南昌大学光伏研究院光伏材料研究与开发

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   南昌大学光伏研究院设立光伏材料研究所。目前主要集中于光伏晶体硅材料研究,包括晶体生长、缺陷及残余应力形成与控制的原子模拟与宏观数值模拟;金刚石切割多晶硅片制绒等相关问题;硅片切割锯屑粉回收与高值利用;晶体硅的热改性研究与辊道式连续热处理炉开发与应用四大方向上的研发和其它一些工作等。所涉其它类型的光伏材料有CIGS薄膜、钙钛矿薄膜,因它们与太阳电池器件密切联系,目前阶段未形成独立材料研究,而归入“太阳电池”领域。以下分别简要介绍上述各方向主要工作与业绩,其它工作另列其后。

    感谢国家自然科学基金委、江西省科技厅、赛维LDK太阳能、晶科能源、英利绿能集团、Bekaert、海润光伏、豪安能源科技、金晟阳光等部门和企业的支持与合作。

1  定向凝固生长多晶硅锭中位错的形成与控制的计算模拟研究 (周浪 周耐根 唐昌新 方海生 常章用 吴小元 林茂华)


    位错等结构缺陷已被确认为限制多晶硅光伏性能的主要因素,然而无论是在微观尺度还是在宏观尺度,结晶或非晶生长的结构及其控制都难以通过实验研究,基于可靠理论的计算模拟方法则可在这里发挥巨大作用。我们在原子尺度开展了硅结晶生长与位错形核的分子动力学计算模拟研究[1-5],揭示了凝固结晶生长中位错形核的一些晶体学位向条件和应力条件[5];图1、2分别示出一个硅晶<112>生长中出现的位错伴随孪晶形成现象,和一组不同方向生长时位错形核几率随晶体内应力变化情况的模拟实验统计结果。在宏观尺度开展了整锭热场、应力应变场和位错增殖的数值计算模拟研究[6-10],提出了简化多晶硅锭冷却过程的工艺改进方案[5-7,10,11],示如图3。


 
图1 硅晶体<112>生长中一个瞬间的原子结构,显示一种伴随孪晶形成的位错形核情况 
 


 
 图2 不同内应力条件下四种方向硅晶体生长中位错形核几率
 


图3 多晶硅锭凝固完成后传统的均温化-退火-冷却过程与所提出的简化冷却过程曲线(Tc1、Tc2分别代表锭顶和锭底中心温度) 

    简化的多晶硅锭冷却方式缩短单锭工时约3小时,降低电耗和气耗,减少硅锭扩散污染,理论计算显示它不会导致残余应力水平提高,并且因避免多次变温而可大幅度减少位错增殖。此方案已于2013年向行业公开[11]。目前已知有三家企业采纳实验此方案,结果良好,其中一家已全面实施。

[1] 周耐根,胡秋发,许文祥,李克,周浪. 硅熔化特性的分子动力学模拟——不同势函数的对比研究. 物理学报,2013,62(14):146401
[2] Qiufa Hu, Naigen Zhou, Tao Hong, Lan Luo, Ke Li, Lang Zhou. Molecular Dynamics Simulations of the Effect of Carbon Concentration on Silicon Carbide Crystal Growth. Applied Mechanics and Materials Vols. 423-426 (2013) pp 597-601
[3] 周耐根,林茂华,万美茜,周浪(*),Lowering Dislocation Density of Directionally Grown Multicrystalline Silicon Ingots for Solar Cells by Simplifying Their Post-Solidification Processes—A Simulation Approach,Journal of Thermal Stresses,2015,38(1):146-155
[4] 吴小元(#),张弛,周耐根,周浪(*),应变对硅晶体生长影响的分子动力学模拟研究,人工晶体学报,2014(12):3185-3190
[5] 周耐根,林茂华,吴小元,胡秋发,许文祥,周浪.多晶硅锭生长及冷却过程中位错和内应力形成与控制研究.第9届中国太阳级硅及光伏发电研讨会(9th CSPV ), 常熟,11月7-9日,2013.获大会优秀论文奖
[6] Naigen Zhou, Maohua Lin, Lang Zhou, Qiufa Hu, Haisheng Fang, Sen Wang. A modified cooling process in directional solidification of multicrystalline silicon. Journal of Crystal Growth, 2013, 381:22-26
[7] 周耐根,林茂华,万美茜,周浪. Lowering Dislocation Density of Directionally Grown Multicrystalline Silicon Ingots for Solar Cells by Simplifying Their Post-Solidification Processes—A Simulation Approach,Journal of Thermal Stresses,38(2015): 146–155
[8] H. S. Fang, Q. J. Zhang, Y. Y. Pan, S. Wang, N. G. Zhou, Lang Zhou, M. H. Lin, Characteristics of thermal stress evolution during the cooling stage of multicrystalline silicon, Journal of Thermal Stresses, 2013, 36(9): 947-961
[9] H.S. Fang, S. Wang, Lang Zhou, N.G. Zhou, M.H. Lin. Influence of furnace design on the thermal stress during directional solidification of multicrystalline silicon. Journal of Crystal Growth, 2012, 346:5-11
[10] 周浪,周耐根,一种生产定向凝固多晶硅锭的方法,中国发明专利CN103014851A,2012年12月受理并公开
[11] 周浪.多晶硅锭生长及冷却过程中位错和内应力形成与控制研究.第9届中国太阳级硅及光伏发电研讨会报告(9th CSPV ), 常熟,11月7-9日,2013


2  金刚石切割多晶硅片性质及其气相刻蚀制绒 (周浪 岳之浩 黄海宾 陈文浩 肖志刚 耿国营 刘晓梅 李妙)


    金刚石线锯切割硅片技术日趋成熟,相对砂浆线切割能提高工效、提高硅片质量,现在也能降低成本,在单晶硅片切割生产上已逐步量产,而在多晶硅片上却遭遇障碍,其主要原因是与传统的酸性湿法制绒工艺不能兼容、其显眼的切割纹也无法消除,业界迄今无可行解决方案。我们近年来在金刚石切割硅片表面理化性质、力学性能、切割机理、切割纹本质和减反射制绒方面开展了一系列工作[1-8],提出并实验成功一种气相刻蚀制绒方法,取得良好制绒效果(光反射率~18%),并彻底消除了切割纹[6-8]。图4给出一典型绒面微观形貌。该方法同样适用于普通砂浆切割硅片,目前我们正在进一步解决该方法所存在的均匀稳定性差的问题,以期实现生产应用。



图4金刚石切割多晶硅片典型气相刻蚀制绒表面形貌
 
[1] 蔡二辉, 汤斌兵, Wolfgang R. Fahrner, 周浪. Characterization of the Surfaces Generated by Diamond Cutting of Crystalline Silicon, 26th EUPVSEC, Hamburg, Germany, Sept. 5-9, 2011
[2] 蔡二辉,汤斌兵,周剑,辛超,周浪.晶体Si片切割表面损伤及其对电学性能的影响, 半导体技术,2011,36(8),614-618
[3] 龚洪勇,李妙,周浪.A study of mottling phenomenon on textured multicrystalline silicon wafers and its potential effects on solar cell performance, Materials Science in Semiconductor Processing, 26(2014) 149–154
[4] 周 浪.金刚石切割多晶硅片技术—挑战与努力. 第八届中国太阳级硅及光伏发电研讨会 (8th CSPV),上海,2012 年12 月6-8 日
[5] 周 浪.金刚石线锯切割硅片技术中的若干科学问题.第9 届中国太阳级硅及光伏发电研讨会(9th CSPV ),常熟, 2013 年11 月7-9 日.
[6] 陈文浩 刘小梅 肖志刚 岳之浩 周浪,金刚石线锯切割多晶硅片气相刻蚀制绒方法研究进展,第10 届中国太阳级硅及光伏发电研讨会(10th CSPV ), 南通,11 月6-8 日, 2014
[7] Hongchen Meng, Lang Zhou, Mechanical behavior of multi-crystalline silicon wafers sliced by diamond wire saws and its improvement, Silicon, (2014) 6: 129-135
[8] 周剑,辛超,魏秀琴,周潘兵,周浪,张运锋,张美霞.抛光腐蚀深度对多晶硅片抛光与位错刻蚀效果的影响.太阳能学报,34(2013)213-217
[9] 刘小梅,李妙,陈文浩,周浪. 金刚石线锯切割多晶硅片表面特性与酸刻蚀制绒问题研究,光子学报,43(2014) 0816001-1-6
[10] 陈文浩,刘小梅,李妙,尹传强,周浪.On the nature and removal of saw marks on diamond wire sawn multicrystalline silicon wafers,Materials Science in Semiconductor Processing,27(2014) 220–227
[11] 刘小梅,陈文浩,李妙,周浪. 金刚石线锯切割多晶硅片的气相制绒研究. 光子学报, 43 (2014):1116006- 1-4
[12] 陈文浩,李妙,刘小梅,魏秀琴,周浪.金刚石切割多晶硅片切割痕性质与消除方法研究.人工晶体学报, 43(2014), 314-318
[13] 周浪,陈文浩,刘小梅,李妙. 一种太阳电池用多晶硅片的气相刻蚀制绒方法. 中国发明专利 CN104051578A,2014年7月受理并公开
 

3  硅片线锯屑回收利用技术(周浪 尹传强 魏秀琴 汤昊 李兵 贺欢欢 刘宇龙 李秀平)



    太阳电池硅片厚度与线切割锯缝宽度相当,因此光伏行业大约50%的高纯晶体硅料成为硅片线锯屑进入排放废料,其回收利用价值巨大。我们自中国光伏业兴起之时即高度关注和投入硅片线锯屑回收利用研发。目标定位于合乎硅片线锯屑本征高纯特性的高附加值应用,形成硅片线锯屑回收利用系列产品。有关工作从切割排放屑泥的理化性质基础研究开始到产品的合成,形成了一批发明专利(表1), 先后在两家企业实施了不同产品的产业化。图5、6示出初步处理的切割排放固废与回收硅锯屑粉的微观形貌。 



图5 去有机污物后的切割排放固废显微形貌 



图6 回收高纯硅锯屑粉显微形貌


表1 光伏研究院硅锯屑回收利用技术领域授权、公开的发明专利申请一览表

序号
专利名称
专利号/公开号
授权/公开/受理
日期
发明人
1
硅粉与碳化硅粉的界面张力分离方法
ZL200910114991.5
2011.02授权
周浪,周潘兵,尹传强,熊裕华
2
分离硅粉体与碳化硅粉体的泡沫浮选方法
ZL200910114992.X
2011.02授权
熊裕华,魏秀琴,周浪,尹传强,周潘兵
3
两步法分离硅片线锯砂浆回收处理尾料中的硅和碳化硅
ZL201110245901.3
2011.11授权
魏秀琴,贺欢,周浪
4
一种利用回收硅片锯屑粉制备氮化硅的方法
CN102849695A
2013.01公开
周浪,尹传强,魏秀琴
5
一种以回收硅片线锯屑粉制备富α相氮化硅-碳化硅复合粉体的方法
CN103539459A
2014.01公开
尹传强,周浪
6
一种以回收硅片切割锯屑制备高纯β相氮化硅粉体的方法
CN103539460A
2014.01公开
尹传强,周浪
7
一种以回收硅片切割锯屑制备高纯α相氮化硅粉体的方法
CN103553002A
2014.02公开
尹传强,魏秀琴,周浪
8
一种热爆燃烧合成制备氮氧化硅粉体的方法
201510244620.4
2015.05受理
尹传强,周浪


[1] Zhou Lang,Yin Chuanqiang,Zhou Panbin,Wan Yuepeng and Wang Zhihui, A study of physical-chemical nature of the kerfs generated in band sawing / grinding of mc-Si, ROCEEDINGS OF 23RD EUROPEAN PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONFERENCE, September, 2008, Valencia,pp1321
[2] 钟根香,尹传强,魏秀琴,周浪. 硅微粉氧化性质研究. 电子元件与材料. 2008, 27(10):41-44
[3] 明亮,尹传强,魏秀琴,周浪.晶体硅微粉气相氮化及氮氧化条件.材料科学与工程学报,Jun 2010,2(28):416-420
[4] 尹传强,李兵,魏秀琴,周浪.利用硅片线锯屑合成氮氧化硅粉体研究.人工晶体学报,2015
[5] 魏秀琴,尹传强,万跃鹏,周浪.Effect of pre-oxidation on recovering efficiency of Si from wire saw wafering waste by liquid-liquid extraction,Separation and Purification Technology, 2015

4  晶体硅材料与器件的热改性(Thermal Engineering) 及辊道式连续热处理炉开发与应用 (周浪,周潘兵,岳之浩,孙喜莲,姜美芳,韩宇哲) 

   
   晶体硅的光伏应用性能对其内部杂质与缺陷状态十分敏感,而后者又对热过程十分敏感。晶体硅材料从结晶凝固到制成太阳电池器件的过程中经历多次热过程,如钝化、扩散和电极烧结,这些过程一般都并不针对上述敏感性而优化,使材料相对于其缓慢凝固结晶得到的初始状态有所衰退,我们称之为“热衰退”[1],通过优化现有热过程或追加热过程来消除这种热衰退是我们所称“热改性”(Thermal Engineering)的一个重要部分;Thermal Engineering的另一大部分缘自器件表面钝化状态、电极接触状态等对热过程及其气氛的敏感性以及相应的热过程改性优化。两大部分之间亦存在协同优化,总成为我们所提出的晶体硅材料与器件的热改性(Thermal Engineering)概念[2-7]
 
    我们从2007年即开始关注和研究相关问题[1-10],并逐渐形成上述概念。图7归纳了我们所提出的晶体硅材料的各种热敏感因素。2014年开始我们与金晟阳光合作开发陶瓷辊道式连续热处理炉,并在本院建成实验线(图8)。2015年我们与太阳电池企业合作实施应用太阳电池成品追加热处理增效技术,取得初步成功,图9示出我们对一批低效电池片追加实施Thermal Engineering取得的增效效果。近期我们又进一步指导金晟阳光设计制造了用于消除硅片太阳电池光致衰退(LID)的连续辐照退火炉。陶瓷辊道式连续炉及其应用技术于2015年4月28日在SNEC PV POWER EXPO国际展会上被评为“光伏技术进展十大亮点”之一。

 
图7 晶体硅材料的各项热敏感因素及其作用的温度-时间范围
 
图8 光伏研究院辊道式太阳电池连续热处理炉实验室
 

图9 对500片低效档多晶硅太阳电池追加热改性过程的增效效果

[1] 周潘兵,周浪,铸造多晶硅少子寿命的热衰减研究.太阳能学报,2013,34(5),734-740
[2] 周浪,周潘兵,姜美芳.Thermal Degradation and Thermal Engineering of Photovoltaic Silicon Materials and Devices. China PV Technology International Conference (CIPTIC 2013), March 20-22, 2013, Shanghai
[3] 周潘兵, 周浪. Thermal degradation and thermal engineering of crystalline silicon for solar cells, 22nd International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-22), November 5-9, 2012, HangZhou
[4] 周浪. Thermal Engineering of Crystalline Silicon & Cells. 第二届道达尔中国科学论坛(TOTAL Forum),2010年6月3日,苏州
[5] 周浪. 晶体硅光伏材料与器件的热过程改性. 第七届中国太阳级硅及光伏发电研讨会(6th CSPV), 2011年3月16-18,上海
[6] 周浪,周潘兵,龚洪勇,汤斌兵. A Study of the effects of thermal processes on electrical properties of crystalline silicon,International Symposium on Development of Photovoltaic Science and Technology,Dec.16-19, 2009, XinYu
[7] 姜美芳,崔冶青,周潘兵,周浪.多晶硅片材料性质及热过程影响的深能级瞬态谱研究.第9届中国太阳级硅及光伏发电研讨会(9th CSPV ), 常熟,11月7-9日,2013
[8] 周潘兵,李亚东,周浪.硅中热施主在热过程中的消长研究,太阳能学报,2013,33(1),50-55
[9] 周潘兵,柯航,周浪.热处理和冷却速率对直拉单晶硅少子寿命的影响,材料热处理学报,2012,33 (8),23-27
[10] 周潘兵,龚洪勇,陈泽文,汤斌兵,周浪.铸造多晶硅中氧与碳在连续冷却中的沉淀研究. 太阳能学报,2012,33(3),506-510

5  其它研究工作

 
    包括类单晶硅亚结构分析及其前景的特邀评述[1]、低温液相外延p型发射极[2]、单晶硅缺陷结构分析[3]、多晶硅铸锭炉碳构件表面涂层技术[4]、非晶硅薄膜中悬挂键密度的影响因素[5]、低温焊料取代正银技术及免背主栅节银技术等,这些工作暂未形成主要方向、或本身系针对临时性问题,一并列于此。
 
[1] Lang Zhou,Yilin Wang,Binbing Tang. Monocrystalline-Like Cast Silicon: Promising While Challenging. Future Photovoltaics, August 2012 (invited review)
[2] 张范,肖志刚,周浪. p型掺杂晶体硅的低温液相(001)外延生长研究. 人工晶体学报, 2015.
[3] 陈文浩,凌继贝,周浪. 直拉单晶硅“黑心”现象性质分析. 人工晶体学报,44(2015)No2:348-353
[4] 周浪,周蔺桐. 多晶硅铸锭炉用碳材料的防碳污染涂层及制备工艺. 中国发明专利ZL201110242948.4,2014.03授权
[5] 周耐根,胡秋发,许文祥,吴小元,黄海宾,周浪. 基底温度对C-Si(001)表面生长a-Si:H薄膜结构特性影响的分子动力学研究. 人工晶体学报,43(2014)No6: 1453-1459