CN102747414A - 铸锭单晶硅生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铸锭单晶硅生产方法，该方法在坩埚底部铺一层诱导籽晶块，诱导籽晶块下方垫用于在熔化末期及长晶初期，在拼接区域形成拼接缝隙处温度高于两侧温度的横向温度梯度的散热装置，然后在诱导籽晶块上面装多晶硅料，在熔化的过程保持诱导籽晶块被熔化一定高度，但不能熔化完，然后以单晶诱导的方式向上定向凝固出单晶硅锭。本发明的有益效果是：采用本发明的方法，可以消除诱导籽晶块的缝隙对铸锭单晶整锭晶体质量的影响，得到低缺陷密度的铸锭单晶晶锭，整锭的电池平均光电转换效率提高了0.3%以上。

Description

铸锭单晶硅生产方法

技术领域

本发明涉及一种铸锭单晶硅生产方法。

背景技术

在光伏产业中，高光电转换效率和低成本一直是各光伏企业所追求的，晶体硅作为当前最主要的太阳电池材料，其电池具有较高的光电转换效率。太阳能晶体硅主要包括直拉法(CZ)单晶硅和铸锭法多晶硅。

直拉法得到的单晶硅具有缺陷密度低、光电转换效率高的特点，特别是碱制绒电池工艺的应用，使其表面形成规则的金字塔织构，提高了表面光的吸收，从而大大提高了光电转换效率。但是直拉法具有产率低、成本高等缺点，与市场发展要求低成本相背。

铸锭法多晶硅，具有成本低、产率高等优点，且氧含量低于CZ法单晶硅，生产出的光伏组件光衰减较CZ法低，但是转换效率也低1.5-2%。

铸锭法单晶硅，也叫准单晶、晶单晶、次单晶，是当前国内外企业均在积极开发的一种，其是在石英坩埚底部铺一层单晶硅块，然后上面装上多晶硅料，在熔化的过程保持籽晶块被熔化一定高度，但不能熔化完，然后以单晶诱导的方式向上定向凝固出单晶硅锭。该方法既保持了铸锭法成本低、产率高、氧含量低等优点，又具有了单晶晶体缺陷密度低，而且可以利用碱制绒电池工艺，达到接近于CZ法的转换效率，且做成的组件具有较低的光衰减。

在铸锭单晶生产过程中，由于目前广泛采用25块156mm×156mm×25mm的方块（100）晶向单晶硅块（CZ法得到）作为籽晶，现在的籽晶加工精度无法实现无缝拼接，这样就导致生产出来的晶锭在籽晶缝处成为位错缺陷的形成源，位错会随着晶体的向上生长成指数增值直至布满整个截面（在PL图像中以1-5mm的亚晶界形式表现出来，一般在晶锭100-150mm开始就已布满整个截面），缝隙越大，初始缺陷密度越大，缝隙过大则会生长出多晶花纹。增值的位错对电池的转换效率有严重的危害，所得到的硅片效率比铸锭多晶硅片效率还低0.1-0.4%。因此对于籽晶缝隙的缩小，对整个铸锭单晶的晶体质量尤其重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种铸锭单晶硅生产方法，消除籽晶缝隙对铸锭单晶整锭晶体质量的影响，得到低缺陷密度的铸锭单晶晶锭。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种铸锭单晶硅生产方法，坩埚底部铺一层诱导籽晶块，诱导籽晶块下方垫用于在熔化末期及长晶初期，在拼接区域形成拼接缝隙处温度高于两侧温度的横向温度梯度的散热装置，然后在诱导籽晶块上面装多晶硅料，在熔化的过程保持诱导籽晶块被熔化一定高度，但不能熔化完，然后以单晶诱导的方式向上定向凝固出单晶硅锭。

散热装置的具有结构可以是：散热装置为垫在诱导籽晶块的接缝下方的熔接条。

或者，散热装置为组合散热垫板，组合散热垫板包括垫在诱导籽晶块的接缝下方的熔接条和石墨散热板，石墨散热板表面上具有凹槽，熔接条通过嵌入凹槽与石墨散热板组装成组合散热垫板。

为使坩埚的底部热电偶的测量温度能很好的反应固液界面的位置，坩埚为拼接坩埚，散热装置为拼接坩埚的坩埚底板，坩埚底板包括垫在诱导籽晶块的接缝下方的熔接条和石墨散热板，石墨散热板表面上具有凹槽，熔接条通过嵌入凹槽与石墨散热板组成一体,。

熔接条为石英材质、刚玉或刚玉莫来石。

熔接条采用石英材质，并且构成石英框。

诱导籽晶块的接缝中线与熔接条的中线重合。

为对籽晶缝产生的非诱导成核晶体向上扩长形成最优的抑制效果，进一步限定，在诱导籽晶块的拼接区域形成5-15℃/cm的横向温度梯度。

本发明的有益效果是：采用本发明的方法，可以消除诱导籽晶块的缝隙对铸锭单晶整锭晶体质量的影响，得到低缺陷密度的铸锭单晶晶锭，整锭的电池平均光电转换效率提高了0.3%以上。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的石英框的结构示意图；

图2是本发明的石墨散热板的结构示意图；

图3是本发明的组合散热垫板的结构示意图；

图4是本发明的长晶初期示意图；

图5本发明的实例3的拼接坩埚的剖视图；

图中：1.坩埚，2.诱导籽晶块，3.石英框，31.熔接条，4.石墨散热板,41.凹槽。

具体实施方式

如图4所示，一种铸锭单晶硅生产方法，在坩埚1底部铺一层诱导籽晶块2，诱导籽晶块2的接缝下方垫散热装置，利用散热装置在熔化末期及长晶初期，在籽晶拼接缝隙处形成5-15℃/cm的横向温度梯度，然后在诱导籽晶块2上面装多晶硅料，在熔化的过程保持诱导籽晶块2被熔化一定高度，但不能熔化完，然后以单晶诱导的方式向上定向凝固出单晶硅锭。

散热装置为垫在诱导籽晶块的接缝下方的熔接条（31），或者是垫在诱导籽晶块下的组合散热垫板、与组合散热垫板结构类似的拼接坩埚的坩埚底板。

组合散热垫板包括垫在诱导籽晶块的接缝下方的熔接条（31）和石墨散热板（4），石墨散热板（4）表面上具有凹槽（41），熔接条（31）通过嵌入凹槽（41）与石墨散热板（4）组装成组合散热垫板。

拼接坩埚的坩埚底板包括垫在诱导籽晶块的接缝下方的熔接条（31）和石墨散热板（4），石墨散热板（4）表面上具有凹槽（41），熔接条（31）通过嵌入凹槽（41）与石墨散热板（4）组成一体。无底坩埚和该坩埚底板拼装成铸锭用拼接坩埚

熔接条（31）的材质的一般选择石英材质，并构成石英框3，或者采用其它耐火度大于1400℃，导热系数小于10W·m^-1·K^-1材料，例如，刚玉、刚玉莫来石等。

散热装置表面喷镀了一层高纯氮化硅涂层，厚度在50微米-2mm，主要是为了阻挡石英框3或组合散热垫板中的杂质向籽晶中扩散和脱模。其中石英框3网格尺寸需要结合籽晶块的尺寸，目前一般是按照籽晶面积为156mm×156mm设计的。如果采用拼接坩埚，如图5，由于坩埚底板中的石墨部分是可反复使用的，且石墨导热系数比较大，这样底部热电偶的测量温度能很好的反应固液界面的位置，这样通过首炉的石英棒校准后，可以按照TC2(底部热电偶)温度跳步来实现对籽晶剩余高度的控制。

具体铸锭单晶硅生产方法包括：

a.在GT450型铸锭石英坩埚或者其他型号的铸锭石英坩埚底部垫上石英框3或组合散热板，或直接使用坩埚底板是类似组合散热板结构的石英拼接坩埚，然后再在上面铺设一层诱导籽晶块2，诱导籽晶块2高度10-30mm，确保诱导籽晶块2缝隙在石英框3的石英楞条的中线位置，如图4所示。

b．在诱导籽晶块2上铺上硅料及掺杂剂。

c.将按照上述装料方式进行装料的坩埚1置于铸锭炉中进行抽真空并加热，分段升温，当底部热电偶测量的温度达到1300-1400℃，打开一定高度的隔热笼来保证底部诱导籽晶块2不先熔化，这样硅料将从上往下开始逐层熔化。控制化料末期尤其固液界面到达籽晶面时籽晶内纵向温度梯度至5-25℃/cm，其控制方法主要通过对底部散热量进行控制，例如增加隔热笼开口幅度。此时TC2(底部热电偶)温度在1340-1380℃。通过石英棒来检测化料位置，保证到达籽晶后，进入长晶阶段，依次完成退火、冷却阶段，得到低缺陷密度铸锭单晶。通过熔化末期和长晶初期的垂直温度控制及在籽晶拼接缝隙处形成温度梯度的散热装置可获得如图4所示的初始长晶界面，该界面生产过程可以抑制籽晶缝产生的非诱导成核晶体向上扩长，即向上生长过程中籽晶诱导产生的单晶把非诱导成核区覆盖，得到全单晶区。

实施例1

把石英框3（网格为156mm×156mm，石英楞条宽度4cm、高度1.5cm）垫在标准GT450型石英坩埚底部.

将直拉法得到的（100）晶向的单晶硅棒进行开方，得到156mm×156mm，厚度为25mm的方块诱导籽晶块2。

把25块方块诱导籽晶块2铺设在石英框3上，确保诱导籽晶块2的拼接缝隙在石英框3的石英楞条的中线位置，如图4。然后加入硼掺杂剂其它多晶硅料，总投料量430kg。

把装好硅料的坩埚置于铸锭炉GT450HP中，抽空、加热，当底部热电偶温度为1380℃时，以6cm/h的速度打开隔热笼置5cm，在顶部热电偶1560℃控制下化料，化料中期，TC2温度显示在1380-1385℃，化料中后期采用石英棒测量化料高度，当还剩余4cm高固体硅时，以10cm/h的速度增加隔热笼开幅至7cm，当固体还剩余2.5cm时，TC2显示13℃，此时增加隔热笼开幅至8cm，进入长晶阶段，长晶初期速率为0.8cm/h，按步逐渐增大隔热笼开幅完成长晶，退火、冷却完成得到铸锭单晶晶锭。

开方后，得到25根全单晶晶棒，IR结果显示非籽晶诱导区高度为1.4cm，顶部的硅片PL检测结果显示已无的亚晶界，效率比下部硅片低0.1%（而现有技术是低0.5-1.0%）。

实施例2

把组合散热垫板（石英框3的网格为156mm×156mm，石英楞条宽度4cm、高度2cm，石墨散热板4下层厚度为2cm）垫在标准GT450型石英坩埚底部.

将直拉法得到的（100）晶向的单晶硅棒进行开方，得到156mm×156mm，厚度为25mm的方块诱导籽晶块2。

把25块方块诱导籽晶块2铺设在石英框3上，确保诱导籽晶块2缝隙在石英框3的石英楞条的中线位置，见图4。然后加入硼掺杂剂其它多晶硅料，总投料量430kg。

把装好硅料的坩埚置于铸锭炉GT450HP中，抽空、加热，当底部热电偶温度为1380℃时，以6cm/h的速度打开隔热笼置5cm，在顶部热电偶1560℃控制下化料，化料中期，TC2温度显示在1378-1386℃，化料中后期采用石英棒测量化料高度，当还剩余4cm高固体硅时，以10cm/h的速度增加隔热笼开幅至7cm，当固体还剩与2.5cm时，TC2显示1356.1℃，此时增加隔热笼开幅至8.5cm，进入长晶阶段，长晶初期速率为0.7cm/h，按步逐渐增大隔热笼开幅完成长晶，退火、冷却完成得到铸锭单晶晶锭。

开方后，得到25根全单晶晶棒，IR结果显示非籽晶诱导区高度为1.2cm，顶部的硅片PL检测结果显示已无的亚晶界，效率比下部硅片低0.2%（而现有技术是低0.5-1.0%）。

实施例3

按照图5的方式把石英框3（网格为156mm×156mm，石英楞条宽度4cm、高度2cm）、石墨散热板4（总厚度为9cm，由于采用的是拼接坩埚，因此增加了高度，且增加了一层台阶，中间一层台阶高度为5cm）、无底450型坩埚进行拼装。

将直拉法得到的（100）晶向的单晶硅棒进行开方，得到156mm×156mm，厚度为25mm的方块诱导籽晶块2。

把25块方块诱导籽晶块2铺设在石英框3上，确保诱导籽晶块2缝隙在石英框3的石英楞条的中线位置，见图4。然后加入硼掺杂剂其它多晶硅料，总投料量430kg。

把装好硅料的坩埚置于铸锭炉GT450HP中，抽空、加热，当底部热电偶温度为1380℃时，以6cm/h的速度打开隔热笼置2cm，在顶部热电偶1560℃控制下化料，化料中期，TC2温度显示在1390-1398℃，化料中后期采用石英棒测量化料高度，当还剩余4cm高固体硅时，以10cm/h的速度增加隔热笼开幅至3cm，当固体还剩与2.5cm时，TC2显示1375.4℃（采用该拼接坩埚TC2与固体剩余高度有明显的对应关系，生产过程中，连续20炉数据显示，按照底部热电偶1375.4℃时测量的固体高度为2.5±0.1cm），此时增加隔热笼开幅至3.5cm，进入长晶阶段，长晶初期速率为0.8cm/h，按步逐渐增大隔热笼开幅完成长晶，退火、冷却完成得到铸锭单晶晶锭。

开方后，得到25根全单晶晶棒，IR结果显示非籽晶诱导区高度为0.8cm，顶部的硅片PL检测结果显示已无的亚晶界，效率比下部硅片低0.15%（而现有技术是低0.5-1.0%）。

Claims (8)

1.一种铸锭单晶硅生产方法，其特征是：坩埚（1）底部铺一层诱导籽晶块（2），诱导籽晶块（2）下方垫用于在熔化末期及长晶初期，在拼接区域形成拼接缝隙处温度高于两侧温度的横向温度梯度的散热装置，然后在诱导籽晶块（2）上面装多晶硅料，在熔化的过程保持诱导籽晶块（2）被熔化一定高度，但不能熔化完，然后以单晶诱导的方式向上定向凝固出单晶硅锭。

2.根据权利要求1所述的铸锭单晶硅生产方法，其特征是：所述的散热装置为垫在诱导籽晶块的接缝下方的熔接条（31）。

3.根据权利要求1所述的铸锭单晶硅生产方法，其特征是：所述的散热装置为组合散热垫板，组合散热垫板包括垫在诱导籽晶块的接缝下方的熔接条（31）和石墨散热板（4），石墨散热板（4）表面上具有凹槽（41），熔接条（31）通过嵌入凹槽（41）与石墨散热板（4）组装成组合散热垫板。

4.根据权利要求1所述的铸锭单晶硅生产方法，其特征是：所述的坩埚（1）为拼接坩埚，所述的散热装置为拼接坩埚的坩埚底板，坩埚底板包括垫在诱导籽晶块的接缝下方的熔接条（31）和石墨散热板（4），石墨散热板（4）表面上具有凹槽（41），熔接条（31）通过嵌入凹槽（41）与石墨散热板（4）组成一体。

5.根据权利要求1所述的铸锭单晶硅生产方法，其特征是：所述的熔接条（31）为石英材质、刚玉或刚玉莫来石。

6.根据权利要求5所述的铸锭单晶硅生产方法，其特征是：所述的熔接条（31）采用石英材质，并且构成石英框。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的铸锭单晶硅生产方法，其特征是：所述的诱导籽晶块（2）的接缝中线与熔接条（31）的中线重合。

8.根据权利要求1或2或3或4或5所述的铸锭单晶硅生产方法，其特征是：在诱导籽晶块（2）的拼接区域形成5-15℃/cm的横向温度梯度。

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