Enhancing Production Efficiency of Czochralski-grown Single-Crystalline Silicon Ingots for Solar Power Applications

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Helsinki University of Technology | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Location:
P1 Ark TF80

Authors

Date

2007

Department

Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto

Major/Subject

Materiaalifysiikka

Mcode

Tfy-44

Degree programme

Language

en

Pages

100

Series

Abstract

Tämän työn tavoitteena oli löytää ja kehittää erilaisia menetelmiä aurinkokennokäyttöön tarkoitettujen yksikiteisten piikiteiden tuotannollisen Czochralski-kasvatuksen tehostamiseksi. Tätä silmälläpitäen työssä tarkasteltiin sekä fysikaalista kasvuprosessia, kasvatukseen liittyviä tuotantotoimenpiteitä että tuotannon johtamista ja hallintaa. Työn taustana olivat aurinkokennokäytön asettamat vaatimukset piikiteille. Näistä tärkein on varauksenkuljettajien elinajan pitäminen mahdollisimman pitkänä. Tämä tarkoittaa kiteille varsin korkeaa puhtautta ja vähäistä kidevirheiden määrää. Muilta osin vaatimukset piin laadulle ovat tietyin varauksin hieman väljempiä kuin puolijohdekomponenteiksi myytävän piin tapauksessa. Työssä keskityttiin parantamaan kasvuprosessia sen sulatus-, jäähdytys- ja vetovaiheiden osalta. Sulatusvaihetta kehitettiin tekemällä kideuuneilla joukko sulatuskokeita. Kokeissa pyrittiin suuren tehon ohella minimoimaan siirtymäajat liikuttaessa lämpötilasta toiseen vaarantamatta kuitenkaan kiteen laatua. Jäähdytysvaihetta varten kehitettiin joukko lähinnä radiatiiviseen ja konvektiiviseen lämmönsiirtoon perustuvia menetelmiä, joista osaa testattiin sovelletusti. Vetovaihetta kehitettiin suunnittelemalla ja läpikäymällä sarja kokeita, joissa tasaisesti nostettiin kiteen vetonopeutta. Kiteiden laatu tarkistettiin jokaisen kokeen jälkeen. Kaiken kaikkiaan työssä esitellyillä keinoilla saavutettiin yhteenlaskettuna n. 17 % prosentin kapasiteetin nosto pelkästään kasvuprosessia kehittämällä. Työssä esitetään myös joukko keinoja tämän kapasiteetin kasvattamiseksi entisestään. Kuten kasvuprosessinkin kehityksessä, tuotannon toimenpiteiden ja hallinnan kehittämisessä keskityttiin myös lähinnä kapasiteettia nostaviin toimenpiteisiin. Näiden kehittäminen perustui lähinnä havainnointiin ja haastatteluihin tuotannossa. Kehitystyön apuna käytettiin myös 3,5 kuukauden mittaista tuotannon seurantaa, jossa kerättiin aikasarjoja uunien valmistelu- ja sykliajoista. Tätä tietoa analysoitiin tilastollisesti erilaisten tuotannollisten muuttujien valossa. Tärkeimmiksi kehityskohteiksi valittiin näiden tietojen perusteella uunien panostaminen ja niiden valmistelussa esiintyvän variaation vähentäminen. Panostamisen nopeuttamiseksi esitettiin uunin ulkopuolella tapahtuvaan esipanostukseen perustuva ajatus. Tämän lisäksi tuotannonhallinnassa käytettyyn ohjausjärjestelmään ehdotettiin ennustettavuutta parantavia parannuksia. Näiden toimien vaikutukseksi arvioitiin parantuneen käyttöasteen ohella n. 2 % kapasiteetin nousu. Työn ohessa havaittiin tuotannon tiedonhallinnan edellyttävän huomattavaa kehitystä. Suurimpia tarpeita ovat tuotannon tehokas, tietoon perustuva suunnittelu ja aikataulutus sekä tarkkojen kasvatustietojen kattava kerääminen siten, että työn kulku pysyy jouhevana. Tärkeä tavoite oli myös saada kerätty informaatio kaikkien sitä tarvitsevien käyttäjien saataville. Työssä esitellään näkemys siitä, kuinka tätä järjestelmää pitäisi kehittää ja mitä se alustavasti edellyttäisi. Näiden toimenpiteiden vaikutusta ei työssä arvioitu suoraan, mutta niiden pitäisi vaikuttaa myönteisesti erityisesti käyttöasteeseen.

Description

Supervisor

Hautojärvi, Pekka

Thesis advisor

Anttila, Olli

Keywords

silicon, pii, solar cells, aurinkokennot, Czochralski-method, Czochralski-menetelmä, production management, tuotannonhallinta

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020120553684

Collections

[dipl] Teknillinen korkeakoulu / TKK