谭毅 电子束技术在冶金法提纯多晶硅中的应用课件.ppt

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1、电子束技术在冶金法提纯多晶硅中的应用谭毅大连理工大学辽宁省太阳能光伏系统重点实验室2011年7月4日2011年第七届中国太阳级硅及光伏发电研讨会研究背景光伏产业机遇挑战光伏发电量太阳能多晶硅严重短缺发展迅速冶金法生产成本低硅料来源广泛新工艺硅料纯度要求低环境污染减小生产周期变短工艺简化研究背景电子束熔炼基本原理电子束熔炼原理：将电子枪中的灯丝加热到一定温度，灯丝表面发射电子，电子在负高压作用下加速，轰击阴极表面使阴极而发射电子，电子在高压静电场中加速，之后经过磁透镜聚焦形成能量密度极高的电子束流，通过偏转扫描作用以特定的轨迹轰击到水冷铜坩埚中的材料表面，电子的动能大部分转化为热能，产生

2、极高的热量，使材料熔化。电子束熔炼的优点：熔炼过程几乎不受温度限制，可以任意调节温度；大功率连续生产时电子束熔炼成本较低；电子束熔炼能量密度高，集热迅速；电子束熔炼时采用冷坩埚，避免了坩埚造成的污染。电子束熔炼示意图电子束熔炼设备设备特点：熔炼过程中功率、波形、熔炼时间可以调节，有利于去除挥发性杂质元素；真空度达10-4Pa，避免环境对材料的污染；电子束熔炼能量密度大，熔炼光点直径为10-7cm，能量密度达103W/cm2。熔炼温度高，可提纯难熔金属。设备组成：炉体电子枪真空系统水冷坩埚观察系统电子束熔炼去除挥发性杂质的机理杂质在硅熔体中的去除过程：熔体内的扩散行为界面层反应气相扩散电

3、子束熔炼去除挥发性杂质的机理杂质去除的三个步骤1.杂质从熔体内部迁移到硅熔体/气相界面层2.杂质在硅熔体/气相界面层蒸发反应3.杂质脱离界面层进入气相，并被真空泵抽走杂质的总蒸发速率杂质的总传质系数去除杂质的速率控制步骤硅中主要杂质P、Al、Ca都以单原子形式从硅熔体中蒸发去除杂质P、Al、Ca的去除反应速率去除杂质的速率控制步骤kP与熔炼温度的关系kAl,kCa与熔炼温度的关系去除杂质的速率控制步骤1941-2051K区间，杂质Al、Ca在硅熔体内部的扩散传质过程是其蒸发去除过程中的控制步骤。P、Al、Ca的传质系数的计算值ElementTemperature(K)KT(i)kE(

4、i)kD(i)P19416.46×10-62.20×10-59.15×10-619641.11×10-52.89×10-51.80×10-520512.31×10-57.73×10-53.30×10-5Al19415.59×10-73.21×10-55.69×10-719648.12×10-74.05×10-58.29×10-720511.53×10-69.26×10-51.55×10-6Ca19416.48×10-65.11×10-57.42×10-619648.54×10-66.39×10-59.85×10-620511.78×10-51.43×10-42.04×10-51/20＜

5、kE(i)/kD(i)≈6﹤20kE(i)/kD(i)﹥201941-2051K区间，杂质P蒸发过程受熔体内部的传质和硅熔体表面自由蒸发过程的联合控制；温度测量位置示意图电子束熔炼的温度分布硅中杂质的去除蒸发过程扩散过程温度分布温度测量计算模型测量的温度-时间曲线电子束熔炼的温度分布InthecenterOntheinsidewallOnthebottomOntheoutsidewall温度分布的计算结果计算和测量结果：熔体内部温度不均匀；熔体表面表面存在很大温度梯度，电子束直接作用区域温度很高。电子束作用下硅熔体中杂质运动示意图电子束熔炼去除挥发性杂质新模型的提出电子束与熔体相互作

6、用的特点：电子束轰击改变了硅熔体界面区，使熔体流动加剧，促进了原子向表面的扩散；表面温度不均匀，产生马兰哥尼效应并与电子束的轰击共同作用，增强表面蒸发；蒸气原子之间以及蒸气原子与电子会产生一定几率的撞击，分子自由程发生改变并产生回凝现象。电子束烛光熔炼（EBCM）一种周期性的熔炼方法承接定向凝固技术能量利用率高电子束熔炼新方法探索电子束烛光熔炼（EBCM）电子束熔炼新方法探索熔炼前后的多晶硅铸锭Si的损失率与熔炼时间的关系P的去除率与熔炼时间的关系辽宁省太阳能光伏系统重点实验室大连理工大学辽宁省太阳能光伏系统重点实验室，主要从事冶金法提纯太阳能级多晶硅的研究开发工作，相继申请到了国家、

7、省、市及企业的多项课题。主要研究方向有：冶金法太阳能级硅材料的制备和应用研究新型、低成本太阳能电池的制造和应用研究第三代有机太阳能电池关键材料的开发和应用研究光伏并网运行中的关键技术问题研究多枪电子束提纯设备实验室协助企业研究并掌握了大功率电子束熔炼提纯多晶硅的关键技术和设备，研制成功国内第一台功率超千瓦电子束提纯设备，提纯效果显著，取得良好的经济效益，是大规模冶金法提纯多晶硅除磷的理想设备。该设备由真空部分、熔炼部分、加料系统、冷却系统、控制