多晶硅铸锭炉中加热器结构对硅锭中杂质分布的影响分析

孟庆超 王子谦 潘明翠 夏新中 刘磊

英利能源（中国）有限公司 河北 保定 071000

1 研究背景与内容

以定向凝固方法铸造的多晶硅锭是晶硅太阳能电池的主要基材之一，与用直拉法生产的单晶硅相比，具有生产成本低的优势。研究硅锭中的杂质分布规律并对其进行优化，不但能够进一步降低多晶硅锭的生产成本，还能够提高多晶硅的晶体品质。

本文在研究过程中使用了CGSim模拟软件，针对工业用多晶硅铸锭炉进行计算机仿真模拟，研究不同加热器结构及位置下的固液界面形状和熔体流动模式及其对硅锭中杂质分布的影响，并通过优化加热器结构、位置并在晶体生长阶段匹配合适的温度控制来减少硅锭中的杂质损失。

2 研究结果与讨论

2.1 铸锭炉型与模拟软件简述

本文在研究过程中使用的铸锭炉型为JJL500N及其改造炉型。对于原JJL500N炉型，加热器位于热场顶部，为棒状结构；散热窗口位于热交换台下方，为百叶窗结构，四片百叶可旋转向下打开，最大旋转角度为90°，百叶窗下方设有水冷铜盘。改造炉型是在JJL500N的基础上进行了优化，加热器结构改为蛇形，并增加了侧部加热器，散热系统的结构和位置均保持不变。下文将用铸锭炉JJL01代指原JJL500N铸锭炉，用JJL02代指优化后的铸锭炉。

本文使用的计算机模拟软件为CGSim，为了提高计算效率，将三维铸锭炉结构进行了轴对称简化，实施二维全局计算，并将模拟结果与实际铸锭过程进行对比和校准，提高模拟的准确性。模拟过程中耦合求解了导热、对流和辐射等各种换热现象，以此为基础，对JJL01和JJL02中的铸锭过程进行数值模拟[1-2]。

2.2 加热器结构和位置对固液界面形状和熔体流动模式的影响

模拟结果和运行记录显示，JJL01和JJL02中的固液界面形状和熔体流动模式具有很大差异。

在硅料熔化后期，JJL01和JJL02的固液界面虽然都是凸形，但JJL02的界面凸度明显大于JJL01，整体化料速率也明显加快。即，增加侧部加热器后，坩埚侧壁接受的热量辐射明显增加，坩埚边部位置和中心位置的硅料熔化速率有了明显差异。与JJL01相比，JJL02中的硅料熔化时间明显缩短，从坩埚侧壁和坩埚底部扩散进入硅熔体的杂质含量也有所降低。

在晶体生长阶段，模拟结果显示，在保持散热系统结构不变、硅锭中心位置的晶体生长速率没有太大变化的前提下，将加热器由顶部的棒状加热器变更为顶、侧都有的蛇形加热器之后，长晶界面前沿的熔体流动方向发生了变化。JJL01中，长晶界面前沿的熔体流动方向是自硅锭边部位置流向硅锭中心位置，JJL02与之相反。此外，JJL01中，晶体生长前期，硅锭边部靠近坩埚位置的熔体流速较快，硅锭中心位置的熔体流速较慢。JJL02中，整个长晶界面前沿的熔体流速分布较为均匀。

JJL01和JJL02的长晶界面形状也有明显不同。JJL01铸锭炉中，加热器位于坩埚正上方，坩埚外围的可移动隔热挡板具有减少坩埚侧部热量损失的作用。此外，长晶阶段可旋转向下打开，生长中、后期可开至90°的百叶以及位于百叶正下方的水冷铜盘能够最大程度的保证散热方向的垂直性。因此，JJL01在晶体生长过程中能够获得整体较平的长晶界面形状——界面中心略微凸起，边部位置有飞角，界面中心高度与最低点高度的差值在20mm以内。JJL02铸锭炉中，坩埚外围的挡板被侧部加热器取代，侧部加热器的存在能够有效抑制坩埚侧壁过冷形核，并降低硅锭边部位置的晶体生长速率。因此，JJL02中的长晶界面整体较凸，其边部位置的飞角高度明显低于JJL01，界面差为30mm左右。

2.3 熔体流动方向和长晶界面形状对硅锭中杂质分布的影响

跟踪大量实验锭发现，JJL01和JJL02所铸硅锭在杂质分布方面有着截然不同的规律。JJL01易在中心硅块的中下部产生大量杂质损失；JJL02则更倾向于在边部硅块的顶部位置出现点状杂质，与JJL01相比，整锭杂质损失明显降低。

结合前文的模拟结果分析认为，对于JJL01，由于晶体生长阶段的固液界面形状较为平坦，界面前沿的熔体流动方向是自坩埚侧壁流向硅锭中心位置，不但不能及时带走结晶时分凝到熔体中的杂质，还会对坩埚侧壁形成冲刷作用，将从坩埚侧壁扩散进入熔体的杂质带到中心界面前沿，导致中心位置的杂质浓度升高，从而令杂质在硅锭中心位置聚积。

JJL02中，长晶界面前沿的熔体流动方向与JJL01相反，是从硅锭中心位置流向坩埚侧壁，能够快速带走中心界面前沿分凝的杂质。此外，JJL02中的长晶界面形状相对较凸，也有利于杂质向硅锭边部分凝。但相对的，晶体生长末期，熔体最后凝固的位置，即边部硅块的顶部较易出现杂质损失。针对这种情况，使用高纯硅料、高纯坩埚和提高坩埚涂层质量可以有效提高硅锭利用率。

3 结束语

多晶硅定向凝固铸锭炉中的加热器结构和加热器位置会直接影响铸锭过程中的熔体流动模式和固液界面形状，从而影响多晶硅锭中的杂质分布规律。以本文所述两种铸锭炉为例，加热器为棒状并位于热场顶部时，更易于获得平坦的长晶界面，同时熔体流动方向不利于杂质向外分凝，硅锭中下部易出现杂质聚集；加热器为蛇形并位于热场顶部和侧部时，长晶界面相对较凸，且界面前沿的熔体流动方向发生了改变，杂质倾向于出现在边部硅块的顶部位置，整锭杂质损失明显降低。