CN103233267A

CN103233267A - 多晶硅的铸锭工艺

Info

Publication number: CN103233267A
Application number: CN2013101703160A
Authority: CN
Inventors: 潘明翠
Original assignee: Yingli Group Co Ltd
Current assignee: Yingli Group Co Ltd
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2013-08-07

Abstract

本发明提供了多晶硅的铸锭工艺，包括步骤S1：将硅料放置在铸锭炉内，将铸锭炉的炉温提升至第一温度，将铸锭炉的炉腔压力提升至第一压力；步骤S2：将铸锭炉的炉温由第一温度升高至第二温度，当硅料开始熔化时，将炉腔压力由第一压力降至第二压力，直至硅料全部熔为液态硅；步骤S3：对液态硅进行后处理。由于在硅料开始熔化时，将炉腔压力由第一压力降至第二压力，因而使得液态硅中的氧元素以氧化硅气体从液态硅中挥发，从而降低了铸锭后得到的多晶硅锭内的氧含量、提高了晶体少子寿命，进而提高了由多晶硅锭制成的太阳能电池片的转换效率。同时，本发明中的铸锭工艺具有工艺简单的特点。

Description

多晶硅的铸锭工艺

技术领域

本发明涉及太阳能电池制造领域，更具体地，涉及一种多晶硅的铸锭工艺。

背景技术

多晶硅的铸锭工艺包括加热、熔化、生长、退火和冷却五个阶段。加热段的目的是对铸锭炉内部热场和硅料进行预热；熔化段的目的是使硅料全部变成熔融的液态硅；生长段的目的是通过降温和缓慢提升保温层（隔热笼）的方式，完成液态硅到固态硅的结晶过程；退火段的目的是消除多晶硅锭内应力；冷却段的目的是对多晶硅锭进行降温，等多晶硅锭冷却后从铸锭炉内将多晶硅锭取出。

铸锭后得到的多晶硅中常含有杂质元素，杂质元素包括氧、碳和过渡族金属铁等。由于铸造多晶硅中还存在着高密度的位错及晶界等缺陷，通常氧、碳以及铁等杂质容易在上述缺陷处沉淀下来，形成新的电活性中心，并引起电学性能分布不均等问题，因此，在多晶硅的铸造过程中需要去除氧、碳以及铁等杂质。

氧在铸造多晶硅的生长过程中可能形成热施主、新施主和氧沉淀，施主会导致电阻率漂移，而氧沉淀则会成为过渡族金属的吸杂中心，具有很强的少子复合能力。由于多晶硅锭中的氧含量较高，因而使得多晶硅锭中晶体少子寿命短，从而使得由多晶硅锭制成的太阳能电池片的转换效率低。

术语解释：少子寿命，对于p型硅片，少子就是电子，所谓少子寿命就是当一定波长的光照射硅片后，硅片内就会出现电子-空穴对的分离，作为少数载流子的电子由于数量较少，在扩散过程中就会逐渐被复合掉，从产生到复合的时间即为少子寿命，一般单位为μs（微秒）。

发明内容

本发明旨在提供一种多晶硅的铸锭工艺，以解决现有技术中因多晶硅锭中含氧量高而导致太阳能电池片转换效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多晶硅的铸锭工艺，包括：步骤S1：将硅料放置在铸锭炉内，将铸锭炉的炉温提升至第一温度，将铸锭炉的炉腔压力提升至第一压力；步骤S2：将铸锭炉的炉温由第一温度升高至第二温度，当硅料开始熔化时，将炉腔压力由第一压力降至第二压力，直至硅料全部熔为液态硅；步骤S3：对液态硅进行后处理。

进一步地，第二压力与第一压力的比值区间为

进一步地，第一压力为400～600毫巴。

进一步地，步骤S1包括：步骤S11：将硅料放置在铸锭炉内后，将铸锭炉的炉温由常温升至700～800摄氏度，并向铸锭炉内通入氩气，使铸锭炉的炉腔压力保持在100～200毫巴之间；步骤S12：将铸锭炉的炉温升至800～1100摄氏度，继续向铸锭炉内通入氩气，使铸锭炉的炉腔压力保持在200～400毫巴之间；步骤S13：将铸锭炉的炉温升至第一温度，第一温度为1100～1400摄氏度，继续向铸锭炉内通入氩气，使铸锭炉的炉腔压力保持在第一压力，第一压力为400～600毫巴。

进一步地，在步骤S2中，将铸锭炉的炉温升高至第二温度，第二温度大于或等于1400摄氏度。

进一步地，在步骤S2中，将铸锭炉的炉腔压力保持在第二压力，第二压力为200～300毫巴。

进一步地，后处理包括步骤S31：降低铸锭炉的炉温，并打开铸锭炉的保温层，使铸锭炉的底部温度低于铸锭炉的顶部温度，以使液态硅再结晶形成多晶硅锭。

进一步地，后处理还包括在步骤S31之后的步骤S32：降低铸锭炉的炉温，并关闭铸锭炉的保温层，使铸锭炉的底部温度升高，以消除多晶硅锭的内应力。

进一步地，，后处理还包括在步骤S32之后的步骤S33：降低铸锭炉的炉温，以对多晶硅锭进行冷却，而后将多晶硅锭从铸锭炉内取出。

本发明中的铸锭工艺包括步骤S1：将硅料放置在铸锭炉内，将铸锭炉的炉温提升至第一温度，将铸锭炉的炉腔压力提升至第一压力；步骤S2：将铸锭炉的炉温由第一温度升高至第二温度，当硅料开始熔化时，将炉腔压力由第一压力降至第二压力，直至硅料全部熔为液态硅；步骤S3：对液态硅进行后处理。由于在硅料开始熔化时，将炉腔压力由第一压力降至第二压力，因而使得液态硅中的氧元素以氧化硅气体从液态硅中挥发，从而降低了铸锭后得到的多晶硅锭内的氧含量、提高了晶体少子寿命，进而提高了由多晶硅锭制成的太阳能电池片的转换效率。同时，本发明中的铸锭工艺具有工艺简单的特点。

附图说明

构成本申请的一部分的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示意性示出了本发明中的铸锭工艺的流程图；

图2示意性示出了本发明中的一个优选实施例中样片的结构示意图；

图3示意性示出了本发明中的另一个优选实施例中样片的结构示意图；以及

图4示意性示出了本发明中的多晶硅锭的结构示意图。

图中附图标记：40、铸造后得到的多晶硅锭；41、杂质层；42、取样层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明提供了一种多晶硅的铸锭工艺。如图1所示，铸锭工艺包括：步骤S1：将硅料放置在铸锭炉内，将铸锭炉的炉温提升至第一温度，将铸锭炉的炉腔压力提升至第一压力；步骤S2：将铸锭炉的炉温由第一温度升高至第二温度，当硅料开始熔化时，将炉腔压力由第一压力降至第二压力，直至硅料全部熔为液态硅；步骤S3：对液态硅进行后处理。由于在硅料开始熔化时，将炉腔压力由第一压力降至第二压力，因而使得液态硅中的氧元素以氧化硅气体从液态硅中挥发，从而降低了铸锭后得到的多晶硅锭内的氧含量、提高了晶体少子寿命，进而提高了由多晶硅锭制成的太阳能电池片的转换效率。同时，本发明中的铸锭工艺具有工艺简单的特点。

优选地，步骤S1包括：步骤S11：将硅料放置在铸锭炉内后，将铸锭炉的炉温由常温升至700～800摄氏度，并向铸锭炉内通入氩气，使铸锭炉的炉腔压力保持在100～200毫巴之间；步骤S12：将铸锭炉的炉温升至800～1100摄氏度，继续向铸锭炉内通入氩气，使铸锭炉的炉腔压力保持在200～400毫巴之间；步骤S13：将铸锭炉的炉温升至第一温度，第一温度为1100～1400摄氏度，继续向铸锭炉内通入氩气，使铸锭炉的炉腔压力保持在第一压力，第一压力为400～600毫巴。在上述步骤S1中，固体硅料在铸锭炉内预热，等待硅料熔化成为液态硅。

优选地，在步骤S2中，将铸锭炉的炉温升高至第二温度，第二温度大于或等于1400摄氏度。当铸锭炉的温度升高至第二温度时，固态硅料开始熔化。

优选地，在步骤S2中，将铸锭炉的炉腔压力保持在第二压力，第二压力为200～300毫巴。当铸锭炉内的炉腔压力降低后，氧元素从液态硅的内部向液态硅的表面扩散，并在液态硅的表面发生界面反应，生成氧化硅气体，由于液态硅的表面压力减小，减小了氧化硅气体在液态硅表面所受的压力，使氧化硅气体更容易向周围的气氛中挥发。

优选地，第二压力与第一压力的比值区间为

进一步地，第一压力为400～600毫巴。

优选地，后处理包括步骤S31：降低铸锭炉的炉温，并打开铸锭炉的保温层，使铸锭炉的底部温度低于铸锭炉的顶部温度，以使液态硅再结晶形成多晶硅锭。铸锭炉的保温层是隔热笼，通过提升隔热笼，可以使铸锭炉的底部温度降低，使铸锭炉的底部与顶部之间形成温度梯度，从而促进液态硅到固态硅的结晶过程。

优选地，后处理还包括在步骤S31之后的步骤S32：降低铸锭炉的炉温，并关闭铸锭炉的保温层，使铸锭炉的底部温度升高，以消除多晶硅锭的内应力。在此步骤中，通过降低铸锭炉的炉温和降低隔热笼的位置，使铸锭炉的底部温度升高，以降低结晶后的多晶硅锭的纵向与横向的温度差，从而消除多晶硅锭的内应力。

优选地，后处理还包括在步骤S32之后的步骤S33：降低铸锭炉的炉温，以对多晶硅锭进行冷却，而后将多晶硅锭从铸锭炉内取出。在此步骤中，通过改变隔热笼的位置、增加气体流量等方法，对多晶硅锭进行降温。在一优选的实施例中，等到多晶硅锭的温度降到450摄氏度时，将其从铸锭炉内取出。

根据上述的多晶硅的铸造工艺，表1至表5示出了铸锭炉的炉温、炉腔压力与多晶硅锭的含氧量的关系。

表1：现有技术的对比例1与本发明的实施例1

由表1可以看出，对比例1与实施例1在步骤S11、S12、S13时的铸锭条件均相同，仅在步骤S2时，铸锭条件发生了变化。对比例1在步骤S2中将炉腔压力提高到600毫巴，而实施例1在步骤S2中将炉腔压力降低到300毫巴，这样使得实施例1的样片含氧量与对比例1的样片含氧量相比降低了18.9%，从而提高了晶体少子寿命，进而提高了太阳能电池片的转换效率。

表2：现有技术的对比例2与本发明的实施例2

由表2可以看出，对比例2与实施例2在步骤S11、S12、S13时的铸锭条件均相同，仅在步骤S2时，铸锭条件发生了变化。对比例2在步骤S2中将炉腔压力保持在600毫巴，而实施例2在步骤S2中将炉腔压力降低到200毫巴，这样使得实施例2的样片含氧量与对比例2的样片含氧量相比降低了23.6%，从而提高了晶体少子寿命，进而提高了太阳能电池片的转换效率。

表3：现有技术的对比例3与本发明的实施例3

由表3可以看出，对比例3与实施例3在步骤S11、S12、S13时的铸锭条件均相同，仅在步骤S2时，铸锭条件发生了变化。对比例3在步骤S2中将炉腔压力提升至600毫巴，而实施例3在步骤S2中将炉腔压力降低到250毫巴，这样使得实施例3的样片含氧量与对比例3的样片含氧量相比降低了15.8%，从而提高了晶体少子寿命，进而提高了太阳能电池片的转换效率。

表4：现有技术的对比例4与本发明的实施例4

由表4可以看出，对比例4与实施例4在步骤S11、S12、S13时的铸锭条件均相同，仅在步骤S2时，铸锭条件发生了变化。对比例4在步骤S2中将炉腔压力保持在600毫巴，而实施例4在步骤S2中将炉腔压力降低到200毫巴，这样使得实施例4的样片含氧量与对比例4的样片含氧量相比降低了21.5%，从而提高了晶体少子寿命，进而提高了太阳能电池片的转换效率。

表5：现有技术的对比例5与本发明的实施例5

由表5可以看出，对比例5与实施例5在步骤S11、S12、S13时的铸锭条件均相同，仅在步骤S2时，铸锭条件发生了变化。对比例5在步骤S2中将炉腔压力提高到600毫巴，而实施例5在步骤S2中将炉腔压力降低到300毫巴，这样使得实施例5的样片含氧量与对比例5的样片含氧量相比降低了24.3%，从而提高了晶体少子寿命，进而提高了太阳能电池片的转换效率。

综上所述，由表1至表5可以看出，当铸锭过程处于步骤S2（熔化阶段）时，降低铸锭炉的炉腔压力，使得样片中的氧含量得以降低。

样片获取说明：请参考图4，制得多晶硅锭40后，首先应将多晶硅锭40的杂质层41切除，以得到可用于制备太阳能电池片的多晶硅锭，然后从切割后得到的多晶硅锭的取样层42进行取样。优选地，取样层42与多晶硅锭40的底层距离为40至45mm。请参考图2和图3，上述样片均取自每个多晶硅锭的同一位置，该位置为图1中标号“1”所示的位置。

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

1.一种多晶硅的铸锭工艺，其特征在于，包括：

步骤S1：将硅料放置在铸锭炉内，将所述铸锭炉的炉温提升至第一温度，将所述铸锭炉的炉腔压力提升至第一压力；

步骤S2：将所述铸锭炉的炉温由所述第一温度升高至第二温度，当所述硅料开始熔化时，将所述炉腔压力由所述第一压力降至第二压力，直至所述硅料全部熔为液态硅；

步骤S3：对所述液态硅进行后处理。

2.根据权利要求1所述的铸锭工艺，其特征在于，所述第二压力与所述第一压力的比值区间为

3.根据权利要求2所述的铸锭工艺，其特征在于，所述第一压力为400～600毫巴。

4.根据权利要求1所述的铸锭工艺，其特征在于，所述步骤S1包括：

步骤S11：将所述硅料放置在所述铸锭炉内后，将所述铸锭炉的炉温由常温升至700～800摄氏度，并向所述铸锭炉内通入氩气，使所述铸锭炉的炉腔压力保持在100～200毫巴之间；

步骤S12：将所述铸锭炉的炉温升至800～1100摄氏度，继续向所述铸锭炉内通入氩气，使所述铸锭炉的炉腔压力保持在200～400毫巴之间；

步骤S13：将所述铸锭炉的炉温升至所述第一温度，所述第一温度为1100～1400摄氏度，继续向所述铸锭炉内通入氩气，使所述铸锭炉的炉腔压力保持在所述第一压力，所述第一压力为400～600毫巴。

5.根据权利要求4所述的铸锭工艺，其特征在于，在所述步骤S2中，将所述铸锭炉的炉温升高至所述第二温度，所述第二温度大于或等于1400摄氏度。

6.根据权利要求4所述的铸锭工艺，其特征在于，在所述步骤S2中，将所述铸锭炉的炉腔压力保持在所述第二压力，所述第二压力为200～300毫巴。

7.根据权利要求1所述的铸锭工艺，其特征在于，所述后处理包括步骤S31：

降低所述铸锭炉的炉温，并打开所述铸锭炉的保温层，使所述铸锭炉的底部温度低于所述铸锭炉的顶部温度，以使所述液态硅再结晶形成多晶硅锭。

8.根据权利要求7所述的铸锭工艺，其特征在于，所述后处理还包括在所述步骤S31之后的步骤S32：降低所述铸锭炉的炉温，并关闭所述铸锭炉的所述保温层，使所述铸锭炉的底部温度升高，以消除所述多晶硅锭的内应力。

9.根据权利要求8所述的铸锭工艺，其特征在于，所述后处理还包括在所述步骤S32之后的步骤S33：降低所述铸锭炉的炉温，以对所述多晶硅锭进行冷却，而后将所述多晶硅锭从所述铸锭炉内取出。