CN101935867A - 一种生长大晶粒铸造多晶硅的方法 - Google Patents

一种生长大晶粒铸造多晶硅的方法 Download PDF

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余学功
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杨德仁
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Abstract

本发明公开了一种生长大晶粒铸造多晶硅的方法，包括：将中心开孔的石英片铺在坩埚底部；其中石英片为梯形体结构，石英片的两平行底面中面积较小的底面与所述坩埚底部接触；先将单晶硅块填入所述石英片的开孔位置，再依次放入多晶硅原料和掺杂元素；加热使多晶硅原料和掺杂元素完全融化，而坩埚底部的单晶硅块部分融化；热交换从坩埚底部开始，单晶硅块作为籽晶诱导生长，硅熔体从底部向上定向凝固形成大晶粒铸造多晶硅。本发明解决了铸锭时单晶硅块作为籽晶完全融化的问题，有利于硅熔体主要通过籽晶诱导生长；大大减少了籽晶的用量，降低了生产成本；同时，操作过程简单，可在不改变目前生长工艺的条件下生长大晶粒铸造多晶硅。

Description

一种生长大晶粒铸造多晶硅的方法
技术领域
本发明属于太阳能光伏发电技术领域，具体涉及一种大晶粒铸造多晶硅。
背景技术
高密度的晶界和位错是影响铸造多晶硅太阳电池转换效率的主要因素之一。单晶铸锭是目前国际上生长大晶粒铸造多晶硅较为前沿的技术，其途径是在坩埚底部放置单晶硅块，熔体结晶时通过单晶硅块作为籽晶诱导生长，这样长出的铸造多晶硅不但晶粒尺寸大，而且位错密度低。但单晶铸锭技术并不能直接应用于现目前主流铸锭炉型，以GT的热交换炉型为例，加热器分布坩埚四周，化料时坩埚底部温度最高，如何控制单晶硅块的部分熔解是较为困难的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种生长大晶粒铸造多晶硅的方法，解决了铸锭时单晶硅块作为籽晶完全融化的问题，有利于硅熔体主要通过籽晶诱导生长，可在不改变目前生长工艺的条件下生长大晶粒铸造多晶硅。
一种生长大晶粒铸造多晶硅的方法，包括：
(1)将中心开孔的石英片铺在坩埚底部；所述石英片为梯形体结构，所述石英片的两平行底面中面积较小的底面与所述坩埚底部接触；
(2)先将单晶硅块填入所述石英片的开孔位置，再依次放入多晶硅原料和掺杂元素；
(3)加热使所述多晶硅原料和掺杂元素完全融化，而所述坩埚底部的单晶硅块部分融化；通常，所述融化过程是在氩气等惰性气体保护下进行，加热温度为硅熔点以上；
(4)热交换从所述坩埚底部开始，所述单晶硅块作为籽晶诱导生长，硅熔体从底部向上定向凝固形成大晶粒铸造多晶硅。
所述热交换通过提升保温罩或在所述坩埚底部通冷却水或冷却气体进行。
其中，所述石英片靠近坩埚侧壁的部分的厚度为2-5cm，所述石英片在中心开孔边缘处的部分的厚度为1-2cm。
优选地，所述单晶硅块的晶向为<100>，这样生长得到的铸造多晶硅中的晶粒的晶向也为<100>，使得高效的异向碱腐蚀能够应用于织构。
优选地，所述单晶硅块的形状可以为长方体，其长1-10cm，宽为1-10cm，高为1-2cm，这样的单晶硅块不但易于准备，而且耗材少。
相应地，所述石英片中心开孔的形状优选为长方体，其长为1-10cm，宽为1-10cm，高为1-2cm。
优选地，所述掺杂元素为硼、镓或磷。
相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：
(1)通过将高纯低热导率的石英片铺在坩埚底部，降低了铸锭炉内四周加热器传到坩埚底部中心的热量，解决了单晶硅块作为籽晶铸锭时完全融化的问题。
(2)采用梯形体结构石英片，并且石英片的两平行底面中面积较小的底面与所述坩埚底部接触，使得结晶时坩埚底部中心硅晶体的热导率高于周围石英片的热导率，有利于硅熔体主要通过籽晶诱导生长，与坩埚底部铺满籽晶的铸造方法相比，大大减少了籽晶的用量，降低了生产成本。
(3)本发明获得的铸造多晶硅中的晶粒大多数具有相同的晶向，使得电池制备过程中高效的碱制绒技术能够被应用，从而提高了电池对光的吸收效率。
本发明操作过程简单，可在不改变目前生长工艺的条件下生长大晶粒铸造多晶硅。
附图说明
图1为本发明中石英片的俯视图。
图2为本发明中石英片的中心剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步说明：
实施例1
将如图1和图2所示的石英片2铺在方形坩埚1底部，石英片2为梯形体结构，石英片2的两平行底面中面积较小的底面与所述坩埚底部接触，坩埚侧壁附近石英片的厚度为4cm，中心孔边缘处石英片的厚度为2cm，中心孔的形状为长方体，其长为10cm、宽为10cm、高为2cm。
再将单晶硅块填入石英片中心孔位置，然后将240kg的多晶硅原料置于坩埚，掺入20mg的掺杂剂硼，装炉。将炉室抽成真空，使用Ar气作为保护气。逐渐加热到1420℃以上使多晶硅原料和掺杂元素完全融化，而单晶硅块部分融化。最后，在坩埚底部通入冷却水进行热交换，硅熔体通过铺在底部的未融化的单晶硅块作为籽晶诱导生长，铸造形成硼浓度为6×1015/cm3柱状大晶粒，且大多数晶粒的晶向为<100>。
本实施例得到的铸造多晶硅片的晶粒尺寸都大于4cm2，少子寿命在4微秒以上，比普通铸造多晶硅片高1倍以上。
实施例2
将如图1和图2所示的石英片2铺在方形坩埚1底部，石英片2为梯形体结构，石英片2的两平行底面中面积较小的底面与所述坩埚底部接触，坩埚侧壁附近石英片的厚度为5cm，中心孔边缘处石英片的厚度为1cm，中心孔的形状为长方体，其长为10cm、宽为10cm、高为1cm。再将单晶硅块填入石英片的中心开孔位置，然后将240kg的多晶硅原料置于坩埚，掺入20mg的掺杂剂硼，装炉。将炉室抽成真空，使用Ar气作为保护气。逐渐加热到1420℃以上使多晶硅原料和掺杂元素完全融化，而单晶硅块部分融化。最后，提升保温罩，硅熔体通过铺在底部的未融化的单晶硅块作为籽晶诱导生长，铸造形成硼浓度为6×1015/cm3柱状大晶粒，且大多数晶粒的晶向为<100>。
本实施例得到的铸造多晶硅片的晶粒尺寸都大于4cm2，少子寿命在4微秒以上，比普通铸造多晶硅片高1倍以上。
以上仅是本发明的具体应用案例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变化或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种生长大晶粒铸造多晶硅的方法，包括：
(1)将中心开孔的石英片铺在坩埚底部；所述石英片为梯形体结构，所述石英片的两平行底面中面积较小的底面与所述坩埚底部接触；
(2)先将单晶硅块填入所述石英片的开孔位置，再依次放入多晶硅原料和掺杂元素；
(3)加热使所述多晶硅原料和掺杂元素完全融化，而所述坩埚底部的单晶硅块部分融化；
(4)热交换从所述坩埚底部开始，所述单晶硅块作为籽晶诱导生长，硅熔体从底部向上定向凝固形成大晶粒铸造多晶硅。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述石英片靠近坩埚侧壁的部分的厚度为2-5cm，所述石英片在中心开孔边缘处的部分的厚度为1-2cm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述石英片中心开孔的形状为长方体，其长为1-10cm，宽为1-10cm，高为1-2cm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述单晶硅块的晶向为<100>。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述单晶硅块的形状为长方体，其长为1-10cm，宽为1-10cm，高为1-2cm。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述掺杂元素为硼、镓或磷。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中的定向凝固时，所述热交换通过提升保温罩或在所述坩埚底部通冷却水或冷却气体进行。
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