CN102644108A - 一种铸造法生长硅晶体的装料方法以及生长硅晶体的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铸造法生长硅晶体的装料方法以及生长硅晶体的工艺，装料方法包含以下步骤：在石英坩埚底部放置石英隔离层，石英隔离层上方铺放籽晶层，籽晶层上方放置硅原料。通过在石英坩埚和籽晶层之间铺设石英隔离层，能有效解决石英坩埚底部杂质扩散影响后续定向凝固法生长出的硅晶体铸锭品质的问题，使用本发明的装料方法，能明显提高硅晶体铸锭的少子寿命，并且不需要改变原有的晶体硅铸锭炉的结构及多晶生产工艺，成本低。

Description

一种铸造法生长硅晶体的装料方法以及生长硅晶体的工艺
技术领域
本发明涉及太阳能电池材料制备领域，具体涉及一种铸造法生长硅晶体时的装料方法。
背景技术
硅单晶和硅多晶铸锭是晶体硅太阳能电池最常用的材料。通常情况下，使用硅单晶材料比使用硅多晶材料制造的太阳能电池具有更高的光电转换效率。硅单晶目前最常用的制造方法有提拉法(Czochralski法)和区熔法(Floating Zone法)，硅多晶的制造方法则通常采用定向凝固法(又称为铸造法)。
采用铸造法也可以用来生长单晶硅铸锭。为了生长单晶硅铸锭，定向凝固的初始过程需要采用特定晶向的籽晶进行引导。
申请号为201010198142.5、200880106116.6和200910152970.2的中国发明专利讨论了籽晶引导对生长高质量铸锭的重要作用。
在定向凝固法制备铸造硅晶体时，可以利用方形的高纯石墨作为坩埚，也可以利用高纯石英作为坩埚。高纯石墨的成本比较便宜，但是有较多可能的碳污染和金属杂质污染；高纯石英的成本较高，但污染少，要制备优质的铸造硅晶体就必须使用石英坩埚。
在定向凝固法中，硅原料放置在多晶铸锭炉内的石英坩埚中，通过改变温度场使硅原料从下向上定向结晶而成。目前使用的石英坩埚的一般形状如图1所示。
通常情况下，用于铸造法硅晶体生长的石英坩埚由纯度为99.9％左右的石英原料加工而成。在制备铸造硅晶体时，在晶体硅原料熔化、晶体硅结晶过程中，硅熔体和石英坩埚长时间接触，会产生黏滞作用。由于两者的热膨胀系数不同，在晶体冷却时，可能造成晶体硅或石英坩埚的破裂；同时，由于硅熔体和石英坩埚长时间接触，会造成石英坩埚的腐蚀，使得硅晶体中的氧浓度上升，为了解决这个问题，在生产石英坩埚时，石英坩埚的内壁面还涂覆了一层很薄的Si3N4涂层，从而隔离了硅熔体和石英坩埚的直接接触，不仅能够解决黏滞问题，保证硅晶体铸锭不会因热应力而损坏，而且可以降低多晶硅中的氧、碳杂质浓度，进一步的，利用该涂层还可以使石英坩埚可能得到重复使用，达到降低生产成本的目的。通常所用的Si3N4的纯度一般为99.9～99.99％之间。
一般用于晶体硅太阳能电池的硅材料的纯度要求为99.999％以上，而高品质的晶体硅太阳能电池要求硅原料的纯度在99.9999％以上，石英坩埚材料和涂层材料的使用都存在纯度不够高的问题，无论是石英坩埚的纯度，还是Si3N4的纯度，相对于硅原料的纯度来说都是偏低的，因此石英坩埚内壁面的杂质扩散，会对铸锭法生产出的硅晶体铸锭(简称硅锭)的质量产生很大的影响。
发明内容
本发明提供了一种铸造法生长硅晶体时的装料方法，使用该方法，不需要从根本上改变原有的工艺或装备，就能有效解决由于石英坩埚内壁面杂质扩散而对硅晶体生长产生的影响。
一种铸造法生长硅晶体的装料方法，包含以下步骤：在石英坩埚底部放置石英隔离层，石英隔离层上方铺放籽晶层，籽晶层上方放置硅原料。
所述的石英隔离层厚度为2～20mm。石英层隔离层太薄(小于2mm)会使石英隔离层起不到隔离从石英坩埚和石英坩埚内壁Si3N4涂层中扩散出的杂质的作用，石英隔离层太厚(大于20mm)则增加了石英的采购成本，同时减少了坩埚内硅原料的装料量。
所述的石英隔离层由一块或多块石英片拼接而成。石英片可以采用整片，也可以采用多片拼接的方式组成。整片石英片隔离效果更好，相应成本也高，采用多片拼接的方式虽没有整片石英片方便，但是，可以降低成本，多层铺垫后，同样可以起到良好的隔离效果。
所述的石英隔离层也可以由石英颗粒平铺而成。所用的石英颗粒为3～20目的石英砂，在该颗粒度大小范围内，即能取得较好的杂质隔离效果。如果目数过大，颗粒过细，可能会黏附在生长出的硅晶体铸锭上，如果目数过小，则可能起不到良好的杂质隔离效果。
所述的石英片或石英颗粒中SiO2含量在99.99％以上。由于石英隔离层的作用在于隔离从石英坩埚和石英坩埚内壁Si3N4涂层中扩散出的杂质，因此石英隔离层本身就不能再引入新的杂质，石英隔离层的纯度越高越好，试验表明，采用SiO2含量(质量百分比)高于99.99％的石英片或石英颗粒，其杂质对硅锭的影响较小，能够满足硅晶体铸锭作光伏材料的要求。
在石英坩埚中铺设石英隔离层后，存在硅原料和籽晶熔化完后，石英上浮的风险，这是因为石英的密度要小于硅熔液的密度，所以，在生产时要注意不能将籽晶层全部熔化。
所述的籽晶层由截面为正方形的籽晶紧密排列而成。为了防止硅熔液从籽晶之间的缝隙流入到石英隔离层，从而使得部分石英被带入到硅熔液中，在后续定向凝固法生长出的硅晶体铸锭中引入石英杂质，因此，要求籽晶与籽晶之间紧密排列。最方便的方式是将籽晶加工成截面为正方形的籽晶，这样可以方便籽晶之间紧密排列。
所述的籽晶为硅单晶籽晶。为保证后续定向凝固法生长出的硅晶体的品质，籽晶的选择尤为重要，籽晶的品质越好，则后续生长的硅晶体越不容易产生缺陷，因此，通常情况下，选择硅单晶籽晶作为籽晶。
本发明还提供了一种铸造法生长硅晶体的工艺，包括向石英坩埚内装料，而后利用铸造法生长硅晶体，所述向石英坩埚内装料时，采用本发明所述的装料方法。
本发明提供的铸造法生长硅晶体时的装料方法，不改变原有的铸造法生长硅晶体设备和工艺，可以有效阻止石英坩埚及石英坩埚内壁Si3N4涂层中扩散出的杂质，并且使用成本低，适合大规模推广应用。
附图说明
图1是石英坩埚的三维结构示意图；
图2是籽晶层的三维结构示意图；
图3是采用本发明的装料方法装料后的示意图；
图4是硅晶体铸锭在水平截面上的少子寿命平均值分布图。
具体实施方式
实施例1
采用图1形状的石英坩埚1进行装料。石英坩埚内壁涂有0.1mm厚的Si3N4涂层。
石英坩埚的有效容积近似为840mm(长)×840mm(宽)×450mm(高)。
装料前，先准备颗粒度为10目的石英砂，纯度(SiO2的质量百分比)为99.999％，另外准备25块尺寸为156mm(长)×156mm(宽)×25mm(高)的P型硅单晶籽晶。所述籽晶的少子寿命大于5微秒。
装料时，先将所述的石英砂在坩埚中央平铺出一个面积为780mm(长)×780mm(宽)×8mm(高)的石英隔离层2。石英隔离层2与石英坩埚1内侧面的间隔为30mm。石英隔离层铺好后，在石英隔离层的上方以5×5的阵列用25块籽晶3紧密排列出780mm(长)×780mm(宽)×25mm(高)的籽晶层4(如图2所示)。最后在籽晶层上方装好硅原料5。另外在石英隔离层2和籽晶层4与坩埚1之间的间隔中也适当放置硅原料。装好料后的坩埚内截面示意图(如图3所示)。
熔化硅原料时，控制加热功率及散热方式，使得绝大部分硅原料熔化，并使得籽晶层4靠近硅原料部分熔化但与石英隔离层2相接触部分的籽晶底部不完全熔化，这将使石英隔离层中的石英砂不会因浮力而被带入到硅熔液中。
最后通过定向凝固法生长出硅单晶铸锭。生长出的硅单晶铸锭为六面体，形状与坩埚形状一致。
对比例1
籽晶层4与石英坩埚1之间不放置石英隔离层，其余硅晶体生长工艺同实施例1。
从下向上定义为铸锭的生长方向，与生长方向垂直的截面定义为水平截面。实施例1与对比例1硅单晶铸锭少子寿命在水平截面上的分布如图4所示。
从图4中可以看出，在对比例1没有石英隔离层的情况下，石英坩埚及石英坩埚内壁Si3N4层杂质在高温下会向硅单晶铸锭扩散，导致硅单晶铸锭底部的少子寿命大幅偏低，未熔化的籽晶少子寿命比生产前的籽晶少子寿命要低得多(在图4中对应距离坩埚底部0～15mm部分)，说明从石英坩埚底部扩散进入的杂质很多聚集在未熔化的籽晶上。
从图4中可以看出，在实施例1中未熔化的部分籽晶(在图4中对应距离坩埚底部0～15mm部分)少子寿命比生产前的籽晶少子寿命要低，仍有杂质从坩埚底部扩散进来，但与对比例1相比，少子寿命的降低已有改善，说明石英隔离层虽然不能完全阻止石英坩埚及内壁Si3N4层杂质影响籽晶及硅单晶铸锭的少子寿命，但已经能很明显地起到阻碍杂质扩散的作用，使实施例1中硅单晶铸锭的质量有了明显的提高(硅单晶铸锭底部的少子寿命提高了1～3微秒)。
实施例2
石英隔离层2由石英片拼接而成，其余硅晶体生长工艺同实施例1。
所用的石英片厚度为3mm，截面为165mm×165mm，总共25片石英片以5×5的阵列紧密拼接形成石英隔离层2。石英片紧密拼接后形成的石英隔离层2的面积为825mm×825mm。石英隔离层的面积比实施例1中的面积更大，其优点在于可以尽可能多地隔离来自坩埚底部的杂质扩散。

Claims (9)

1.一种铸造法生长硅晶体的装料方法，其特征在于，包含以下步骤：在石英坩埚底部放置石英隔离层，石英隔离层上方铺放籽晶层，籽晶层上方放置硅原料。
2.如权利要求1所述的铸造法生长硅晶体的装料方法，其特征在于：所述的石英隔离层厚度为2～20mm。
3.如权利要求1所述的铸造法生长硅晶体的装料方法，其特征在于：所述的石英隔离层由一块或多块石英片拼接而成。
4.如权利要求1所述的铸造法生长硅晶体的装料方法，其特征在于：所述的石英隔离层由石英颗粒平铺而成。
5.如权利要求4所述的铸造法生长硅晶体的装料方法，其特征在于：所述的石英颗粒为3～20目的石英砂。
6.如权利要求3～5任一所述的铸造法生长硅晶体的装料方法，其特征在于：所述的石英片或石英颗粒中SiO2质量百分比在99.99％以上。
7.如权利要求1所述的铸造法生长硅晶体的装料方法，其特征在于：所述的籽晶层由截面为正方形的籽晶紧密排列而成。
8.如权利要求7所述的铸造法生长硅晶体的装料方法，其特征在于：所述的籽晶为硅单晶籽晶。
9.一种铸造法生长硅晶体的工艺，包括向石英坩埚内装料，而后利用铸造法生长硅晶体，其特征在于，所述向石英坩埚内装料时，采用权利要求1～8任一项所述的装料方法。
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