CN102268724A - 多晶硅锭及其制造方法、太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种多晶硅锭及其制造方法、太阳能电池，该方法包括：在多晶硅锭生长炉内的容器底部放置或喷涂高纯材料，形成隔离保护层；在隔离保护层上铺设籽晶，形成籽晶层；将固态的硅原料装载到籽晶层的上方；对所述容器进行加热，熔化所述硅原料和部分所述籽晶层，以形成液体层，至少保持与隔离保护层接触的部分籽晶层为固态；控制多晶硅锭生长炉内的热场，对所述液体层进行结晶，以使固液界面向远离所述容器底部的方向移动，直至多晶硅锭生长完成。本发明铸造出的多晶硅锭包括大部分单晶硅区域，且隔离保护层的存在降低了多晶硅锭中的杂质含量，采用该多晶硅锭生产出的太阳能电池的光电转换效率提高了。

Description

多晶硅锭及其制造方法、太阳能电池

技术领域

本发明涉及多晶硅的制造技术，尤其涉及一种多晶硅锭及其制造方法、太阳能电池。

背景技术

能源和环境是当今世界广泛关注的两大问题，太阳能作为一种可再生的绿色能源自然成为人们开发和研究的焦点。伴随着太阳能电池业的迅猛发展，成本较低且适合于大规模生产的多晶硅已成为最主要的光伏材料之一，并逐步取代传统直拉单晶硅在太阳能电池材料市场当中的主导地位。

目前，制备太阳能电池用的多晶硅锭的方法主要为定向凝固法，即在熔融的原料硅凝固过程中，通过控制固液界面的温度梯度，以实行可控的定向凝固过程，形成多晶柱状晶(以下简称多晶硅锭)。

上述定向凝固法特指目前普遍采用的GT Solar所提供的定向凝固系统法(Directional solidification system，简称DSS)炉晶体生长技术。定向凝固法是铸造多晶硅的一种方法，其的主要包括加热、熔化、凝固长晶、退火、冷却等工艺步骤，在加热和熔化过程中，多晶硅锭生长炉中的绝热体是封闭的，长晶时将四周绝热体提升，在坩埚下面开出一个传热的口子，使熔融状态的硅原料从底部开始冷却，实现硅原料由下往上的定向凝固，从而逐渐完成多晶硅锭的铸造过程。DSS生长技术可生长大的多晶硅锭，因而多晶硅的产量高。另外该工艺控制相对单晶硅的生长过程而言，多晶硅的生长过程简单，生产成本低，并且该技术可生产大的方形多晶硅片，降低了下游电池加工过程的成本。

但实际生产过程中发现，采用DSS方法生产出的多晶硅锭制作出的太阳能电池，往往存在光电转换效率低等问题，发明人研究发现，出现上述问题的原因是现有技术中生产出的多晶硅锭中的杂质含量和缺陷密度都较高，这就直接影响了太阳能电池的光电转换效率。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多晶硅锭及其制造方法、太阳能电池，降低了多晶硅锭中的杂质含量和缺陷密度，并且，采用本发明实施例中的多晶硅锭生产出的太阳能电池的光电转换效率得到了提高。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种多晶硅锭的制造方法，包括：

在多晶硅锭生长炉内的容器底部放置或喷涂高纯材料，形成隔离保护层；

在所述隔离保护层上铺设籽晶，形成籽晶层，所述隔离保护层将籽晶层与容器底部隔离；

将固态的硅原料装载到所述籽晶层的上方；

对所述容器进行加热，熔化所述硅原料和部分所述籽晶层，以形成液体层，至少保持与所述隔离保护层接触的部分籽晶层为固态；

控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述液体层进行结晶，以使固液界面向远离所述容器底部的方向移动，直至多晶硅锭生长完成。

优选的，所述多晶硅锭含有连续的大尺寸的单晶硅区域，所述单晶硅区域的晶体学取向与位于其下方的所述籽晶的晶体学取向相同。

优选的，所述高纯材料为硅片或高纯石英。

优选的，所述熔化所述硅原料和部分所述籽晶层的过程包括：对所述容器顶部和/或容器侧壁进行加热，保持容器顶部温度高于硅的熔点，容器底部温度低于硅的熔点，形成垂直于容器底部的温度梯度，使所述容器中的硅原料和部分籽晶从上往下依次熔化，并保持与所述隔离保护层接触的部分籽晶层为固态。

优选的，所述对所述容器进行加热过程中，保持所述固液界面与所述容器的底部基本平行。

优选的，对所述液体层进行结晶过程包括：打开所述容器四周的绝热体，并通过所述容器四周的水冷系统对所述容器进行冷却，形成垂直于容器底部的温度梯度，对所述液体层进行结晶，所述容器内的温度沿垂直于容器底部向上的方向逐渐上升。

优选的，对所述液体层进行结晶过程，所述容器内部的温度沿垂直于容器底部向上的方向上升缓慢。

优选的，所述籽晶为晶体学取向为(100)、(110)或(111)取向的单晶硅。

优选的，形成所述籽晶层的过程具体为：采用晶体学取向相同且具有规则的几何形状的大块籽晶拼接铺贴，以覆盖所述隔离保护层上方大部分区域，所述大块籽晶间具有缝隙。

优选的，在所述多晶硅锭生长炉内，且位于所述容器下方的底板上具有多道相互交叉的凹槽，所述凹槽与容器内部的籽晶与籽晶间的缝隙位于同一竖直面上。

优选的，所述熔化所述硅原料和部分所述籽晶层的过程还包括：在所述籽晶层熔化过程中，在所述底板上的凹槽处通入惰性气体。

优选的，对所述液体层进行结晶过程中，位于所述凹槽上方的籽晶间的缝隙处的温度高于其它位置处的温度，籽晶间的缝隙处晶体生长速率小于其它位置处的晶体生长速率。

优选的，所述大块籽晶为方形籽晶或矩形籽晶。

优选的，所述大块籽晶的最短边为100mm-160mm。

优选的，还包括：所述大块籽晶不能完全覆盖所述隔离保护层上方时，采用与所述大块籽晶的晶体学取向相同的条形籽晶填充所述大块籽晶边缘与所述容器侧壁间的区域。

优选的，所述大块籽晶间的缝隙和/或所述大块籽晶与条形籽晶间的缝隙的宽度在0mm-10mm以内。

优选的，所述大块籽晶和/或条形籽晶与硅原料接触的一面上具有倒角。

优选的，所述倒角的深度在10mm-30mm以内。

优选的，所述倒角的角度在70°以内。

优选的，所述籽晶层的厚度为10mm-30mm。

优选的，将固态的硅原料装载到所述籽晶层的上方的过程具体为：

将小颗粒的硅原料和/或硅粉装载到所述籽晶层的上方，以填充所述籽晶间的缝隙以及所述籽晶层与所述容器侧壁间的缝隙；

将大体积的硅原料装载到所述小颗粒硅原料和/或硅粉的上方。

本发明实施例还公开了采用上述方法制作出的多晶硅锭，所述多晶硅锭包含晶体学取向一致的连续大尺寸的单晶硅区域。

本发明实施例还公开了一种太阳能电池，包括：

晶片，所述晶片上具有晶体学取向一致的连续大尺寸的单晶硅区域；

所述晶片中的P-N结；

所述晶片上的导电触点。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的技术方案，采用铸造的方法生产多晶硅锭，通过在容器底部预先放置或喷涂高纯材料，形成隔离保护层，之后在隔离保护层上铺设大面积籽晶形成籽晶层，由籽晶引导单晶硅区域的生长，使生产出的多晶硅锭中包含连续大尺寸的单晶硅区域，即铸造出的多晶硅锭是由大部分与籽晶晶体学取向一致的单晶硅区域，以及少部分的多晶硅区域组成的。由于铸造过程中隔离保护层能够隔绝容器底部的氧、碳等杂质，避免容器底部的杂质渗入到籽晶层和后续添加的硅原料中，从而降低了多晶硅锭中的杂质含量，而且，由于多晶硅锭中含有连续大尺寸的单晶硅区域，因此，采用本发明实施例提供的多晶硅锭生产出的太阳能电池的光电转换效率得到了提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的多晶硅锭的制造方法的流程示意图；

图2为本发明另一实施例公开的多晶硅锭的制造方法的流程示意图；

图3和图4为本发明另一实施例公开的籽晶铺设方式俯视图；

图5为本发明另一实施例公开的籽晶边缘倒角的结构示意图；

图6为本发明另一实施例中生产的多晶硅锭的剖面图；

图7为本发明另一实施例公开的容器支撑装置的剖面图；

图8为本发明另一实施例公开的多晶硅锭生长炉底板的俯视图；

图9为本发明另一实施例公开的多晶硅锭生长炉的剖面图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，采用现有技术的DSS方式生产的多晶硅锭制作的太阳能电池的光电转换效率低，发明人研究发现，出现这种问题的原因一方面是由于多晶硅锭杂质含量高、缺陷密度大，具体的，铸造的多晶硅锭中氧和碳是主要的轻元素杂质，尤其是碳的浓度要高于直拉单晶硅中的浓度，另外还有金属元素、氮、氢等杂质也会对多晶硅材料和太阳能电池的性能造成不良影响；另一方面是由于铸造出的多晶硅锭具有高密度的晶界、位错以及微缺陷，这些缺陷成为硅材料中少数载流子的复合中心，使电荷载流子快速复合，导致少子寿命低，并且，由于晶粒之间的取向是随机的，难以采用化学方法对其表面进行织构，从而不能降低多晶硅表面对光的反射率，不能提高对光的吸收率等特点，导致多晶硅太阳能电池光电转换效率低。

基于以上原因，发明人考虑，相比而言，单晶硅太阳能电池的转换效率比多晶硅太阳能电池的转换效率高，其主要原因是单晶硅的晶粒取向一致，不存在晶界等缺陷，因此若是使生产的多晶硅锭中包含大尺寸的单晶硅区域，应该能够在一定程度上解决现有技术中多晶硅太阳能电池转换效率低的缺点。并且，可采取相应的手段隔离容器底部的氧、碳等杂质，如在容器底部形成隔离保护层等，即可在一定程度上减轻生产出的多晶硅锭中的杂质缺陷等。

以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

基于上述研究的基础上，本发明实施例提供了一种多晶硅锭的制造方法，该方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤S101：在多晶硅锭生长炉内的容器底部放置或喷涂高纯材料，形成隔离保护层；

需要说明的是，一般情况下，在容器底部铺设籽晶之前，会在容器内部喷涂氮化硅涂层，氮化硅涂层起到脱模剂的作用，并且在一定程度上还能够阻止容器内部的杂质进入到铸造主体中，但是在实际生产中发现，即便喷涂脱模剂后，铸造主体中仍然具有较高的杂质含量，发明人研究发现，出现这种问题的原因是，氮化硅涂层并不能很好的阻挡杂质，氮化硅涂层的形成过程主要是，采用氮化硅颗粒与纯水按照一定比例混合并搅匀后，用喷枪喷涂到坩埚壁，之后再在烘箱中进行烧结形成，由于形成的氮化硅涂层中颗粒与颗粒之间存在缝隙，而且氮化硅涂层不可能做的足够厚，以减少这些缝隙，因此，颗粒间的缝隙是难以避免的，氧、碳等杂质元素极易透过氮化硅涂层颗粒间的缝隙扩散进入铸造主体中。

因此，发明人考虑，可在喷涂了氮化硅涂层后的容器底部放置或喷涂高纯材料，形成致密的隔离保护层，即可阻挡杂质元素由容器底壁扩散至铸造主体中。由于铸造主体为含有大面积单晶硅区域的多晶硅锭，为了避免引入其他的杂质元素，优选的，本实施例中的高纯材料为高纯的硅材料，如硅片或高纯石英等。

步骤S102：在所述隔离保护层上铺设籽晶，形成籽晶层，所述隔离保护层将籽晶层与容器底部隔离；

通过在坩埚底部预先放置或喷涂高纯材料，由于高纯材料的隔离作用，可将后续铺设的籽晶层与坩埚底部隔离，以避免坩埚底部或坩埚涂层中的杂质扩散到籽晶和多晶硅锭中，既能降低铸造的多晶硅锭中的氧、碳等杂质含量，而且由于籽晶中的杂质少了，还能增加籽晶循环使用的次数。

本实施例中可以在每次铸造前均在坩埚底部放置或喷涂高纯材料，也可以对坩埚底部如此处理一次，连续使用多次，具体处理情况可根据实际生产过程中设备损耗情况而定。

其中，所述籽晶为晶体学取向固定的单晶硅，所述籽晶层包括至少一种晶体学取向的单晶硅层，优选的，本实施例中的籽晶为晶体学取向为(100)、(110)或(111)的单晶硅，更优选的，本实施例中的籽晶层均采用晶体学取向为(100)的单晶硅铺贴形成。

本实施例这并不限定所述籽晶的形状和尺寸，所述籽晶层可以为与容器底部大小和形状基本相同的大块籽晶，也可以由多块籽晶拼贴形成，若是后者，为了铺设过程的方便以及满足完整平铺的需要，籽晶最好具有规则的几何形状，优选所述籽晶形状为矩形，更优选为正方形，要尽可能选择较大的籽晶，以使拼贴形成的籽晶间的缝隙尽可能小，以保证多晶硅锭的质量。关于所述籽晶的形状、尺寸、铺设方式等在以下实施例中详细说明，本实施例中不做具体限定。

并且，本实施例中也不具体限定所述籽晶层的铺贴方式，但是为了保证多晶硅锭中的单晶硅的质量，优选的，所述籽晶铺设于所述容器的中间区域，另外，为了更好的控制所述多晶硅锭的制作过程和质量，所述籽晶层应与所述容器底部(即隔离保护层平面)保持基本平行或近似平行。

同样的，本实施例中也不具体限定所述籽晶层的厚度，以具体生产过程和生产条件而定，优选的，所述籽晶层的厚度为10mm-30mm。

另外，本实施例中的多晶硅锭生长炉内的容器形状和材质由生产过程中采用的多晶硅锭生长炉内而定，一般情况下，由于本实施例中是采用铸造的方式生产多晶硅锭的，目前普遍采用定向凝固法(Directional SolidificationSystem，简称DSS)炉晶体生长技术，采用该工艺可生产大的方形多晶硅片，降低了下游电池加工的成本。本实施例中可采用定向凝固法的生长炉(DSS生长炉)，也可采用其它多晶硅锭生长原理与DSS生长炉类似的生长炉，对此本实施例中不做过多限定。

本实施例中所述容器一般为方形的坩埚，更普遍的为陶瓷坩埚，当然，所述容器还可以选择其它可用于多晶硅锭的铸造过程的可一次性使用的坩埚或可重复使用的坩埚，如石英坩埚、钼坩埚或钨坩埚等。

步骤S103：将固态的硅原料装载到所述籽晶层的上方；

本实施例中不限定装载所述固态的硅原料的方式，具体装载硅原料的方式根据采用的籽晶层的铺设方式而定，只要保证多晶硅锭中的单晶硅区域的质量即可，如尽量减少晶界、层错等缺陷。

步骤S104：对所述容器进行加热，熔化所述硅原料和部分所述籽晶层，形成液体层，至少保持与所述隔离保护层接触的部分籽晶层为固态；

采用不同的多晶硅锭生长炉，对所述容器进行加热的方法也就不尽相同，如采用热交换法的生长炉、采用布里奇曼法的生长炉或是采用二者相结合技术的生长炉，其加热方法各有不同，只要能够将固态的硅原料和部分籽晶层熔化，满足该步骤的熔化需求即可。

对于采用定向凝固法铸造多晶硅锭的生长炉，通常采用容器顶部和/或容器侧壁的加热设备(一般为加热器)，对容器顶部和/或容器侧壁进行加热，加热过程中，为了尽快的熔化硅原料，要保持容器顶部温度高于硅的熔点，并且为了保证加热过程中籽晶层底部保持固态，容器底部温度应低于硅的熔点，进而形成垂直于容器底部的温度梯度，使所述容器中的硅原料和部分籽晶从上往下依次熔化，并保持靠近隔离保护层上方的部分籽晶层为固态。

需要说明的是，该步骤中并不限定固液界面的状态，根据采用的生长炉的不同，固液界面可以与容器底部具有小的夹角，或者固液界面有少量的凹凸不平的区域，即固液界面呈波浪形、W形或顶部凸起的弧形等，当然固液界面也可以与容器底部基本平行，但是为了保证制造出的多晶硅的质量，本实施例中优选为，在对容器进行加热过程中，尽量保持固液界面与所述容器底部(即隔离保护层平面)基本平行或近似平行。

具体的，若固液界面位于籽晶层的高度区域时，且固液界面凹凸不平时，需保证固液界面的最高点的高度小于等于籽晶层的顶面，固液界面的最低点的高度大于籽晶层的底面，换句话说，即使固液界面的最高点与最低点间的高度差要小于籽晶层的厚度，以保证靠近隔离保护层上方的部分籽晶层为固态，以使固态的部分籽晶层能够起到引晶的作用，保证多晶硅锭中的单晶硅区域的正常生长。

步骤S105：控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述液体层进行结晶，以使所述固液界面向远离所述容器底部的方向移动，直至多晶硅锭生长完成，得到多晶硅锭。

与上一步骤类似，采用不同的多晶硅锭生长炉，对熔融硅进行冷却的方法也不相同，可以利用生长炉底部的冷却装置吸热，也可以通过降低生长炉底部加热器的功率的方式，来降低坩埚底部的温度，同样使炉膛内形成与坩埚底部垂直的温度梯度，以实现熔融硅的从下往上的结晶过程。对于DSS生长炉或与其原理类似的生长炉，具体可通过打开所述容器四周的绝热体(一般为隔热笼)，并通过所述容器四周的水冷系统对所述容器进行冷却，形成垂直于容器底部的温度梯度，对所述液体层进行结晶，所述容器内的温度沿垂直于容器底部向上的方向逐渐上升。

不同的生长炉，打开隔热笼的方式也不同，如提升隔热笼、打开隔热笼上部或下部、旋开隔热笼等，不论采取哪种方式打开隔热笼后，均需通过容器外部的水冷系统对容器进行冷却。

需要说明的是，本实施例的结晶过程中所述容器内部的温度沿垂直于容器底部向上的方向上升缓慢，即沿容器底部向上，温度的上升梯度较小，从而能够保证在定向凝固过程中，生长速率稳定，使硅原料中的杂质(如碳化硅、氮化硅等)有足够的时间进行分凝，以避免因生长速度过快而导致的硅原料中的杂质来不及析出，从而留存在多晶硅铸锭中，形成杂质富集层和硬质点，从而影响产品的质量。具体温度梯度控制在何种大小，可根据实际生产过程的具体情况而定。

本发明实施例所提供的技术方案，采用铸造的方法生产多晶硅锭，通过在容器底部预先放置或喷涂高纯材料，形成隔离保护层，之后在隔离保护层上铺设大面积籽晶形成籽晶层，由籽晶引导单晶硅区域的生长，使生产出的多晶硅锭中包含连续大尺寸的单晶硅区域，所述单晶硅区域的晶体学取向与位于其下方的所述籽晶的晶体学取向相同。

由于铸造过程中隔离保护层隔绝了容器底部的氧、碳和其它杂质，从而降低了多晶硅锭中的杂质含量，降低了产品的缺陷密度，而且，由于多晶硅锭中含有大尺寸的单晶硅区域，晶体的晶粒面积大，相应的晶界的总面积就减小了，晶界密度大大降低。因此，采用本发明实施例提供的多晶硅锭生产出的太阳能电池，较现有技术中的多晶硅太阳能电池光电转换效率更高。

并且，由于本实施例长晶过程中温度梯度较小，长晶速率缓慢且稳定，约为9cm/h-14cm/h，使杂质(如碳化硅、氮化硅等)有足够的时间进行分凝，从而避免了杂质来不及析出而留存在已经凝固的晶体区域，进而减少了多晶硅的铸造主体内的硬质点和杂质富集层，使生产出的多晶硅锭中的缺陷密度大大降低，也从一定程度上提高了少子寿命，提高了太阳能电池的光电转换效率。

本发明另一实施例中公开的多晶硅锭的铸造方法的流程图如图2所示，与上一实施例不同的是，本实施例中将所述籽晶的选择、籽晶层的形成方式以及装载硅原料的过程具体化，该方法包括以下步骤：

步骤S201：在多晶硅锭生长炉内的容器底部放置或喷涂高纯材料，形成隔离保护层，该步骤与上一实施例类似，这里不再赘述；

步骤S202：在多晶硅锭生长炉内的隔离保护层上方，采用晶体学取向相同且具有规则的几何形状的大块籽晶拼接铺贴，以覆盖所述隔离保护层上方大部分区域，所述大块籽晶间具有缝隙；

对于采用DSS方式生产方形多晶硅锭来说，本实施例中所述大块籽晶优选为方形籽晶或矩形籽晶，优选的，所述大块籽晶的最短边为100mm-160mm。

步骤S203：所述大块籽晶不能完全覆盖所述隔离保护层时，采用与所述大块籽晶的晶体学取向相同的条形籽晶填充所述大块籽晶边缘与所述容器侧壁间的区域，所述大块籽晶与所述条形籽晶铺贴完成后，形成所述籽晶层；

换句话说，该步骤可以理解为，当大块籽晶排列好之后，隔离保护层与容器侧壁交接处不能放置一整块的大块籽晶时，可以采用小块的条形籽晶填补这些区域的籽晶空缺，本实施例中不限定条形籽晶的长度和宽度，只要能够与实际生产情况相适配即可，另外，条形籽晶摆放时，其边缘也可以与大块籽晶和容器侧壁保持一定缝隙。

本实施例中优选为(100)取向的单晶硅铺贴形成所述籽晶层，即所述大块籽晶与所述条形籽晶均为(100)取向的单晶硅，优选的，所述籽晶层的面积占据所述隔离保护层面积的百分比，即最终形成的多晶硅锭中的单晶硅区域的体积占多晶硅锭总体积的百分比为50％-99％，更优选的，所述籽晶层的面积占据所述隔离保护层面积的70％-99％，更优选的，所述籽晶层的面积占据所述隔离保护层面积的90％-99％，更优选的，所述籽晶层的面积占据所述隔离保护层面积的95％-99％。

并且，所述大块籽晶间的缝隙和/或所述大块籽晶与条形籽晶间的缝隙的宽度在0mm-10mm以内，以保证晶界面积满足要求，一般情况下，单个晶粒的面积约为2cm*2cm，如果长晶过程的温度、生长速率控制较好，晶粒还会更大。

具体的，本实施例中的籽晶在隔离保护层上方的排列方式的俯视图如图3和图4所示，结合生长炉和容器底部的形状，分别以方形和矩形(本实施例中特指长方形)的大块籽晶为例，对本实施例中籽晶层的铺贴方式进行说明。

图3中为采用大块方形籽晶11和小块条形籽晶12完成铺贴后的籽晶层的示意图，图4中为采用大块长方形籽晶13和小块条形籽晶12完成铺贴后的籽晶层的示意图。本实施例仅以(100)晶体学取向的籽晶为例进行说明，另外本实施例中并不限定大块籽晶和小块条形籽晶的尺寸，如图4中的长方形大块籽晶的长度可以与容器(坩埚)内径的尺寸相近或稍小于坩埚的内径，其宽度优选控制在100mm-160mm为宜，厚度控制在10mm-30mm为宜，条形籽晶的尺寸根据实际情况进行选择，如方形籽晶的边长坩埚宽度不适配时，或与长方形籽晶的宽度与坩埚宽度不适配时，可采用一块或多块条形籽晶弥补其空缺。

由于铺贴方式的限制，籽晶层不能占据隔离保护层上方的全部面积，优选的，本实施例中由大块籽晶和小块条形籽晶铺贴形成的籽晶层的各个边与容器边缘的距离近似，以保证铸造出的多晶硅锭中的单晶硅区域更均匀。

步骤S204：将小颗粒的硅原料和/或硅粉装载到所述籽晶层的上方，以填充所述籽晶间的缝隙以及所述籽晶层与所述容器侧壁间的缝隙；

本实施例中为了避免在铸造过程中，籽晶间的缝隙以及所述籽晶层与所述容器侧壁间的缝隙容易导致铸造主体中出现空洞等缺陷，从而影响产品质量，采用小颗粒的硅原料和/或硅粉填充缝隙，一方面可以避免铸造主体中的空洞缺陷，还能够排除缝隙中的杂质气体，以减小漩涡缺陷及各种氧诱导缺陷等，并且还可以利用小颗粒硅原料和硅粉具有较大的比表面积，较为容易吸热熔化的优点，填充缝隙，提高多晶硅锭的利用率和质量。

另外，本实施例中为了更好的填充这些缝隙，如图5所示，各个籽晶与上部硅原料接触的上表面的棱角均进行了倒角处理，即所述大块籽晶和/或条形籽晶与硅原料接触的一面上具有倒角，优选的，所述倒角的深度在10mm-30mm以内，倒角的角度a在70°以内，即两块籽晶边缘接触部位的夹角b在140°以内。另外，为了尽量减少杂质，还需将籽晶与坩埚底部接触部分需要清洗干净。

由于倒角的设置，两块籽晶间的缝隙以及籽晶与坩埚侧壁间的缝隙可以更小，甚至可以直接紧密接触，并且，一方面倒角的存在相当于在籽晶接触部位设置了一个小的坡度，在填充小颗粒硅原料或硅粉时，可以使缝隙间的小颗粒硅原料或硅粉的排布更紧密，进一步的减少了籽晶缝隙间以及籽晶与坩埚侧壁缝隙间的杂质气体等，进一步的提高了多晶硅锭的质量；另一方面在摆放籽晶时，若为人为摆放，倒角区域为手部提供了放置空间，同时可以作为手部的着力区域，即操作人员可以在倒角部位控制住籽晶使其不掉落，而且摆放时可将其与其它籽晶边缘或坩埚侧壁紧密接触，而且不会碰触到已经摆放好的籽晶，使用设备摆放籽晶亦然。

另外，为了更便于籽晶的摆放以及使小颗粒硅原料和硅粉的排布更紧密，倒角部位可以设置一定的弧度，弧度的大小、形状等可根据实际情况设置，此处不做具体限定。

步骤S205：将大体积的硅原料装载到所述小颗粒硅原料和/或硅粉的上方，直至容器(坩埚)被填满，即完成硅原料的装载过程。

之后执行步骤S206和步骤S207，对所述硅原料和部分籽晶层进行熔化-结晶过程，该过程与上一实施例中的步骤S104和步骤S105类似，这里不再赘述。

采用本实施例的方法制作出的多晶硅锭的剖面图如图6所示，此多晶硅锭的中间部分为单晶硅区域21，单晶硅区域21与其下方的籽晶具有一致的晶体学取向，在单晶硅区域21的周围，由于坩埚22内壁中的杂质极易扩散至坩埚22内壁的表面，造成坩埚22的内壁表面极易成核，因此在单晶硅区域21周围形成晶体学取向随机的多晶硅区域23，在坩埚底部还有未熔化的籽晶层24，由于铺贴的籽晶间具有缝隙或倒角，缝隙或倒角处填充的是小颗粒的硅原料或硅粉，从而制作出的多晶硅锭的单晶硅区域21间可能会存在晶界25，但是由于单晶硅区域21的晶粒面积大，因此，较现有技术中的多晶硅锭，本实施例中制作的多晶硅锭的晶界25的密度以及杂质含量大大降低了。

本发明另一实施例公开了一种底板，具有该底板的多晶硅锭生长炉以及采用该多晶硅生长炉的多晶硅锭制造方法，如图7-图9所示，图7为该多晶硅锭生长炉中的容器支撑装置的剖面图，图8为该底板的俯视图，图9为该多晶硅锭生长炉的剖面图。

具体的，该底板位于多晶硅锭生长炉的容器下方，以承载所述容器，所述容器内可铺设籽晶和硅原料，所述底板上具有多道相互交叉的凹槽，所述凹槽与所述容器内部铺设的籽晶与籽晶间的缝隙位于同一竖直面上，本实施例中所述容器优选为坩埚22。

下面结合多晶硅锭生长炉的结构对底板的具体位置和多晶硅锭的制造过程进行详细说明，如图9所示，该多晶硅锭生长炉包括：

炉体28；

位于所述炉体底部的容器支撑装置，所述支撑装置包括底板26；

位于所述底板26上方的容器，所述容器内可铺设籽晶和硅原料，且所述容器底部具有隔离保护层(图中未示出)；

其中，所述底板26上具有多道相互交叉的凹槽27，所述凹槽27与容器内部铺设的籽晶与籽晶间的缝隙位于同一竖直面上，如图7和图8所示。

本实施例中以方形籽晶为例，与籽晶的形状相对应，凹槽27也是横纵垂直相交，如图8所示。凹槽的宽度可与籽晶间缝隙的宽度相对应，凹槽的深度可与底板的厚度以及容器内硅原料的多少而定，优选的，本实施例中的凹槽深度为5mm-15mm，宽度为10mm-20mm，所述底板优选为石墨底板。

另外，以DSS炉为例，该多晶硅锭生长炉还包括：进气口29、出气口30、隔热笼31、加热器32(包括顶部和侧壁的加热器)，并且，所述支撑装置还包括：坩埚22周边其支撑作用的侧板33，侧板33与底板26连接，且底板26与侧板33间可拆卸；位于底板26下方的DS块，起到支撑底板26，以及散热的作用，本实施例中的DS块优选为石墨材质；位于DS块周边的硬质炭毡35，以起到保温作用。

并且，为了在生产过程中便于向凹槽内通入气体，还可在多晶硅生长炉底部或其它位置增加一个进气口(图中未示出)，下面结合该多晶硅生长炉的结构，对使用该多晶硅生长炉生产多晶硅锭的过程进行说明。

与以上实施例不同的是，本实施例中在硅原料和籽晶层的熔化过程中增加了凹槽底部通气的过程。

一般情况下，硅原料加热阶段以及硅原料熔化阶段的前半段，生长炉内处于真空阶段，在硅原料熔化阶段的后半段，即在硅原料即将熔化完成时，此时生长炉内的温度一般高达1200℃甚至以上，一直到硅锭生长过程、退火过程以及冷却过程全程，均会通过进气口29向多晶硅锭生长炉内通入惰性气体，同时还会从出气口30抽出一定的气体，以排出炉内的杂质，该过程需要保证生长炉内的气压稳定，可根据炉内气压的变化来自动调整进气和出气的量。

并且，在所述籽晶层熔化过程中，在所述底板26上的凹槽27处通入惰性气体，一般情况下，也是在籽晶层即将熔化完成时，在凹槽27处通入常温的惰性气体，籽晶层熔化完成时，即可关闭为凹槽27处提供气体的进气口，并且在长晶阶段也不会再向凹槽处通入气体。

其原因是，由于在晶体生长过程中，籽晶与籽晶的接缝处，即图7中晶界25的区域，容易衍生出多晶硅，为了降低晶界25处多晶硅的产生概率，增加产品中的单晶硅区域21，在底板26上相应的位置处设置凹槽27，并采用新增的进气口，在凹槽27中通入惰性气体，由于在长晶阶段，凹槽27处通入的气体温度已经得到了升高，并且由于惰性气体的导热系数远小于石墨的导热系数，因此在对所述液体层进行结晶过程中，位于凹槽27上方的籽晶间的缝隙处的温度就会稍高于其它位置的温度，从而使籽晶间的缝隙处晶体生长速率小于其它位置处的晶体生长速率，进而使晶界25处产生的多晶硅的概率和含量就会降低。

所述惰性气体优选为氩气，一般为常温的氩气，当然也可选用其它惰性气体，如氦气等，本实施例中对此不做过多限定。

另外，本领域技术人员可以理解，本实施例中仅以DSS炉为例，对多晶硅生长炉的结构及利用其制备多晶硅锭的方法进行说明，如果选用其它类型的多晶硅生长炉，只是相应的改变加热方式、进气口和出气口的位置等，但是，生长炉类型的变化，并不影响本实施例的主体思想，即不论采用何种类型的生长炉，只要采用了本实施例的主体思想，均在本实施例保护的范围之内。

本发明另一实施例公开了采用以上各实施例的方法制作出的多晶硅锭和采用铸造出的多晶硅锭制作的太阳能晶片和太阳能电池。

其中，所述多晶硅锭中包含晶体学取向一致的连续大尺寸的单晶硅区域，将所述多晶硅锭两端的杂质富集层切除后，对其它主体区域进行切割得到太阳能晶片，利用所述晶片制作太阳能电池，所述太阳能电池包括：

晶片，所述晶片上具有晶体学取向一致的连续大尺寸的单晶硅区域；

所述晶片中的P-N结；

所述晶片上的导电触点。

另外还包括涂镀在所述晶片上的减反射膜，以降低晶片对光的反射，增强对光的吸收。

本实施例中的多晶硅锭中氧、碳和其它杂质的含量都较低，并且晶界密度等缺陷大大降低。

由于得到的晶片具有连续大面积的晶体学取向一致的单晶硅区域，因此可以采用化学方法择优腐蚀金字塔绒面，对晶片表面进行织构，增加对光的吸收，并且，晶片中较低的晶界密度，可以有效的避免了因材料中的晶界密度过高造成的太阳能电池片的光电转换效率低的缺陷。

综上所述，相对于现有技术中的多晶硅太阳能电池，本实施例中的太阳能电池具有更高的光电转换效率。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (23)

1.一种多晶硅锭的制造方法，其特征在于，包括：

在多晶硅锭生长炉内的容器底部放置或喷涂高纯材料，形成隔离保护层；

在所述隔离保护层上铺设籽晶，形成籽晶层，所述隔离保护层将籽晶层与容器底部隔离；

将固态的硅原料装载到所述籽晶层的上方；

对所述容器进行加热，熔化所述硅原料和部分所述籽晶层，以形成液体层，至少保持与所述隔离保护层接触的部分籽晶层为固态；

控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述液体层进行结晶，以使固液界面向远离所述容器底部的方向移动，直至多晶硅锭生长完成。

2.根据权利要求1所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述多晶硅锭含有连续的大尺寸的单晶硅区域，所述单晶硅区域的晶体学取向与位于其下方的所述籽晶的晶体学取向相同。

3.根据权利要求2所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述高纯材料为硅片或高纯石英。

4.根据权利要求2所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述熔化所述硅原料和部分所述籽晶层的过程包括：对所述容器顶部和/或容器侧壁进行加热，保持容器顶部温度高于硅的熔点，容器底部温度低于硅的熔点，形成垂直于容器底部的温度梯度，使所述容器中的硅原料和部分籽晶从上往下依次熔化，并保持与所述隔离保护层接触的部分籽晶层为固态。

5.根据权利要求2所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述对所述容器进行加热过程中，保持所述固液界面与所述容器的底部基本平行。

6.根据权利要求2所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，对所述液体层进行结晶过程包括：打开所述容器四周的绝热体，并通过所述容器四周的水冷系统对所述容器进行冷却，形成垂直于容器底部的温度梯度，对所述液体层进行结晶，所述容器内的温度沿垂直于容器底部向上的方向逐渐上升。

7.根据权利要求6所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，对所述液体层进行结晶过程，所述容器内部的温度沿垂直于容器底部向上的方向上升缓慢。

8.根据权利要求2所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述籽晶为晶体学取向为(100)、(110)或(111)取向的单晶硅。

9.根据权利要求2所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，形成所述籽晶层的过程具体为：采用晶体学取向相同且具有规则的几何形状的大块籽晶拼接铺贴，以覆盖所述隔离保护层上方大部分区域，所述大块籽晶间具有缝隙。

10.根据权利要求9所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，在所述多晶硅锭生长炉内，且位于所述容器下方的底板上具有多道相互交叉的凹槽，所述凹槽与容器内部的籽晶与籽晶间的缝隙位于同一竖直面上。

11.根据权利要求10所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述熔化所述硅原料和部分所述籽晶层的过程还包括：在所述籽晶层熔化过程中，在所述底板上的凹槽处通入惰性气体。

12.根据权利要求11所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，对所述液体层进行结晶过程中，位于所述凹槽上方的籽晶间的缝隙处的温度高于其它位置处的温度，籽晶间的缝隙处晶体生长速率小于其它位置处的晶体生长速率。

13.根据权利要求10所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述大块籽晶为方形籽晶或矩形籽晶。

14.根据权利要求13所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述大块籽晶的最短边为100mm-160mm。

15.根据权利要求13所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，还包括：所述大块籽晶不能完全覆盖所述隔离保护层上方时，采用与所述大块籽晶的晶体学取向相同的条形籽晶填充所述大块籽晶边缘与所述容器侧壁间的区域。

16.根据权利要求15所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述大块籽晶间的缝隙和/或所述大块籽晶与条形籽晶间的缝隙的宽度在0mm-10mm以内。

17.根据权利要求16所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述大块籽晶和/或条形籽晶与硅原料接触的一面上具有倒角。

18.根据权利要求17所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述倒角的深度在10mm-30mm以内。

19.根据权利要求18所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述倒角的角度在70°以内。

20.根据权利要求10所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述籽晶层的厚度为10mm-30mm。

21.根据权利要求1所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，将固态的硅原料装载到所述籽晶层的上方的过程具体为：

将小颗粒的硅原料和/或硅粉装载到所述籽晶层的上方，以填充所述籽晶间的缝隙以及所述籽晶层与所述容器侧壁间的缝隙；

将大体积的硅原料装载到所述小颗粒硅原料和/或硅粉的上方。

22.一种采用权利要求1-21任一项所述的方法制作出的多晶硅锭，其特征在于，所述多晶硅锭包含晶体学取向一致的连续大尺寸的单晶硅区域。

23.一种太阳能电池，其特征在于，包括：

晶片，所述晶片上具有晶体学取向一致的连续大尺寸的单晶硅区域；

所述晶片中的P-N结；

所述晶片上的导电触点。

Images