CN102758252A - 一种多晶硅铸锭方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多晶硅铸锭方法，包括：向坩埚中填放硅料；关闭隔热笼对所述坩埚内硅料进行加热；在硅料熔化阶段逐步打开所述隔热笼至设定位置，使坩埚内液态硅料处于过冷状态。所述技术方案通过逐步打开所述隔热笼至设定位置，使所述隔热笼底部开口逐渐增大，从而使得所述坩埚底部处于过冷状态，使得熔化后的液态硅料在坩埚内具有由下至上的温度差，即坩埚内的液态硅料的温度由下至上是逐渐增大的，坩埚底部温度最低。在长晶阶段，由于所述温度差的存在，硅晶粒从坩埚底部区域开始逐渐向上生长，避免了此时其他区域多晶硅的生长，从而增大多晶硅的晶粒平均尺寸，从而降低多晶硅的晶体缺陷与晶界。

Description

一种多晶硅铸锭方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池制作工艺技术领域，更具体地说，涉及一种多晶硅铸锭方法。

背景技术

在能源危机日益严重的今天，开发利用新能源是当今能源领域发展的主要方向。太阳能由于其无污染、取之不竭、无地域性限制等优点，使太阳能发电成为现在新能源开发利用的主要研究方向。而太阳能电池是人们利用太阳能发电一种主要形式。

目前商用太阳能电池主要由晶体硅制备而成，所述晶体硅包括：多晶硅和单晶硅。单晶硅是通过直拉法获得，生产成本较高；而多晶硅主要是通过铸造方法获得，其制造成本要远远小于单晶硅，因此，多晶硅被广泛的应用于太阳能电池的制备，成为制备太阳能电池的主要材料。

多晶硅铸锭工艺在铸锭炉内进行，铸锭炉主要包括：炉体、坩埚、加热器以及隔热笼。其中，所述坩埚以及加热器设置在所述隔热笼内。现有的多晶硅锭铸锭方法一般是将硅料装入坩埚（装料）后，关闭隔热笼，再经过加热、熔化、长晶、及冷却等工艺过程完成多晶硅锭铸锭过程。在整个过程中，隔热笼保持关闭。

多晶硅的晶粒尺寸大小是衡量其质量的一个重要标准。在一定范围内，多晶硅的晶粒尺寸越大，多晶硅的晶体缺陷与晶界越少，由其制备成的太阳电池光电转换效率越高。

然而现有的生产工艺中，制备的多晶硅的晶粒较小（晶粒平均尺寸较小），导致多晶硅的晶体缺陷与晶界较多，从而使得太阳能电池的光电转换效率较低。因此，如何提高多晶硅锭的晶粒尺寸，以减少多晶硅锭内的晶界以及晶体缺陷，是多晶硅生产工艺中亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种多晶硅铸锭方法，采用所述多晶硅铸锭方法制备的多晶硅的晶粒尺寸较大，能够有效减少晶体硅内晶界以及晶体缺陷，从而能够有效提高太阳能电池的光电转换效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多晶硅铸锭方法，该方法包括：

向坩埚中填放硅料；

关闭隔热笼对所述坩埚内硅料进行加热；

在硅料熔化阶段逐步打开所述隔热笼至设定位置，使坩埚内液态硅料处于过冷状态。

优选的，上述方法中，所述向坩埚中填放硅料包括：

在所述坩埚底部均匀铺设一层单晶边皮料；在所述单晶硅边皮料上堆放除所述单晶边皮料外的其他硅料。

优选的，上述方法中，所述其他硅料为原生多晶硅、多晶硅锭循环料、回炉硅块、破碎硅片及电池破片构成的混合硅料。

优选的，上述方法中，所述单晶边皮料的质量分数为5%-10%。

优选的，上述方法中，所述原生多晶硅的质量分数为50%-60%，所述多晶硅锭循环料与回炉硅块的质量分数为25%-30％，所述破碎硅片及电池破片的质量分数为10%-15%。

优选的，上述方法中，所述逐步打开所述隔热笼至设定位置包括：

第一步，当硅料开始熔化时，打开隔热笼，将隔热笼底部的开口距离设置为0cm-3cm，持续1h-2h；

第二步，将隔热笼底部的开口距离设置为1cm-4cm，持续1h-2h；

第三步，将隔热笼底部的开口距离设置为3cm-6cm，持续1h-2h；

第四步，将隔热笼底部的开口距离设置为5cm-8cm，持续1h-2h；

第五步，将隔热笼底部的开口距离设置为7cm-9cm，持续1h-2h；

第六步，将隔热笼底部的开口距离设置为8cm-10cm，持续1h-2h；

其中，当前隔热笼底部的开口距离要大于上一步的开口距离。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的多晶硅铸锭方法包括：向坩埚中填放硅料；关闭隔热笼对所述坩埚内硅料进行加热；在硅料熔化阶段逐步打开所述隔热笼至设定位置，使坩埚内液态硅料处于过冷状态。本申请所述技术方案通过逐步打开所述隔热笼至设定位置，使所述隔热笼底部开口逐渐增大，从而使得所述坩埚底部处于过冷状态，使得熔化后的液态硅料在坩埚内具有由下至上的温度差，即坩埚内的液态硅料的温度由下至上是逐渐增大的，坩埚底部温度最低。成核区域集中在坩埚底部温度较低的区域，上部空间由于温度较高，不存在或是仅存在少数成核区域，在长晶阶段，由于所述温度差的存在，硅晶粒从坩埚底部区域开始逐渐向上生长，避免了此时其他区域多晶硅的生长，从而增大多晶硅的晶粒平均尺寸，从而降低多晶硅的晶体缺陷与晶界。

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为本发明所提供的一种多晶硅铸锭方法的流程图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有的生产工艺中，制备的多晶硅的晶粒较小，导致多晶硅的晶体缺陷与晶界较多，从而使得太阳能电池的光电转换效率较低。

虽然，在坩埚底部铺设单晶硅籽晶诱导多晶硅生长，能够在一定程度上增大多晶硅的晶粒尺寸，降低多晶硅的晶体缺陷与晶界。但是，由于坩埚内液态硅料的温度相同，导致上部空间（除所述籽晶表面区域外的其他区域）的液态硅料内也会存在较多的成核区域，从而增加了多晶硅晶粒数，降低了晶粒尺寸，导致多晶硅的晶体缺陷与晶界较多，从而使得太阳能电池的光电转换效率较低。

发明人研究发现，温度是影响多晶硅生长的一个重要因素，可通过控制坩埚内液态硅料的热场分布，减少所述上部空间的成核区域，从而减少多晶硅的晶粒数，增大多晶硅的晶粒平均尺寸，从而降低多晶硅的晶体缺陷与晶界。

基于上述研究的基础上，本发明提供了一种多晶硅铸锭方法，参考图1，该包括：

步骤S11：向坩埚中填放硅料；

步骤S12：关闭隔热笼对所述坩埚内硅料进行加热；

步骤S13：在硅料熔化阶段逐步打开所述隔热笼至设定位置，使所述坩埚底部处于过冷状态。

本申请在进行多晶硅铸锭时，向坩埚中填放硅料完成后，关闭隔热笼对所述坩埚内硅料进行加热，当硅料开始熔化，此时逐步打开所述隔热笼至设定位置，使所述坩埚底部处于过冷状态。所述过冷状态为液态硅料在长晶凝固前温度略低于其凝固点的临界状态。

通过逐步打开所述隔热笼至设定位置，使所述隔热笼底部开口逐渐增大，从而使得所述坩埚底部处于过冷状态，使得熔化后的液态硅料在坩埚内具有由下至上的温度差，即坩埚内的液态硅料的温度由下至上是逐渐增大的，坩埚底部温度最低。成核区域集中在坩埚底部温度较低的区域，上部空间由于温度较高，不存在或是仅存在少数成核区域，在长晶阶段，由于所述温度差的存在，硅晶粒从坩埚底部区域开始逐渐向上生长，避免了此时其他区域多晶硅的生长，从而增大多晶硅的晶粒平均尺寸，从而降低多晶硅的晶体缺陷与晶界。

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。

实施例一

本实施例提供了一种多晶硅铸锭方法，以增大多晶硅晶粒尺寸，降低多晶硅的晶体缺陷与晶界，从而提高太阳能电池的光电转换效率。

在装料时，首先可以在坩埚底部铺设一层单晶硅籽晶，然后在所述单晶硅籽晶上铺设其他硅料。在长晶阶段通过所述籽晶诱导多晶硅晶粒的生长。

还可以使用价格便宜的单晶边皮料代替单晶硅籽晶，在进行装料时，首先在坩埚底部均有的铺设一层单晶边皮料，所述单晶边皮料在多晶硅生长时可以如单晶硅籽晶一样诱导多晶硅的生长，增大多晶硅的晶粒尺寸，且所述单晶边皮料交所述单晶硅籽晶价格便宜，从而降低了生产成本。所述单晶边皮料为拉制的单晶圆棒切成方形棒状状后的侧部硅料。

需要说明的单晶边皮料与单晶硅籽晶一样为单晶硅，其熔点较其他硅料的熔点高，所以在进行多晶硅铸锭时，单晶边皮料不会融化或只是或部分融化，未融化的单晶硅边皮料位于坩埚的最底部，在长晶阶段作为其上方液体硅料的母晶，诱导多晶硅的生长。

然后，在所述单晶边皮料上堆放除所述单晶边皮料外的其他铸锭硅料。所述其他铸锭硅料为原生多晶硅、多晶硅锭循环料、回炉硅块、破碎硅片及电池破片构成的混合硅料。本实施例所用混合硅料除了传统使用的原生多晶硅，还包括多晶硅锭循环料、回炉硅块、破碎硅片及电池破片构成的混合硅料，对上述硅料进行循环再利用，提高了原料的利用率，降低了生产成本，同时避免了废弃硅料对环境的污染。其中，所述混合硅料包括但不限于所述种类。

为了较好的诱导多晶硅的生长，所述单晶边皮料占所有装料量的，而且生产实践表明，当所述单晶边皮料含量为5%-10%生长的多晶硅具有较大的晶粒尺寸。

所述单晶边皮料上方对方的混合硅料各组分的配料结构具体的为：所述原生多晶硅的质量分数为50%-60％，所述多晶硅锭循环料与回炉硅块的质量分数为25%-30％，所述破碎硅片及电池破片的质量分数为10%-15%。在进行多晶硅铸锭生产时，采用上述配料结构，在对废弃硅材料进行循环利用的同时，还可以保证混合硅料能够较快的熔化，进而保证了生产效率。

当装料完成后关闭隔热笼对坩埚内硅料进行加热，当坩埚内硅料开始熔化后，液态的硅料将会沉积积聚在坩埚底部，此时逐步打开所述隔热笼至设定位置，使所述坩埚底部处于过冷状态。

具体的，所述逐步打开所述隔热笼至设定位置可分六步逐步打开所述隔热笼，第一步，当坩埚内温度达到工艺要求的熔化温度后，硅料开始熔化，打开隔热笼，将隔热笼底部的开口距离设置为0cm-3cm，持续1h-2h；第二步，将隔热笼底部的开口距离设置为1cm-4cm，持续1h-2h；第三步，将隔热笼底部的开口距离设置为3cm-6cm，持续1h-2h；第四步，将隔热笼底部的开口距离设置为5cm-8cm，持续1h-2h；第五步，将隔热笼底部的开口距离设置为7cm-9cm，持续1h-2h；第六步，将隔热笼底部的开口距离设置为8cm-10cm，持续1h-2h。其中，当前隔热笼底部的开口距离要大于上一步的开口距离。

通过上述描述可知，本实施例在进行多晶硅铸锭的硅料熔化阶段，与现有技术不同的是，随着坩埚内硅料的熔化，逐步增大所述隔热笼底部的开口距离，使得坩埚内液态的硅料处于过冷状态，从而使得坩埚内的液态硅料具有由下至上的温度差。

由于在熔化阶段坩埚内液态硅液已为过冷状态，所以在长晶阶段，液态硅液可迅速凝结长晶，缩短了工艺时间，提高了生产效率；且由于存在所述温度差，多晶硅晶粒从坩埚底部温度较低区域（单晶硅籽晶或是单晶边皮料表面附近区域）开始逐渐向上生长。从而减避免了其他区域硅晶粒的生长，增大硅晶粒的平均尺寸，降低多晶硅的晶体缺陷与晶界，从而提高太阳能电池的光电转换效率。

实施例二

本实施例提供了另一种多晶硅铸锭方法，以增大多晶硅晶粒尺寸，降低多晶硅的晶体缺陷与晶界，从而提高太阳能电池的光电转换效率。

进行多晶硅铸锭时，装料阶段，坩埚内硅料的配料结构为一炉所装硅料总量为500Kg，其中，原生多晶硅270Kg，多晶铸锭循环料及回炉硅块135Kg，硅片和电池破片60Kg，单晶边皮料35Kg。其中，所述单晶边皮料均匀铺满坩埚底部。

当装料完成后关闭隔热笼对坩埚内硅料进行加热，使温度迅速升至工艺要求的熔化温度。

当温度迅速升至工艺要求的熔化温度，坩埚内硅料开始熔化后，将隔热笼底部打开，其底部开口距离为1cm；1h-2h后，将所述开口距离增大至3cm；1h-2h后，将所述开口距离增大至5cm；1h-2h后，将所述开口距离增大至6cm；1h-2h后，将所述开口距离增大至8cm；1h-2h后，将所述开口距离增大至9cm。其他铸锭生产过程按正常硅锭的生产方式进行。

需要说明的是，所述隔热笼的打开方式及打开步骤具有多种实现方式，本所述技术方案仅为本申请实施例所述优选实施方式，以使得坩埚内液态硅料具有由下至上的温度差。

在长晶阶段，由于存在所述温度差，多晶硅从坩埚底部温度较低区域（单晶硅籽晶或是单晶边皮料表面附近区域）开始生长，减避免了其他区域硅晶粒的生长，从而增大硅晶粒的平均尺寸，降低多晶硅的晶体缺陷与晶界，从而提高太阳能电池的光电转换效率。

下面通过具体的实验数据对比，证明本实施例所述铸锭方法能够有效提高太阳能电池的转换效率。

将由本实施例所述方法制备的多晶硅制备成的电池片与同期采用现有技术制备的多晶硅制备的电池片进行效率测试对比，本实施例所述方法制备的多晶硅锭制备的电池片15000片，平均转换效率为17.24%，现有技术制备的多晶硅锭制备的电池片15000片，平均转换效率为17.10%。测试结果表明，由本实施例所述方法制备的多晶硅锭制成的太阳能电池的转换效率比由传统工艺制备的多晶硅制成的太阳能电池的转换效率要高出0.14%。本实施例所述多晶硅铸锭方法制备的多晶硅，能够有效提高太阳能电池的转换效率。

实施例三

本实施例提供了又一种多晶硅铸锭方法，以增大多晶硅晶粒尺寸，降低多晶硅的晶体缺陷与晶界，从而提高太阳能电池的光电转换效率。

进行多晶硅铸锭时，装料阶段，坩埚内硅料的配料结构为一炉所装硅料总量为500Kg，其中，原生多晶硅280Kg，多晶铸锭循环料及回炉硅块130Kg，硅片和电池破片60Kg，单晶边皮料30Kg。其中，所述单晶边皮料均匀铺满坩埚底部。

当装料完成后关闭隔热笼对坩埚内硅料进行加热，当坩埚内硅料开始熔化后，逐步打开所述隔热笼。首先，将其底部开口距离为2cm；1h-2h后，将所述开口距离增大至4cm；1h-2h后，将所述开口距离增大至6cm；1h-2h后，将所述开口距离增大至7cm；1h-2h后，将所述开口距离增大至8cm；1h-2h后，将所述开口距离增大至10cm。其他铸锭生产过程按正常硅锭的生产方式进行。

与上述实施例相同，本实施例同样通过逐步打开所述隔热笼，使得坩埚内液态硅料具有一个由下至上的温度差，且底部温度最低，在长晶阶段，由于存在所述温度差，多晶硅从坩埚底部温度较低区域（单晶硅籽晶或是单晶边皮料表面附近区域）开始生长，减避免了其他区域硅晶粒的生长，从而增大硅晶粒的平均尺寸，降低多晶硅的晶体缺陷与晶界，从而提高太阳能电池的光电转换效率。

测试结果表明，由本实施例所述方法制备的多晶硅制备成的电池片具有较高的转换效率。将采用本实施例所述多晶硅铸锭方法制备的多晶硅制备成电池片，对30000片所述电池片进行转换效率测试，其平均转换效率为17.2%；将同期采用现有工艺制备的多晶硅制备成电池片，对30000片所述电池片进行转换效率测试，其平均转换效率为17.07%，测试结果表明由本实施例所述方法制备的多晶硅制备而成的电池片的转换效率比由同期采用现有技术制备的多晶硅制备而成的电池片的转换效率要高出0.13％。

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这些实施例，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 (6)

1.一种多晶硅铸锭方法，其特征在于，包括：

向坩埚中填放硅料；

关闭隔热笼对所述坩埚内硅料进行加热；

在硅料熔化阶段逐步打开所述隔热笼至设定位置，使坩埚内液态硅料处于过冷状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向坩埚中填放硅料包括：

在所述坩埚底部均匀铺设一层单晶边皮料；在所述单晶硅边皮料上堆放除所述单晶边皮料外的其他硅料。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述其他硅料为原生多晶硅、多晶硅锭循环料、回炉硅块、破碎硅片及电池破片构成的混合硅料。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述单晶边皮料的质量分数为5%-10%。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述原生多晶硅的质量分数为50%-60%，所述多晶硅锭循环料与回炉硅块的质量分数为25%-30%，所述破碎硅片及电池破片的质量分数为10％-15%。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述逐步打开所述隔热笼至设定位置包括：

第一步，当硅料开始熔化时，打开隔热笼，将隔热笼底部的开口距离设置为0cm-3cm，持续1h-2h；

第二步，将隔热笼底部的开口距离设置为1cm-4cm，持续1h-2h；

第三步，将隔热笼底部的开口距离设置为3cm-6cm，持续1h-2h；

第四步，将隔热笼底部的开口距离设置为5cm-8cm，持续1h-2h；

第五步，将隔热笼底部的开口距离设置为7cm-9cm，持续1h-2h；

第六步，将隔热笼底部的开口距离设置为8cm-10cm，持续1h-2h；

其中，当前隔热笼底部的开口距离要大于上一步的开口距离。

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