DSS炉的操作毕业设计论文.docx
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DSS炉的操作毕业设计论文
新余学院
XingyuCollege
毕业设计(论文)
题目DSS炉的操作
学号0810010021
所属系太阳能科学与工程系
专业材料工程技术
2011年5月28日
新余学院教务处制
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日 期:
指导教师签名:
日 期:
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
2)原创性声明
3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
5)目次页(附件不统一编入)
6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写
2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
DSS炉的操作
摘要
热场是指多晶硅铸锭炉加热系统中的温度分布,它对多晶硅晶体的生长至关重要:
晶体的冷却过程、固液界面的形状、晶体中的热应力分布等都是由生长过程中晶体中的温度场和温度梯度分布所决定的,因此,本文对多晶硅铸锭炉的热场进行了重点研究。
主要研究工作如下:
1.研究了多晶硅的制备工艺和多晶硅铸锭炉的工作原理。
2.研究了热场、温度梯度、固液界面对多晶硅的影响及解决方案。
同时对热场中的加热器进行了优化设计,确定了加热器的材料与结构形状。
提出了隔热屏的解决方案,对隔热屏的选材及结构进行了分析。
关键词:
多晶硅铸锭炉;热场;温度梯度;优化设计
ABSTRACTS
Thermalfieldreferstothetemperaturedistributionoftheheatingsystemforthepolycrystallinesiliconingotproductionfurnace.Itisvitaltothegrowthofpolycrystallinesiliconcrystals.TheCrystalcoolingprocess,theshapeofsolid-liquidinterface,thethermalstressdistributionofcrystalandsofortharealldeterminatedbythethermalfieldandtemperaturegradientduringcrystalgrowthprocess.Therefore,thethesisputtheemphasisonthethermalfieldisstudyofthepolycrystallinesiliconingotproductionfurnace.Themainachievementsinthethesisareasfollows:
1.Preparationofthepolysiliconandpolysiliconingotfurnaceworks.
2.TheheattransferandthedecompressionwerestudiedduringthedirectionalsolidificationofthepolycrystallinesiliconingotproductionfurnaceOptimizationdesignwasputforwardforthethermalfieldisheater.Theheaterismaterial、thestructureshapeweredetermined.Atthesametime,Thetechnicalsolutionoftheheatshieldwasproposed.Theheatshieldismaterialandconfigurationwasanalyzed.Configurationformandgeometrydimensionofthevacuumheatingchamberwasresearched.thetemperaturedistributionofthecrystalandmeltingrowthprocesswasdiscussed.Andthetemperaturefieldofthesolid-liquidinterfacewasstudied.Asystematictheoreticalanalysis.
Keywords:
polycrystallinesiliconingotfurnace;Thermalfield;Temperaturegradient;Optimizationdesign.
第一章多晶硅锭的制备原理及工艺
1.1多晶硅的兴起
直到20世纪90年代,太阳能光伏工业还是主要建立在单晶硅的基础上。
虽然单晶硅太阳能电池的成本在不断下降,但是与常规电力相比仍缺乏竞争力,因此,不断降低成本是光伏行业追求的目标。
自20世纪80年代铸造多晶硅发明和应用以来,其增长十分迅速,80年代末它紧占太阳电池材料的10%左右,21世纪初已占50%以上。
铸造多晶硅是利用浇注或定向凝固的铸造技术,在方形坩埚中制备晶体硅材料。
其生长简便、易于大尺寸生长,易于制动化生长和控制,并且很容易直接切成方形硅片,材料的损耗小,促使材料的成本进一步降低,而且铸造多晶硅技术对硅原料纯度的容忍度要比直拉单晶硅高,因此,近年来它不断挤占单晶硅的市场,成为最有竞争力的太阳能电池材料。
本文所探索的多晶硅铸锭炉石用于铸造大型多晶硅锭的设备,它是将硅料高温熔融后通过定向凝固冷凝结晶,使其形成晶向一致的硅锭,从而达到太阳能电池生产对硅片品质的要求。
阳能电池生产完整的产业链如图1-1所示。
从图中可以看出,多晶硅铸锭是整个光伏产业链中的基础工序。
如图1-1所示:
1.2硅锭的制备方法
目前,太阳能电池的硅锭生产工艺主要包括单晶硅拉制和多晶硅铸锭制造等。
单晶硅主要通过直拉后区熔技术形成硅锭,其制备工艺对硅的纯度要求非常高、能耗高、因此,单晶硅太阳能电池的制备成本很高;20世纪70年代铸造多晶硅的出现逐渐打破了单晶硅材料长期垄断的地位,多晶硅铸锭技术是一种能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭的新型技术,能用较低纯度的硅作投炉料,对材质要求比较低;同时刻在电池工艺方面采取措施来降低晶界及其它杂质的影响,因此成本较其它生产方式大为降低,从而成为太阳能电池用硅锭制备的主流方法。
如图1-2所示:
可见,多晶硅电池以其相对低廉的成本在国际上占有越来越大的市场份额。
多晶硅电池的主要不足之处是转换效率较低,要提高其转换效率,需综合考虑硅片的质量及其后续电池制备工艺。
本文注重于考虑硅片的质量,而硅片的质量又取决于硅锭的材质,所以从多晶硅锭的制备着手探讨其对材质的影响。
1.3定向凝固法铸造多晶硅的原理
定向凝固铸造多晶硅的原理是:
将内涂氮化硅涂层的石英坩埚装入多晶硅料后放在导热性很强的石墨块上。
关闭炉膛支撑的定向凝固块的下表面,通过定向凝固块将硅料结晶时释放的热量辐射到下炉膛的水冷内壁上,从而在坩埚内的硅料中形成一个竖直温度梯度。
这个温度梯度使坩埚内的硅料从底部开始凝固,从熔体底部向顶部开始生长,当所有的硅料都凝固后,在PLC程序的控制下,硅锭经过退火、冷却后出炉即完成整个铸锭过程。
图1-3为定向凝固法制备铸造多晶硅晶体生长炉的结构示意图,晶体生长时,隔热装置缓慢往上提升,石英坩埚通过导热率极高的石墨块与周围环境进行热交换。
形成自上部向底部的温度梯度,直到结晶完成。
在整个制备过程中,石英坩埚是不动的。
图1-3
采用定向凝固法制备的多晶硅锭存在晶界和晶粒的不同取向,晶粒间接中的大量缺陷在硅的禁带中形成的界面态是光生载流子的复合中心,影响多晶硅太阳电池特性和效率,控制晶体凝固过程中的晶粒现状和尺寸是降低界面态密度进而提高多晶硅太阳电池性能特性的重要手段之一。
多晶硅锭晶粒和形状的控制在很大程度上取决于铸锭工艺过程,即晶体生长过程中的温度分布、凝固速度、固液界面形状等。
可见,用定向凝固法制造多晶硅时,应严格控制垂直方向上的温度梯度、获得理想的凝固速度、使固液界面尽量平直,从而生长出取向较好的柱状多晶硅,使其电学性能均匀一致。
而影响上述三个参数的主要因素是加热器的热量分布情况,定向凝固块的散热情况以及隔热材料的厚度等,而这些因素又取决于铸锭设备,比如定向凝固块的厚度、冷却水量等几何参数,炉子周围的温度,冷源以及加热状况等热血参数。
可见,晶体生长的原动力来自热场,定向凝固块即为硅料长晶提供调节控制器和辐射表面。
固液界面的生长过程微观上遵循二维成核、侧向层状生长规律。
要获得完美的晶体,应该有一个尽量平坦的固液生长界面,即平坦的等温线。
1.4多晶硅铸锭工艺
以下描述了定向凝固铸造多晶硅的工艺过程,其主要包括装料、抽真空,加热、熔化、长晶、退火、冷却等几个阶段。
1、装料(Load)
装料阶段是定向凝固铸造多晶的第一个阶段,这一阶段看起来似乎很简单,但是这一阶段操作正确与否往往关系到长晶的成败。
大多数造成重大损失的事故(如坩埚破裂)都源于这一阶段。
在此阶段有两个问题需要特别注意:
不要触碰坩埚的内表面,否则会污染和损伤内表面涂层;装料是不要仍头硅料,应小心地、慢慢地铺平硅料,防止划破涂层。
2、抽真空(Vacuum)
将装硅料的坩埚至于铸锭炉内定向凝固块上后,下腔室与上腔室密闭,真空泵系统启动。
真空泵系统包含一个机械泵和一个罗茨泵,用机械泵降低腔室内的压力至50mar,然后启动罗茨泵,两个泵同时作用,继续降压到0.01mbar,以抽出坩埚和硅料所吸附的潮气、油脂等,保持腔室处于低真空状态,铸锭炉进入加热操作程序;
3、加热(Heat)
在最短的时间内将石墨块和硅料加热到尽可能高的温度。
利用功率控制模式加热石墨块内部件(包括加热器、坩埚板、定向凝固块和隔热层内表面)-将热量传送给硅熔体,是融化温度达到转化温度1175℃(TC1热电偶测量温度)。
当TC1热电偶达到转化温度时开始执行温度控制,程序由加热进入熔化阶段;
4、熔化(Melt)
在真空中完成熔化循环的第一个阶段以供烘干水分,保持恒定温度(1175℃)一个半小时使硅料温度与石墨块温度相同且排出水分、油和油脂;温度按一定斜率上升到最后的熔化温度1560℃,且在规定的时间内一直保持这个温度,使硅料完全熔化;同时,定向凝固块温度稳定,达到平衡状态;熔化结束时,所有的硅料达到熔点(约1420℃)。
在此过程中,熔料温度要适宜;熔料温度过高,会使石英坩埚因熔化而破裂;熔料温度过低,使熔料时间变长,提高了成本,同时也起不到熔硅的目的;
5、生长(Growth)
熔化结束后,温度稍微降低,隔热层缓慢往上提升,露出定向凝固块的下表面,由于坩埚底部的熔硅处于“过冷”状态,在坩埚底部快速生长出一层晶粒,这样就从熔体底部到顶部形成了一个温度梯度,进入了晶体的生长状态;
6、退火(Anneal)
当最后一个硅块凝固时,从凝固硅锭的底部存在一个明显的温度梯度。
这个温度梯度在规定内部产生应力或者极小的应力裂纹。
因此,必须采用退火来消除硅锭内部应力,退火温度约为1360℃,此时应关闭隔热层,使硅锭内部温度均匀。
保持此温度消除“长晶”应力后,炉子转换到功率控制模式,进入冷却阶段;
7、冷却(Cool)
隔热层提升直至完全打开,排出氩气约10-15分钟,继续冷却炉子直到底部热电偶测量的温度就是转换到冷却结束时的温度(450℃),炉内压力上升到常压(950mar左右),准备出锭,完成一个长晶循环。
第二章热场
热场是指多晶硅铸锭炉加热系统中的温度分布,它对多晶硅晶体的生长至关重要:
晶体的冷却过程、固液界面的形状、晶体中的热应力分布等等都是由生长过程中晶体中的温度场和温度梯度分布所决定的。
近年来在更大尺寸的硅锭中发现的微晶等缺陷也和生长过程中晶体内的温度分布直接有关,因此,本课题对多晶硅铸锭炉的热场进行重点研究。
热场可以分为静态热场和动态热场,未进行晶体生长时的热场为静态热场,晶体生长时的热场为动态热场。
结晶过程中有潜热的释放,长晶越快,释放的潜热越多,固液界面高度和隔热笼位置的变化以及熔体的流动对热场均产生较大的影响。
热场技术是晶体生长的核心技术,热场研究必须要达到以下目标:
1节能、高效、节约能源,主要是电能,节约消耗材料,如石墨件等;缩短生产周期,以获得高的生产效率;提高可操作性,如便于对热场部件装配和清洁,便于操作人员观测生产过程;
2热场温度梯度的合理性;随着结晶的进行,炉内相应的温度梯度也在变化,此时热场的温度分布也需要重新进行调整,以满足长晶工艺的要求;
图2-1是本课题研究的多晶硅铸锭炉热场结构示意图。
2.1定向凝固铸造多晶硅过程中的热传输
晶体生长过程是由液相到固相的转变过程。
熔体在受控下,原子的空间点由无序排列到有序排列。
对多晶硅生长而言,这种原子由无序排列到有序排列的转变不是一个整体效应,而是通过固液界面的转移逐渐完成的。
为了保证晶体稳定和正常的生长,必须将熔体传给结晶生长界面的热核结晶潜热连续不断地从生长界面,通过晶体传导和表面辐射输送出去。
随着晶体的不断生长,生长界面伴随熔体生长,生长界面伴随熔体减少而向前推进。
界面附近的过冷度逐渐减小,过冷度最终趋于零。
为此必须快速散热,以保证晶体继续生长。
熔体中生长晶体,主要靠热的传输来实现,它起着重要的支配作用,不但能解决生长界面形状,控制晶体的速度,而且影响整个晶体质量。
合适的晶体生长条件主要是要保持一个合适的相变驱动力场。
对于熔体生长系统来说,相变驱动力场就是温度场;对于气相生长系统和溶液生长系统,合适的相变驱动力场也是通过控制生长系统中的温度分布而得到。
2.2多晶硅铸锭的减压工艺
多晶硅锭中硬质夹杂物的出现时隔具有普遍性的问题。
已知的一些国内外多晶硅片生产厂家都有关于硅锭中出现脊纹而报废的报告,甚至由于硬质夹杂而造成包括断线停机、硅块报废等损失的反映。
因此,研究考察多晶硅锭中的夹杂物质、分布及其形成的原因很有必要。
有研究者从太阳能多晶硅锭定相向凝固生产现场采集多晶硅锭顶部和中部样品,对其断面或磨面进行显微观察分析,结果在硅锭中部未发现氮化硅夹杂,而只找到碳化硅夹杂。
第三章加热器的优化
加热器是热场的重要组成部分,正确选用加热器材料,设计性能优良的加热器结构,是多晶硅锭炉热场研究的关键。
作为加热器的材料,应具有如下特征:
1、优良的高温性能:
加热器应能在高温下长期稳定地工作,因此,必须具有优良的耐热性、足够的高温强度、不弯曲变形、不断裂、抗腐蚀、抗氧化,并与热场隔热材料不发生化学反应等;2、具有较高的电阻率:
加热器材料电阻率随温度升高而变化,电阻率高,则加热器短,便于布置安装,但如果电阻率选择过大,在一定功率的热场内,加热器又太粗太短;而电阻率选择太小,则加热器细而长,这样,或造成温度场不均匀或不利于安装;3、具有较小的电阻温度系数:
电阻温度系数越低,加热器温度变化时,其功率的波动越小,对热场的影响不大,如果电阻温度系数较大,温度升高时,其电阻大大增加,导致功率降低;4、具有较低的热膨胀系数:
加热器膨胀系数大,随温度升高伸长也多。
在设计时,应考虑其膨胀量,并留有一定的空间;5、具有良好的机械性能:
加热器要有良好的塑性和韧性,,容易加工成型,有足够的机械强度;6、加热器成本要低,来源充足。
多晶硅铸锭炉炉内温度分布于加热器的尺寸和形状密切相关。
加热器通过辐射传热的形式持续地提供熔化和长晶过程中所需的热量。
由于多晶硅铸锭炉热场温度均匀性对硅锭的质量至关重要,为确保晶体生长时有合理、稳定的温度梯度,研制多晶硅锭炉时应着重考虑加热器的优化设计。
3.1加热方式分析
为达到使硅料熔融的温度(1520℃-1540℃),必须采用合适的加热方式,从加热的效果而言,感应加热和辐射加热均可以达到所需的温度。
感应加热器是利用交流电源输入感应器,在感应加热器中形成交变电磁场,交变磁场的磁通穿过被加热物品时,由于电磁感应就在被加热物品内产生闭合的感应电流即涡流,因为物品自身的电抗很小,涡流可达到很高的数值,因而在物品内部产生很大的热量,使加热物品温度快速升高。
由于交流电具有集肤效应,感应电流在加热物品截面上的分布是不均匀的,由表面向心部以指数规律递减。
因此,感应加热热量主要产生于表面层内,通过传导传热逐渐向中心传递。
论文研究中通过分析结晶的过程可知,由于需要对坩埚四周进行保温,同时为了保证硅料中的温度梯度保持垂直状态,加热器和坩埚的相对位置始终保持不变。
此时坩埚内的硅料有下到上的分布是:
晶体-固液界面-熔融硅液,通过调节定向凝固块的温度使得固液界面逐渐向上移动,完成晶体生长过程。
如果采用感应加热的方式,交变磁场的磁通贯穿全部硅料进行加热,在硅料内部很难形成稳定的温度梯度,同时由于磁场的作用,硅液内部产生搅动和对流,使固液界面的晶粒产生游离,破坏晶体生长的一致性,而采用辐射加热可以对结晶过程的热量传递进行精确控制,可以避免对硅液产生干扰,易于在坩埚内部形成垂直的温度梯度,因此本文研究中
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