CN102978687A - 一种多晶硅锭的晶体生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多晶硅锭的晶体生长方法。该晶体生长方法包括加热阶段、熔化阶段、生长阶段、退火阶段和冷却阶段，其中，在生长阶段，从生长开始时至透顶完成时，将多晶铸锭的顶部中央区域温度维持在恒定值。本发明的晶体生长方法能够减小多晶硅锭生长过程中竖直方向上的温度梯度，使硅锭的生长速度更加平稳，进而使硅锭内部杂质更均匀地向液相分凝，能够有效地降低硅锭的晶体内部的缺陷密度，提升多晶硅锭的整体品质，从而由多晶硅锭制作的单个电池片的电池效率以及高效电池片的整体比例均得到提升。

Description

一种多晶硅锭的晶体生长方法
技术领域
本发明涉及光伏电池领域，具体而言，涉及一种多晶硅锭的晶体生长方法。
背景技术
作为清洁环保的新能源，太阳能电池的应用越来越普及。传统的硅电池工艺，单位面积的发电量较低，电池效率较低，由于太阳能电池大部分安装在地面上，这样大大增加了太阳能电池板的占地面积。因此太阳能电池的电池效率的提高，有利于大大降低土地成本。
通常使用多晶铸锭炉生产用来制作太阳能电池的电池片的多晶硅锭。多晶铸锭炉生产工艺的过程包括：加热（H）、熔化（M）、生长（G）、退火（A）和冷却（C）五个阶段。其中，加热阶段的目的是对铸锭炉内部热场和硅料进行预热；熔化阶段的目的是逐渐升温，最终使硅料全部变成熔融的液态硅；生长阶段的目的是通过控制温度和缓慢提升隔热笼的方式，完成液态硅到固态硅的结晶过程；退火阶段的目的是消除多晶硅锭的内应力；冷却阶段的目的是对多晶硅锭进行降温，待温度降低到450℃，可以出炉。
现有技术中的多晶铸锭炉生产工艺，其运行过程是通过软件程序控制驱动模块来实现硬件运行的，而软件程序也称之为工艺配方，工艺配方中参数的更改只需进入模式中的参数控制界面即可手动进行更改，目前很多生产多晶硅锭的厂家只是采用了铸锭炉厂家提供的原始工艺配方，在生长阶段多晶硅锭的生长速度变化较大，导致杂质向液相中分凝不均匀，增加了晶体内的缺陷密度，最终导致多晶硅锭品质的整体下降，影响由其制作的太阳能电池整体电池效率的发挥。
发明内容
本发明提供了一种多晶硅锭的晶体生长方法，以解决多晶硅锭在生长阶段的生长速度变化较大，导致晶体内的缺陷密度增加，多晶硅锭品质整体下降，影响由其制作的太阳能电池整体电池效率发挥的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种多晶硅锭的晶体生长方法，包括加热阶段、熔化阶段、生长阶段、退火阶段和冷却阶段，其中，在生长阶段，从生长开始时至透顶完成时，将多晶铸锭的顶部中央区域温度维持在恒定值。
进一步地，上述恒定值为1390～1430℃范围内的任意一个温度值。
进一步地，上述恒定值为1420℃。
进一步地，在生长阶段，从透顶完成时至长角完成时，顶部中央区域温度的变化量≤5℃。
进一步地，在生长阶段，从生长开始时至透顶完成时，将多晶铸锭的顶部中央区域温度维持在1420℃；从透顶完成时至长角完成时，多晶铸锭的顶部中央区域温度从1420℃变化到1415℃。
进一步地，通过软件程序来控制多晶铸锭的顶部中央区域温度的变化。
应用本发明的技术方案的晶硅锭的晶体生长方法，通过多晶硅锭顶部中央区域的温度控制点来控制多晶硅锭炉的加热器的加热功率，从生长开始时至透顶完成时将TC1维持在恒定值，也就是将加热器的加热功率更稳定地控制在一个恒定值，从而能够减小多晶硅锭生长过程中竖直方向上的温度梯度，使硅锭的生长速度更加平稳，进而使硅锭内部杂质更均匀地向液相分凝，能够有效地降低硅锭的晶体内部的缺陷密度，提升多晶硅锭的整体品质，从而由多晶硅锭制作的单个电池片的电池效率以及高效电池片的整体比例均得到提升。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明实施例1的多晶硅锭的生长速率曲线；以及
图2示出了对比例的多晶硅锭的生长速率曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行详细的说明，但如下实施例仅是用以理解本发明，而不能限制本发明，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明中所提到的技术术语“透顶”的含义是：多晶硅锭生长工艺采用定向固化生长，即由硅锭底部逐渐结晶，竖直向上生长。同一水平面上，由于硅锭中间部分温度较低，故先结晶，因而中间部分生长速度较快，当硅锭顶部中央区域先凝固成固体时，称为“透顶”。
本发明中所提到的技术术语“长角”的含义是：当硅锭顶部中央区域先凝固成固体后，角部还有未凝固的液相，硅锭继续由顶部中央区域逐渐向角部结晶，最终液态硅全部凝结成固态硅，称为“长角”。
在本发明典型的实施方式中，多晶硅锭的晶体生长方法包括加热阶段、熔化阶段、生长阶段、退火阶段和冷却阶段，其中，在生长阶段，从生长开始时至透顶完成时，将多晶铸锭的顶部中央区域温度TC1维持在恒定值。上述的温度TC1为多晶硅锭顶部中央区域的温度控制点的温度测量值，通过该温度控制点来控制多晶硅锭炉的加热器的加热功率，从生长开始时至透顶完成时将TC1维持在恒定值，也就是将加热器的加热功率更稳定地控制在一个恒定值，这相比较于现有技术中采用厂家原始工艺配方的生长过程中TC1不恒定导致加热功率变化较大的情况，具有明显优势，即能够减小多晶硅锭生长过程中竖直方向上的温度梯度，使硅锭的生长速度更加平稳，进而使硅锭内部杂质更均匀地向液相分凝，能够有效地降低硅锭的晶体内部的缺陷密度，提升多晶硅锭的整体品质，从而由多晶硅锭制作的单个电池片的电池效率以及高效电池片的整体比例均得到提升。
在本发明优选的实施方式中，上述TC1维持在的恒定值为1390～1430℃范围内的任意一个温度值；进一步优选地，该恒定值为1420℃。将TC1维持在上述的恒定值，多晶硅锭的生长效果更佳。
在本发明优选的实施方式中，从透顶完成时至长角完成时，顶部中央区域温度（TC1）的变化量≤5℃。在多晶硅锭的生长过程中，透顶完成时，硅锭的主体大部分已经基本长成，最后达到硅锭整体完全长成的长角过程的温度和加热功率控制可以略微放宽，优选从透顶完成时至长角完成时TC1的变化量控制在5℃以内，可以进一步提高多晶硅锭的整体长成效果。
进一步优选地，在生长阶段，从生长开始时至透顶完成时，将TC1维持在1420℃；从透顶完成时至长角完成时，TC1从1420℃变化到1415℃。将在生长过程中的TC1变化控制在上述范围，多晶硅锭的生长效果更佳。
在本发明优选的实施方式中，通过软件程序控制驱动模块实现硬件运行，来达到控制顶部中央区域温度（TC1）的变化，即控制加热器的加热功率变化的效果。通常采用PLC铸锭炉自动控制软件来实现温度和加热功率的自动化控制，采用该软件控制晶体生长过程的温度，自动化程度高，有利于工业化生产。
下面将结合实施例进一步说明本发明的有益效果。
实施例1
采用多晶铸锭炉，使用定向固化生长的方法生产多晶硅锭，包括：加热阶段、熔化阶段、生长阶段、退火阶段和冷却阶段。生长阶段的工艺配方如表1所示，其中，G6阶段结束时，透顶完成；G7阶段结束时，长角完成。
表1
Figure BDA00002632123300031
实施例2
采用多晶铸锭炉，使用定向固化生长的方法生产多晶硅锭，包括：加热阶段、熔化阶段、生长阶段、退火阶段和冷却阶段。生长阶段的工艺配方如表2所示，其中，G6阶段结束时，透顶完成；G7阶段结束时，长角完成。
表2
实施例3
采用多晶铸锭炉，使用定向固化生长的方法生产多晶硅锭，包括：加热阶段、熔化阶段、生长阶段、退火阶段和冷却阶段。生长阶段的工艺配方如表3所示，其中，G6阶段结束时，透顶完成；G7阶段结束时，长角完成。
表3
Figure BDA00002632123300042
实施例4
采用多晶铸锭炉，使用定向固化生长的方法生产多晶硅锭，包括：加热阶段、熔化阶段、生长阶段、退火阶段和冷却阶段。生长阶段的工艺配方如表4所示，其中，G6阶段结束时，透顶完成；G7阶段结束时，长角完成。
表4
对比例
采用多晶铸锭炉，使用定向固化生长的方法生产多晶硅锭，包括：加热阶段、熔化阶段、生长阶段、退火阶段和冷却阶段。生长阶段的工艺配方如表5所示，其中，G6阶段结束时，透顶完成；G7阶段结束时，长角完成。
表5
Figure BDA00002632123300051
在实施例1和对比例的多晶硅锭生长过程中，每隔一小时测试一次硅锭生长速率以及硅锭高度，实施例1测试结果的曲线如图1所示，对比例测试结果的曲线如图2所示，其中硅锭高度的数据对应于左侧主坐标轴，硅锭生长速率的数据对应于右侧主坐标轴。
对比图1和图2可以发现，采用本发明的改进后的多晶硅锭的晶体生长方法，硅锭生长速率更加趋于平稳，这样有利于杂质更加匀地向液相中分凝，从而降低晶体内部的缺陷密度，提升多晶硅锭的整体品质。
将实施例1～4和对比例生长得到多晶硅锭加工成多晶电池片，并且进一步封装为太阳能电池组件，测试其平均电池效率和高效电池片（电池效率≥16.5%）的比例，结果如表6所示：
表6
平均电池效率 高效电池片比例
实施例1 17.32% 97%
实施例2 17.28% 97%
实施例3 17.25% 96%
实施例4 17.22% 96%
对比例 17.20% 95%
从表6可以发现，相比较于工艺改进前的对比例，采用本发明实施例1～4的晶体生长方法得到的多晶硅锭制作的太阳能电池组件的平均电池效率、高效电池片比例均有提高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多晶硅锭的晶体生长方法，包括加热阶段、熔化阶段、生长阶段、退火阶段和冷却阶段，其特征在于，在所述生长阶段，从生长开始时至透顶完成时，将所述多晶铸锭的顶部中央区域温度（TC1）维持在恒定值。
2.根据权利要求1所述的晶体生长方法，其特征在于，所述恒定值为1390～1430℃范围内的任意一个温度值。
3.根据权利要求2所述的晶体生长方法，其特征在于，所述恒定值为1420℃。
4.根据权利要求1所述的晶体生长方法，其特征在于，在所述生长阶段，从透顶完成时至长角完成时，所述顶部中央区域温度（TC1）的变化量≤5℃。
5.根据权利要求4所述的晶体生长方法，其特征在于，在所述生长阶段，从生长开始时至透顶完成时，将所述多晶铸锭的顶部中央区域温度（TC1）维持在1420℃；从透顶完成时至长角完成时，所述多晶铸锭的顶部中央区域温度（TC1）从1420℃变化到1415℃。
6.根据权利要求1所述的晶体生长方法，其特征在于，通过软件程序来控制所述多晶铸锭的顶部中央区域温度（TC1）的变化。
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