CN101654805A - 一种单晶向、柱状大晶粒的铸造多晶硅的制备方法 - Google Patents

一种单晶向、柱状大晶粒的铸造多晶硅的制备方法 Download PDF

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本发明公开了一种同晶向、柱状大晶粒的铸造多晶硅的制备方法，包括：(1)依次将单晶硅块、硅原料、掺杂元素置于坩埚中；(2)加热使单晶硅块上的硅原料和掺杂元素融化，而每个单晶硅块不被全部融化；(3)热交换从坩埚底部开始，使单晶硅块作为籽晶诱导生长定向凝固形成多晶硅。本发明得到的柱状、大晶粒多晶硅可以有效的降低材料中的晶界密度，基本消除了当前普通铸造多晶硅中由于存在大量晶界导致电池效率降低的问题；同时，本发明得到的多晶硅中的晶粒具有同晶向，使电池制备过程中高效的碱制绒技术能够被应用，从而提高电池对光的吸收效率。

Description

一种单晶向、柱状大晶粒的铸造多晶硅的制备方法
技术领域
本发明属于太阳能光伏发电技术领域，具体涉及一种单晶向、柱状大晶粒的铸造多晶硅。
背景技术
太阳能光伏发电是目前最清洁、环保的可持续能源利用形式之一，近些年在全球得到迅猛发展。具统计，近10年，全球光伏产业年均增长41.3％，近5年为49.5％，2008年比2007年增长60％左右，增长速率逐年递增。目前商用的太阳电池主要是由晶体硅材料制备的，包括单晶硅和多晶硅。单晶硅是通过直拉法获得的，而多晶硅主要是通过铸造方法获得的。由于铸造多晶硅的制备成本远远小于直拉硅，因此，铸造多晶硅越来越被广泛的应用于太阳电池的制备，现在已经占有54％的光伏市场。
相对于直拉单晶硅，铸造多晶硅太阳电池的效率要小1-2％。其主要原因是由于铸造多晶硅中存在大量的晶界和位错，它们能在硅禁带中引入深能级，成为光生少数载流子的有效复合中心，降低电池的光电转换效率。考虑到电池的光电转化效率每提高1％，其成本可降低10％，所以，减少铸造多晶硅中的晶界密度、提高硅电池光转换效率是目前国际光伏界孜孜以求的目标。另一方面，由于铸造多晶硅的晶粒取向无序，这使得在电池制造过程中，高效的异向碱腐蚀技术无法应用于铸造多晶硅片，得到均匀的绒面，所以，一般采用同向酸腐蚀在多晶硅片的表面形成绒面结构，但是，酸腐蚀制绒后的硅片对太阳光的陷阱作用有限，电池的光电转换效率难以得到提高。
发明内容
本发明提供了一种单晶向、柱状大晶粒的铸造多晶硅的制备方法。
这种单晶向、柱状大晶粒的铸造多晶硅的制备方法包括：
(1)依次将单晶硅块、硅原料、掺杂元素置于坩埚中。坩埚底部预先放置的一定数量的单晶硅块作为籽晶，将电活性掺杂剂和多晶硅原料同时放置于坩埚底部预先放置的单晶硅块之上；
(2)加热使单晶硅块上的硅原料和掺杂元素融化。将炉室抽成真空或使用Ar气作为保护气，将硅原料逐渐加热到1410℃以上开始融化，此时从上至下移动保温罩到一个合适位置，使得硅原料全部融化成液体，而同时确保坩埚低部的每个单晶硅块不被完全融化；
(3)冷却坩埚底部未融化的单晶硅块，使单晶硅块作为籽晶诱导生长形成多晶硅。冷却通过在坩埚底部通冷却的气体或冷却水、调整坩埚位置、保温罩位置或热场来实现。定向凝固时，形成单方向的热流(晶体的生长方向垂直向上，热流方向垂直向下)，在固-液界面处存在一定的轴向温度梯度，而在横向的温度梯度较小，从而实现从下至上的这种柱状大晶粒多晶硅的生长。
优选地，所述的单晶硅籽晶的晶向为<100>，这样生长得到的铸造多晶硅中晶粒的晶向也为<100>，使得高效的异向碱腐蚀能得到比较应用于单晶硅
优选地，所述的单晶硅籽晶的形状可以为长方体，其长为1-10cm，宽为1-10cm，高为0.5-10cm。这样的籽晶不但容易准备，而且耗材少。
优选地，所述的单晶硅块的形状为圆柱体，其直径为1-10cm，高度为1-10cm。这样的籽晶也比较容易准备，而且耗材少。
优选地，所述的单晶硅块均匀地置于坩锅的底部，这样得到的铸造多晶硅的晶粒大小也均匀。
优选地，所述的掺杂元素为硼、镓或磷。
优选地，所述的步骤(2)中加热时，调整保温罩位置，使得单晶硅块上的硅原料和掺杂元素融化，而单晶硅不完全融化。这个方法操作过程简单、易控制。
优选地，步骤(3)中的冷却坩埚底部时，通入冷却气体或冷却水。通过循环的冷却气体或冷却水将热量的方法效果好，而且操作过程简单、易控制。
所述的融化掉的单晶硅块厚度占单晶硅块总厚度可以在10％～90％之间。
这种同晶向、柱状大晶粒的铸造多晶硅的特点是所有的晶粒尺寸大，成柱状，晶粒的横截面积均大于5cm2，晶界的密度非常小；而且每个晶粒的晶向都是相同的。
本发明的有益效果在于：本发明采用铸造方法获得柱状大晶粒多晶硅可以有效的降低材料中的晶界密度，基本消除了当前普通铸造多晶硅中由于存在大量晶界导致电池效率降低的问题；同时，本发明获得铸造多晶硅中的晶粒都具有相同的晶向，所以在电池制备过程中高效的碱制绒技术能够被应用，从而提高电池对光的吸收效率。此材料非常适合用于高效太阳能电池的制备。
具体实施方式
以下将结合实施例进一步说明本发明，但本发明并不仅限于此。
实施例1
先将50个长方体(长×宽×高：1cm×1cm×1cm)的无位错的<100>单晶硅块均匀地铺在坩埚底部，然后将240kg的硅原料置于这些单晶硅块上，掺入20mg的掺杂剂硼，实现装炉。将炉室抽成真空，使用Ar气作为保护气。调整保温罩位置，将硅原料逐渐加热到1410℃以上，使硅原料融化成液体，而坩埚底部的单晶硅块上半部被融化。最后，在坩埚底部通入冷却水进行热交换，并以1mm/min的速度提升保温罩，使得硅熔体从底部向上逐渐定向凝固，通过铺在底部的未融化的单晶硅作为籽晶诱导生长，铸造形成硼浓度为6×1015/cm3的柱状大晶粒、晶向为<100>的多晶硅。
本实施例得到的铸造多晶硅片中的晶粒尺寸都大于5cm2，而且每个晶粒的晶向为<100>。其少子寿命在4微秒以上，比普通铸造多晶硅片高1倍以上；而且这种多晶硅片在碱制绒后对光的吸收效率比酸制绒的普通铸造多晶硅片高8％左右。
实施例2
先将15个圆柱体(直径为5cm，高度为2cm)的无位错的<100>单晶硅块均匀铺在坩埚底部，然后将240kg的硅原料置于这些单晶硅块上，掺入20mg的掺杂剂硼，实现装炉。将炉室抽成真空，使用Ar气作为保护气。调整保温罩位置，将硅原料逐渐加热到1410℃以上，使硅原料融化成液体，而坩埚底部的单晶硅块上半部被融化。最后，在坩埚底部通入冷却水进行热交换，并以2mm/min的速度提升保温罩，使得硅熔体从底部向上逐渐定向凝固，通过铺在底部的未融化的单晶硅作为籽晶诱导生长，铸造形成硼浓度为6×1015/cm3的柱状大晶粒、晶向为<100>的多晶硅。
本实施例得到的铸造多晶硅片中的晶粒尺寸都大于30cm2，而且每个晶粒的晶向为<100>。其少子寿命在5微秒以上，比普通铸造多晶硅片高1.5倍以上；而且这种多晶硅片在碱制绒后对光的吸收效率比酸制绒的普通铸造多晶硅片高10％左右。

Claims (9)

1、一种单晶向、柱状大晶粒的铸造多晶硅的制备方法，包括：
(1)依次将一定数量的单晶硅块、硅原料、掺杂元素置于坩埚中；
(2)加热使单晶硅块上的硅原料和掺杂元素融化，而每个单晶硅块不被全部融化；
(3)热交换从坩埚底部开始，使单晶硅块作为籽晶诱导生长定向凝固形成多晶硅。
2、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的单晶硅块的晶向相同，晶向为<100>。
3、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的单晶硅块的形状为长方体，其长为1-10cm，宽为1-10cm，高为0.5-10cm。
4、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的单晶硅块的形状为圆柱体，其直径为1-10cm，高度为1-10cm。
5、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的单晶硅块均匀地置于坩锅的底部。
6、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的掺杂元素为硼、镓或磷。
7、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中加热时，调整保温罩位置，使得单晶硅块上的硅原料和掺杂元素融化，而单晶硅不完全融化。
8、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中的定向凝固时，保温罩以1-4mm/min的速度提升。
9、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中的定向凝固时，坩埚底部的热交换通过通冷却气体或冷却水发生。
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Denomination of invention: Preparation method of casting columnar multi-crystal silicon with large crystal grains in single crystal direction

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Open date: 20100224

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