冶金法太阳能级多晶硅提纯技术现状与质量分析

StatusquoofMetallurgicalPurifiedSolarGradePoly-SiliconanditsQualityAnalysis冶金法太阳能级多晶硅提纯技术现状与质量分析BradleyShi史珺上海普罗新能源有限公司ProPowerInc.目录•BriefIntroductionofMetallurgicalPurificationofSOG冶金法简介•EvolutionofMetallurgicalPurificationofSOG冶金法的进展•ImpuritiesanditsaffecttotheSOG太阳能级多晶硅的杂质及其对材料性能的影响•QualityStabilityAnalysisofMetallurgicalPurifiedSOG冶金法多晶硅的质量稳定性分析TechnologyforPoly-CrystallinSiliconProduction多晶硅提纯技术分类•ChemicalRoutine化学法–ChemicalchangeshappentoSiinpurificationprocess提纯过程中硅发生反应•PhysicalRoutine（MetallurgicalRoutine)物理法(冶金法）–NochemicalchangehappenstoSiinpurificationprocess提纯过程中硅不发生反应ChemicalRoutine化学法•ChemicalchangeshappentoSiinpurificationprocess硅发生了化学反应–SiemensRoutine西门子法–ModifiedSiemensRoutine改良西门子法–MainstreamRoutineatpresent目前的主流工艺–RegularPurityis9N常规纯度应可达到9N多晶硅纯度的表示•SubstractthecontentofP,B,andMetalsfrom100%用100%扣除磷、硼、金属杂质后的硅的纯度•C,O,Nisabout1~10ppm（无需扣除）含有大约1~10ppm级的碳、氧、氮等元素e.g.,7Npolysilicon,maycontain:B:20ppb,P:50ppb,metals:10ppb;andC:1ppm,O:5ppm,N:1ppm（绝对的硅纯度实际为5N）ButcontentofC,O,Ncouldnotexceedthelimit但C、O、N不能过大。太阳能所需要的多晶硅纯度•Polysiliconwithpurityhigherthan7Ncouldnotbemadeintosolarcelldirectly7N以上的多晶硅无法用来直接作太阳能电池•BorPmustbemixedasdopant须掺入硼或磷•ThedopantofBmustbeabout0.25ppm对太阳能来说，硼的掺杂浓度大约在0.25ppmwi.e.,forsolarcell,thepuritymustdownto6Nevenusinga11Npoly-silicon也就是说，在生产太阳能电池时，即便采用11N的高纯硅，也必须掺杂降到6N左右。ImpuritiesandSolarefficiency杂质对光电转换效率的影响DemandofNewTechnology新工艺的需求•Becauseimpuritiesmustaddedtohighpurepoly-siliconfromSiemensmethod,whichmeansenergydoublewaste采用西门子法得出高纯度的硅后，又要掺杂到6N的纯度，意味着能源的双重浪费•That’swhythetechnologyofpurifyingsilicondirectlyto6Nisbeingexploredallthetime直接生产6N太阳能多晶硅的工艺开始被人们所探索。•MetallurgicalRoutinetopurifythepolysiliconisthemostpromisingroutine冶金法是被人探索最多，也是目前最被人看好的工艺。Metallurgical(Physical)Routine冶金法（物理法）•NochemicalchangehappenstoSiinpurificationprocess硅不发生化学反应–Hydro-MetallurgicalRoutine湿法冶金法–PowdeMetallurgicalRoutine粉末冶金法–VacuumRefinery真空熔炼法–EnergyBeam(Electron,Ionic)Method能束(电子、离子）法–DirectionalSolidification定向凝固–OtherMetallurgicalMethods其它冶金法•高纯石英直接熔炼、低温熔体萃取等通常的物理冶金法是采用上述手段的组合来达到对硅提纯的目的。ProcessofProPower’sMPRoutine普罗的冶金法流程5NPackaging&Delivery包装发货ChosenMaterialLocalVacuum精料原则Arcfurcace矿热炉湿法冶金HydrometallurgyVacuumRefineryEMStirringEnergyBeam真空精炼及铸锭Pyrochemical高温化学硅锭加工CrystalStretchingResistivityScanMinorcarrierLTImpuritiesTest质量测试QC粉末冶金PowderMetallurgySmelting精炼Slagging造渣6N5.5~5.7N3N4~4.5N4NSlicingCellManu-factueringMono-CrystalTheoreticalbasisofMPRoutineMP法SOG理论基础•MechanicsofDiffusionandExtractionreactioninsolid固体扩散萃取反应机理•AnalysisandapplicationofHydrophileandhydrophobeinpowdermetallurgy粉末冶金的亲水性和疏水性的分析及应用•ResearchofSegregationoninterfacebetweendifferentmatters不同物质界面分凝机理研究•Mechanismofphysicalchemicalreactioninslaggingrefinery造渣精炼的物理化学反应机制•Principleandapplicationofoxygendispensinginpyro-liquidsilicon液体硅内部高温施氧的原理与应用•Researchofatomickineticsonsolid-liquidinterfaceactivityenergy固液界面表面活化能的原子动力学研究•Quantummechanicsanalysisofatomsinpyroliquid高温液体原子的量子力学分析•Researchonsegregationinsolid-liquidinterfaces液固界面分凝现象和机理研究•Mathematicmodelanlysisofheatfieldandcrystalgrowththeory晶体生长理论及各类温场的数学模型分析•Researconexistenceformandimpactofimpuritiesinsiliconcrystal杂质在硅晶体内部的存在形式和对晶体的影响的研究•Formationmechanismofimpuritiesdeepleveranditsrestrainmethod杂质深能级的形成机制研究及抑制方法冶金法同样需要在理论上进行重要的突破。目录•BriefIntroductionofMetallurgicalPurificationofSOG冶金法简介•EvolutionofMetallurgicalPurificationofSOG冶金法的进展•ImpuritiesanditsaffecttotheSOG太阳能级多晶硅的杂质及其对材料性能的影响•QualityStabilityAnalysisofMetallurgicalPurifiedSOG冶金法多晶硅的质量稳定性分析ProgressofMPmethodonPurityMP法在纯度上的进展（以经济规模）TimeLabPurityProdPurityMfgrsCountry时间实验室纯度产品纯度部分制造商国家2003年“5n”----JFEJapan2004年“6n”----JFE2005年“6n”----迅天宇China2006年“7n”5NElkemNorway2007年“6n”5NDowChem.,南安三晶China2008年5.7N5.7n普罗,佳科,银星,BSI,DC，Chn,CAD2009年6N5.9N5.9n普罗,银星,etc.ChinaProgressofMPmethodSilicononPurityMP法多晶硅在电池效率上的进展（经济规模）时间转换效率衰减后制造商国家备注2006年16%N/AELKEMNorway掺料2007年16%10~11%南安三晶China单晶2008年6月13.3~14.5%无BSI，佳科CHN,CAN多晶8月16.1%12.8%普罗CHN单晶12月17%N/A银星CHN单晶2009年4月16.8%14.5%普罗,CHN单晶8月17.5%17.0%银星CHN单晶两张MP法单晶硅片电阻率扫描图比较2008年6月样品2009年4月样品（中山大学太阳能系统所测试）（阿特斯阳光电力有限公司测试）由图可见，整个硅片电阻率分布更加均匀。两张MP法单晶硅片少子寿命扫描图比较2008年6月样品2009年4月样品（中山大学太阳能系统所测试）（阿特斯阳光电力有限公司测试）由图可见，拉单晶引起的环线条纹消失，表示硅片更加平均。CVProgressComparationbetweenMPmethodSiliconandSiemensmethodsiliconMP法多晶硅与西门子法多晶硅在电池效率上的进展比较单晶硅电池时间西门子法冶金物理法（衰减后稳定效率）2004年10~12%--2005年12~13%--2006年13~14%--2007年15~16%10~11%2008年16~17%12~14%2009年16.5~18%15~17%从10%到16%所用的时间5年2年CVProgressComparationbetweenMPmethodSiliconandSiemensmethodsiliconMP法多晶硅与西门子法多晶硅在电池效率上的进展比较多晶硅电池时间西门子法冶金物理法（衰减后稳定效率）2004年8~9%--2005年9~11%--2006年11~12%--2007年12~14%--2008年14~15%10~14%2009年15~15.5%14~15%从10%到15%所用的时间6年2年目录•BriefIntroductionofMetallurgicalPurificationofSOG冶金法简介•EvolutionofMetallurgicalPurificationofSOG冶金法的进展•ImpuritiesanditseffectonSOGsilicon太阳能级多晶硅的杂质及其对材料性能的影响•QualityStabilityAnalysisofMetallurgicalPurifiedSOG冶金法多晶硅的质量稳定性分析ImpuritiesandPerformanceofSolarcells杂质对太阳能电池的影响•完全没有杂质的硅（纯度在7N以上）是无法直接做电池的，必须掺杂。所以，杂质（施主或受主）是必需的。•施主或受主杂质的浓度必须在一定的范围内•金属杂质的浓度必须小于一定的浓度，不同的金属元素容忍限度不同；•碳氧氮等元素可有ppm级的含量，但不能过多。•如果硼元素含量过多，会与氧元素复合，形成深能级载流子复合中心，