Al 、C、Na 等杂质浓度应低
关键词: 太阳能级硅;冶金硅;精炼;提纯;定向凝固于 1. 0 × 10 - 6 ,其它杂质浓度应低于 1. 0 × 10 - 9 [ 2 ] ,这
中图分类号: TQ174 文献标识码:A 种纯度多晶硅称为太阳能级硅(So G Si) 。
文章编号:1001 9731 (2007) 09 1397 03 一般冶金硅纯度为 98. 5 %~99. 5 % ,其中含 B 、P
杂质浓度(2. 0~6. 0) × 10 - 5 ,C、Ca 杂质浓度(1. 00~
1 引言
6. 00) × 10 - 4 ,比太阳能级硅要求高 2~3 数量级,同时
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太阳能光伏发电以其技术成熟、资源永不枯竭、环还含有浓度不等的 Ti 、Al 、Pb 等几十种金属杂质。精
境负担最小等特点,成为 21 世纪最有希望大规模应用炼法通过以下技术原理, 将冶金硅提纯至太阳能级
的清洁能源之一。进入 2000 年以来,全球光伏发电量硅[3 ,4 ] 。
每年以 25 %~35 %速度递增,由零星分散、小规模、特 2. 1 定向凝固
殊场合应用加速向普及化、规模化、系统化应用方向发在坩埚内将冶金硅熔化后,通过坩埚底部热交换,
展。据保守估计,2020 年全球光伏发电容量将达到使硅熔体底端首先达到晶体生长条件开始结晶。之
30 GW 以上,光伏市场的高速增长将持续 20 年以上。后,结晶潜热不断从坩埚底部导走,硅熔体逐步完成从
迄今为止,约 90 %的光伏电池以多晶硅铸锭或直下往上结晶。由于除 B 、P、As、O 等几种杂质外,其它
拉单晶硅棒经切片、抛光后作为衬底,通过制结、减反杂质的平衡分凝系数远< 1 (如表 1 所示) ,在硅熔体结
射膜制备、丝网印制等一系列工艺制成。按目前工业晶过程中,平衡分凝系数远< 1 的杂质不断从固液界
化生产技术水平,生产 1MW 硅光伏电池需要消耗约面偏析到硅熔体中,形成杂质向熔体的输送和富集,待
10t 太阳能级硅材料。按这一比例,满足 2006 年全球硅熔体全部结晶完毕,采用机械切除杂质浓度高的部
和国内硅光伏电池产能分别需要约 15000 、3000t 太阳分,获得提纯多晶硅[4~6 ] 。
能级硅材料。 cs
表 1 硅熔体结晶过程中杂质平衡分凝系数( k0 = )
多晶硅工业化生产技术普遍采用改良