CN103320853A - 一种籽晶铺设方法、铸造准单晶硅锭的方法及准单晶硅片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于铸造准单晶硅锭的籽晶铺设方法，所述籽晶铺设在坩埚底部，所述籽晶为两块或两块以上；当所述籽晶为两块时，两块所述籽晶的晶向成预定夹角设置；当所述籽晶为两块以上时，至少一对相邻的所述籽晶的晶向成预定夹角设置；本发明还公开了一种铸造准单晶硅锭的方法、一种采用上述方法制得的准单晶硅锭切割成的准单晶硅片、以及一种太阳电池。本发明的用于铸造准单晶硅锭的籽晶铺设方法中，至少两个相邻的籽晶的晶向之间成夹角设置，这种铺设方法很好的抑制了铸造准单晶硅锭的籽晶间的接缝处位错的生成和繁殖。

Description

一种籽晶铺设方法、铸造准单晶硅锭的方法及准单晶硅片

技术领域

本发明属于准单晶硅锭铸造技术领域，特别涉及一种用于铸造准单晶硅锭的籽晶铺设方法、铸造准单晶硅锭的方法、准单晶硅片及太阳电池。 

背景技术

能源和环境是当今世界广泛关注的两大问题，太阳能作为一种可再生的绿色能源已经成为人们开发和研究的焦点。目前世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮，太阳能电池技术得到了快速的发展。 

根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、以非晶硅、多晶硅和单晶硅为材料的太阳能电池；2、以Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等多元化合物为材料的太阳能电池；3、以铜铟硒（CuInSe₂）为材料生产的太阳能电池；4、以其他材料生产的太阳能电池。太阳能电池对材料的一般要求是：1、半导体的晶带不能太宽；2、要有较高的光电转换效率；3、材料本身对环境不造成污染；4、材料来源广泛，并且材料的性能稳定。综合以上几方面因素考虑，硅材料是理想的、目前利用最多的太阳能电池材料。 

目前硅材料中应用最普遍的是晶体硅材料，包括单晶硅和多晶硅，晶体硅太阳能电池最突出的特点是它的稳定高效性。晶体硅材料的制备方法包括：单晶硅的直拉（Czochralski）法和区熔（Floating Zone）法以及多晶硅的定向凝固法（Directional Solidification）。定向凝固法可以生产大的多晶硅锭，相对于目前的单晶硅制备方法，其生长工艺过程简单，生产成本低，并且在硅锭开方时可以获得大的方形多晶硅片，降低了下游电池加工过程中的成本。 

然而，相对于直拉单晶硅，铸造多晶硅太阳电池的效率要低1-2%，其主要原因是由于铸造多晶硅中存在大量的晶界和位错，它们会在硅禁带中引入深能级，成为光生少数载流子的有效复合中心，降低电池的光电转换效率。 

准单晶（Mono Like，又可称为近单晶、类单晶）铸锭技术是基于多晶硅铸锭工艺，在长晶时通过单晶籽晶引晶，获得外观和电性能均类似单晶的准单晶硅片，这种技术的能耗接近普通多晶硅铸锭工艺，但所生产的准单晶硅的质量接近直拉单晶硅。简而言之，准单晶铸锭技术就是用近于制造多晶硅锭的成本来生产单晶硅锭的技术。 

准单晶铸锭技术主要可分为两种： 

（1）无籽晶铸锭。无籽晶引导铸锭工艺对晶核初期成长控制过程要求很高，一种方法是使用底部开槽的坩埚，这种方式的要点是精密控制定向凝固时的温度梯度和晶体生长速度来提高多晶晶粒的尺寸大小，开槽的尺寸以及冷却速度决定了晶粒的尺寸，开槽有助于增大枝晶晶粒；由于需要控制的参数较多和形核过程的随机性质，无籽晶铸锭工艺较难实现可重复的大晶粒生长。

（2）有籽晶铸锭。当下量产的准单晶技术大部分为有籽晶铸锭。这种技术先把单晶籽晶硅块，多晶硅料和掺杂元素放置在坩埚中，籽晶一般位于坩埚底部，再加热融化硅料，并通过坩埚底部的主动或被动冷却控制实现籽晶的部分融化，最后控制降温，调节固液相的温度梯度，确保硅晶体从剩余籽晶位置开始向上生长，得到准单晶硅锭。 

由于单晶是从籽晶位置开始生长的，因此，籽晶的铺设方法成为影响长成的单晶的品质的关键因素。公开号为CN102268764A，名称为多晶硅锭及其制造方法、太阳能电池的中国发明专利申请，公开了一种在坩埚底部铺设大块的方形籽晶或者矩形籽晶的方法，大块籽晶间的接缝的宽度在0毫米至10毫米之间，但是这种铺设方法存在以下缺点：长成的硅锭在籽晶的接缝处会产生大量的位错。为了减少位错，该专利的进一步的改进的技术方案是在接缝处形成倒角，然后将小颗粒的硅原料和/或硅粉装载到籽晶层的上方，以填充籽晶间的接缝。这样的铺设方法虽然能够减少位错，但是会在接缝处的上方长成多晶硅，而且随着向上生长，多晶硅的体积越来越大。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在利用有籽晶铸锭技术铸造准单晶硅锭时能够在长成的硅锭中的籽晶间的接缝处抑制位错生成的籽晶铺设方法、铸造准单晶硅锭的方法、及采用上述方法制造的准单晶硅片及太阳电池。 

为了解决上述问题，本发明提供了一种籽晶铺设方法，用于铸造准单晶硅锭，所述籽晶并列抵靠铺设在坩埚底部，所述籽晶为两块或两块以上；当所述籽晶为两块时，两块所述籽晶的晶向成预定夹角设置，其中一块为偏<100>籽晶，另一块是偏<100>籽晶或晶向为<100>的籽晶；当所述籽晶为两块以上时，至少一对相邻的所述籽晶的晶向成预定夹角设置，其中每对所述成预定夹角设置的籽晶中的一块为偏<100>籽晶，另一块为偏<100>籽晶或晶向为<100>的籽晶；所述偏<100>籽晶的晶向与所述晶向为<100>的籽晶的晶向成1-12°的夹角。 

作为优选，所述预定夹角为2-24°的夹角。 

作为优选，所述籽晶覆盖所述坩埚底部40%及其以上的面积。 

为了解决上述问题，本发明还提供了一种铸造准单晶硅锭的方法，包括在坩埚底部铺设籽晶的步骤，所述籽晶并列抵靠铺设在所述坩埚底部，所述籽晶为两块或两块以上；当所述籽晶为两块时，两块所述籽晶的晶向成预定夹角设置，其中一块为偏<100>籽晶，另一块是偏<100>籽晶或晶向为<100>的籽晶；当所述籽晶为两块以上时，至少一对相邻的所述籽晶的晶向成预定夹角设置，其中每对所述成预定夹角设置的籽晶中的一块为偏<100>籽晶，另一块为偏<100>籽晶或晶向为<100>的籽晶；所述偏<100>籽晶的晶向与所述晶向为<100>的籽晶的晶向成1-12°的夹角。 

作为优选，所述预定夹角为2-24°的夹角。 

作为优选，所述籽晶覆盖所述坩埚底部40%及其以上的面积。 

本发明还提供了一种准单晶硅片，所述准单晶硅片是按照上述铸造准单晶硅锭的方法制得的准单晶硅锭切割后制得的准单晶硅片。 

本发明还提供了一种太阳电池，包括上述的准单晶硅片经制绒后获得的准单晶电池片。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的用于铸造准单晶硅锭的籽晶铺设方法中，至少两个相邻的近<100>籽晶的晶向之间成夹角设置，这一夹角设置在两块籽晶间引入晶界，这种籽晶间的晶界设置抑制了铸造准单晶硅锭中的籽晶间的接缝处的位错的生成和繁殖；夹角设置的两块籽晶间的单一晶界对光生少数载流子复合的影响有限，远优于籽晶开槽导致的多晶区的影响；由于籽晶晶向与<100>晶向间的夹角小于12°，标准的单晶碱制绒工艺可以得到良好的金字塔绒面，实现低发射率和高电池转换效率。 

附图说明

图1为采用本发明的籽晶铺设方法铺设籽晶的示意图。 

图2为本发明的籽晶铺设方法中采用的一种籽晶的晶向示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。 

如图1所示，本发明提供的用于铸造准单晶硅锭的籽晶铺设方法为：将籽晶2并列抵靠铺设在坩埚1底部，所述籽晶2为两块或两块以上，其中，所述籽晶2为长方体或立方体形状，相邻两块籽晶2之间间隙非常小；当所述籽晶2为两块时，两块所述籽晶2的晶向成预定夹角设置；当所述籽晶2为两块以上时，至少一对相邻的所述籽晶2的晶向成预定夹角设置。 

实施例一：在本实施例中，所述籽晶2为两块，其中一块籽晶2为偏<100>籽晶，另一块籽晶2为晶向为<100>的籽晶，这两块籽晶2的晶向成小角度的预定夹角设置，在本实施例中，所述偏<100>籽晶的晶向与所述晶向为<100>的籽晶的晶向成1-12°的夹角，该夹角例如为图2所示的夹角α，在本实施例中，该夹角α的范围是1-12°；所述籽晶2覆盖所述坩埚1底部40%及其以上的面积。 

实施例二：在本实施例中，所述籽晶2为两块，且两块籽晶2均为偏<100>籽晶，两块所述籽晶2的晶向成小角度的预定夹角设置；在本实施例中，所述偏<100>籽晶的晶向与<100>晶向成1-12°的夹角，该夹角例如为图2所示的夹角α，且两块所述籽晶2的晶向之间成夹角2α而相对排列。在本实施例中，上述夹角α的范围是1-12°，因此，两块所述籽晶2的晶向之间成2-24°的夹角；所述籽晶2覆盖所述坩埚1底部40%及其以上的面积。 

实施例三：在本实施例中，所述籽晶2为两块以上，其中至少一对相邻的所述籽晶2的晶向成预定夹角设置，每对所述成预定夹角设置的籽晶2中的一块为偏<100>籽晶，另一块为偏<100>籽晶或晶向为<100>的籽晶。在本实施例中，所述偏<100>籽晶的晶向与<100>晶向成1-12°的夹角，该夹角例如为图2所示的夹角α，其余的籽晶2均为晶向为<100>的籽晶。在本实施例中，上述夹角α的范围是1-12°；所述籽晶2覆盖所述坩埚1底部40%及其以上的面积。 

采用本发明提供的籽晶铺设方法铺设籽晶时，制得的同样高度的准单晶硅锭相比正常的无预设籽晶夹角制造的准单晶硅锭，籽晶接缝处的位错密度降低70%以上。 

本发明的用于铸造准单晶硅锭的籽晶铺设方法中，至少两个相邻的近<100>籽晶的晶向之间成夹角设置，这一夹角设置在两块籽晶间引入晶界，这种籽晶间的晶界设置抑制了铸造准单晶硅锭中的籽晶间的接缝处的位错的生成和繁殖；夹角设置的两块籽晶间的单一晶界对光生少数载流子复合的影响有限，远优于籽晶开槽导致的多晶区的影响；由于籽晶晶向与<100>间的夹角小于12°，标准的单晶碱制绒工艺可以得到良好的金字塔绒面，实现低发射率和高电池转换效率。 

本发明提供的铸造准单晶硅锭的方法包括在坩埚底部铺设籽晶的步骤，所述籽晶并列抵靠铺设在所述坩埚底部，所述籽晶为两块或两块以上；当所述籽晶为两块时，两块所述籽晶的晶向成预定夹角设置，其中一块为偏<100>籽晶，另一块是偏<100>籽晶或晶向为<100>的籽晶；当所述籽晶为两块以上时，至少一对相邻的所述籽晶的晶向成预定夹角设置，其中每对所述成预定夹角设置的籽晶中的一块为偏<100>籽晶，另一块为偏<100>籽晶或晶向为<100>的籽晶；所述偏<100>籽晶的晶向与所述晶向为<100>的籽晶的晶向成1-12°的夹角。 

在本实施例中，作为优选实施方案，所述预定夹角为2-24°的夹角。 

在本实施例中，作为优选实施方案，所述籽晶覆盖所述坩埚底部40%及其以上的面积。 

本发明提供的铸造准单晶硅锭的方法具体为：采用其包括的在坩埚底部铺设籽晶的步骤所提供的籽晶摆放方法在坩埚底部铺设好籽晶后，在所述籽晶上放置大量多晶硅原料，通过控制坩埚底部的主动或被动冷却强度，硅料自上而下融化，控制实现籽晶的部分熔化；然后通过缓慢提升隔热装置，或通过下降坩埚，或打开位于底部的热门，或加大坩埚下部底盘的冷却气体流量，让坩埚内部的热量从下面的热交换台散发出去，随着坩埚底部的温度下降，固液界面的高度逐步上移，硅晶体向上生长，形成单晶硅，最终坩埚内部的液态硅料全部固化，最后经退火、冷却形成准单晶硅锭。 

采用本发明提供的铸造准单晶硅锭的方法制得的同样高度的准单晶硅锭，相比正常的无预设籽晶夹角制造的准单晶硅锭，籽晶接缝处的位错密度降低70%以上。 

本发明提供的准单晶硅片是按照上述的铸造准单晶硅锭的方法制得的准单晶硅锭切割后制得的准单晶硅片。 

本发明提供的太阳电池，包括上述的准单晶硅片经制绒后获得的准单晶电池片。 

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。 

Claims (8)

1.一种籽晶铺设方法，用于铸造准单晶硅锭，所述籽晶并列抵靠铺设在坩埚底部，其特征在于，所述籽晶为两块或两块以上；当所述籽晶为两块时，两块所述籽晶的晶向成预定夹角设置，其中一块为偏<100>籽晶，另一块是偏<100>籽晶或晶向为<100>的籽晶；当所述籽晶为两块以上时，至少一对相邻的所述籽晶的晶向成预定夹角设置，其中每对所述成预定夹角设置的籽晶中的一块为偏<100>籽晶，另一块为偏<100>籽晶或晶向为<100>的籽晶；所述偏<100>籽晶的晶向与所述晶向为<100>的籽晶的晶向成1-12°的夹角。

2.如权利要求1所述的籽晶铺设方法，其特征在于，所述预定夹角为2-24°的夹角。

3.如权利要求1所述的籽晶铺设方法，其特征在于，所述籽晶覆盖所述坩埚底部40%及其以上的面积。

4.一种铸造准单晶硅锭的方法，包括在坩埚底部铺设籽晶的步骤，所述籽晶并列抵靠铺设在所述坩埚底部，其特征在于,所述籽晶为两块或两块以上；当所述籽晶为两块时，两块所述籽晶的晶向成预定夹角设置，其中一块为偏<100>籽晶，另一块是偏<100>籽晶或晶向为<100>的籽晶；当所述籽晶为两块以上时，至少一对相邻的所述籽晶的晶向成预定夹角设置，其中每对所述成预定夹角设置的籽晶中的一块为偏<100>籽晶，另一块为偏<100>籽晶或晶向为<100>的籽晶；所述偏<100>籽晶的晶向与所述晶向为<100>的籽晶的晶向成1-12°的夹角。

5.如权利要求4所述的铸造准单晶硅锭的方法，其特征在于，所述预定夹角为2-24°的夹角。

6.如权利要求4所述的铸造准单晶硅锭的方法，其特征在于，所述籽晶覆盖所述坩埚底部40%及其以上的面积。

7.一种准单晶硅片，其特征在于，所述准单晶硅片是按照权利要求4至6中任一项所述的铸造准单晶硅锭的方法制得的准单晶硅锭切割后制得的准单晶硅片。

8.一种太阳电池，其特征在于，包括权利要求7所述的准单晶硅片经制绒后获得的准单晶电池片。

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