CN103436954A

CN103436954A - 制单晶硅棒时引晶用的籽晶和单晶硅棒的制作方法

Info

Publication number: CN103436954A
Application number: CN2013104128743A
Authority: CN
Inventors: 周浩; 尚繁; 郭凯
Original assignee: Yingli Energy China Co Ltd
Current assignee: Yingli Energy China Co Ltd
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明提供了一种制单晶硅棒时引晶用的籽晶和单晶硅棒的制作方法，其中籽晶呈锥形。锥形能够使熔硅与籽晶间的吸附力增大，这样引晶过程就不容易出现引断的情况。熔硅中的热对流对晶体的冲击是造成引断的主要因素，而采用本申请的籽晶进行引晶时硅棒就更能承受热对流的冲击，所以引晶过程中的埚转速度就可以降低，埚转速度的降低使得直拉法制造单晶硅棒的引晶过程的功耗相应降低。埚转速度的降低同时也减小了熔硅表面的横向温度梯度，使得晶体的生长界面的热对流强度降低，这样就可以避免熔硅中的杂质撞击到晶体的生长界面的几率，提高了引晶过程的成晶率，并降低了单晶硅棒中的杂质含量，使得单晶硅棒的品质得以提高。

Description

制单晶硅棒时引晶用的籽晶和单晶硅棒的制作方法

技术领域

本发明涉及单晶硅制造领域，更具体地，涉及一种制单晶硅棒时引晶用的籽晶和单晶硅棒的制作方法。

背景技术

现代社会对太阳能电池的需求在不断增长，光伏产业的市场竞争日趋激烈，生产高品质的光伏产品以及降低光伏产品的生产成本成为众多光伏企业的发展方向。

制造太阳能电池的硅料分为单晶硅和多晶硅两种，其中单晶硅电池的太阳能转换率更高。制造单晶硅太阳能电池的第一步是制造单晶硅，现有技术中主要使用直拉法制造单晶硅。所以改进单晶硅制作方法，提高单晶硅的品质能够直接提高单晶硅电池片的品质。

现有技术中各光伏企业为了得到品质更高的单晶硅棒，采用各种方法改进直拉法，但是效果都比较微弱，单晶硅棒的品质并没有得到很大的提升，直拉法制造过程也没有明显的改善。

发明内容

本发明旨在提供一种制单晶硅棒时引晶用的籽晶和单晶硅棒的制作方法，以解决现有技术的无法有效改善单晶硅棒的品质的问题。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种制单晶硅棒时引晶用的籽晶，籽晶呈锥形。

进一步地，籽晶包括锥形的第一段和第二段，第一段的锥度角为锐角。

进一步地，第一段的大径端的直径与小径端的直径之差为10mm至15mm。

进一步地，第二段的锥度角为钝角。

进一步地，籽晶的大径端的直径为50mm至150mm。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种单晶硅棒的制作方法，包括引晶过程，引晶过程采用上述的籽晶进行引晶。

进一步地，引晶过程中的埚转速度为每分钟6转至8转。

进一步地，制作方法还包括放肩过程，在放肩过程中籽晶的提升速度为每小时60mm至100mm。

进一步地，制作方法还包括等径生长过程，等径生长过程中的埚转速度为每分钟3转至5转。

进一步地，制作方法还包括等径生长过程，在等径生长过程中籽晶的提升速度为每小时66mm至80mm。

现有技术中的籽晶呈圆柱形，也有呈阶梯圆柱形的。本发明提供的籽晶呈锥形，在籽晶接触熔硅表面从而进行引晶时，锥形能够使熔硅与籽晶间的吸附力增大，这样引晶过程就不容易出现引断的情况。熔硅中的热对流对晶体的冲击是造成引断的主要因素，现有技术中使坩埚旋转以减弱熔硅中的热对流，称为埚转。而采用本申请的籽晶进行引晶时硅棒就更能承受热对流的冲击，所以引晶过程中的埚转速度就可以降低，埚转速度的降低使得直拉法制造单晶硅棒的引晶过程的功耗相应降低。埚转速度的降低同时也减小了熔硅表面的横向温度梯度，使得晶体的生长界面的热对流强度降低，这样就可以避免熔硅中的杂质撞击到晶体的生长界面的几率，提高了引晶过程的成晶率，并降低了单晶硅棒中的杂质含量，使得单晶硅棒的品质得以提高。

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籽晶的示意图。

图中附图标记：10、第一段；20、第二段；30、凹槽。

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。

根据本发明的一个方面，提供了一种制单晶硅棒时引晶用的籽晶，如图1所示，籽晶呈锥形。

优选地，籽晶包括锥形的第一段10和第二段20，第一段10的锥度角为锐角。优选地，第二段20的锥度角为钝角。分段的籽晶是为了有效地提高籽晶与熔硅之间的吸附力。

优选地，第一段10的大径端的直径与小径端的直径之差为10mm至15mm。该直径差可以针对籽晶的实际尺寸自行调节，例如通过籽晶的直径与高度参数设定大径端的直径与小径端的直径之差。

优选地，籽晶的大径端的直径为50mm至150mm。现有技术中的籽晶的直径多为10mm左右，所以本发明的籽晶的直径要大于现有技术中的籽晶。籽晶直径的增大使得籽晶与熔硅间的吸附力也增大，这样就能保证引晶过程中硅棒的稳定性，使得硅棒不易被引断。

优选地，如图1所示，籽晶的大径端还设置有凹槽30，凹槽30沿籽晶的周向设置。籽晶通过凹槽30与单晶炉中的机械臂卡接，机械臂旋转带动籽晶旋转，称为晶转。

采用本发明提供的籽晶进行引晶可以使用较低的埚转速度，还能得到杂质含量较低的硅棒，这样不仅能够降低直拉法生产单晶硅棒的生产成本，还能得到高品质的单晶硅棒。

优选地，引晶过程中的埚转速度为每分钟6转至8转。

现有技术中引晶过程中的埚转速度一般为每分钟10转，现有技术对晶转与埚转的控制比较有限，可调节范围比较小，晶转要考虑设备稳定性和共振区，很容易出现晃动的现象，埚转主要考虑拉晶的稳定性，埚转速度的降低带来的热对流的增强会使得引晶过程中硅棒容易被拉断，从而降低了引晶的成功率。

但是采用了本发明的籽晶进行引晶，使得籽晶与熔硅之间的吸附力增大，硅棒不容易被拉断，埚转速度可以降至每分钟6转至8转。埚转速度的降低不仅可以使引晶过程中的功耗降低，还可以避免杂质撞击晶体的生长界面，尤其是减少了氧元素进入单晶硅棒的几率。单晶硅棒中的氧元素会使得制成后的电池片转换效率降低，所以单晶硅棒中的氧元素含量降低，单晶硅棒的品质就得到了提高，这类高品质的单晶硅棒不易生产出转换效率地下的太阳能电池片。

本发明的制作方法的引晶过程中的晶转速度为每分钟8转至10转，提升速度为每小时300mm至500mm。经过合理的工艺，本发明的制作方法的引晶过程中的硅棒的直径为15mm至30mm，而现有技术中的引晶过程中的硅棒的直径为4mm至6mm。采用本发明的制作方法，引晶过程中的硅棒的直径大于现有技术中的硅棒的直径，这样硅棒就能承受更大的拉力与热对流造成的冲力，使得硅棒不易被拉断。

本发明的制作方法的引晶过程中的硅棒的高度为50mm至80mm，而现有技术中的引晶过程中的硅棒的高度为150mm。采用本发明的制作方法，引晶过程中的硅棒的高度小于现有技术中的硅棒的高度，这样引晶过程就能够更早结束，进入下一个制造步骤，缩短了引晶过程的时间，从而降低了单晶硅棒的生产成本。

优选地，制作方法还包括放肩过程，在放肩过程中籽晶的提升速度为每小时60mm至100mm。

放肩阶段硅棒的直径会迅速增大，最终达到单晶硅棒的最大直径，现有技术中的放肩过程中籽晶的升速低于每小时48mm，放肩过程中硅棒的高度为100mm左右。由于本发明的制作方法的引晶阶段所制作出的硅棒直径大，所以放肩过程中籽晶的提升速度可以达到每小时60mm至100mm，升速的加快可以缩短放肩过程的时间，从而降低了单晶硅棒的生产成本。

本发明的制作方法的放肩过程中的埚转速度为每分钟5至10转，晶转速度为每分钟8转至12转，籽晶的提升速度为每小时60mm至100mm，使得放肩过程中的晶体生长界面更凸向熔硅，这样可以使硅棒的直径更快的变大，最终使放肩过程中的硅棒的高度减小至50mm至70mm，从而缩短了放肩过程所需的时间。

优选地，制作方法还包括等径生长过程，等径生长过程中的埚转速度为每分钟3转至5转。

在等径生长过程中，单晶硅棒以最大直径生长，单晶硅棒的等径段也是制作太阳能电池片的主要部分。现有技术中等径生长过程中的埚转速度为每分钟6转至10转，晶体生长界面凸向固体的单晶硅棒。本发明的制作方法的等径生长过程的埚转速度降至每分钟3转至5转，使得晶体的生长界面趋于平整，这样可以减小单晶硅棒横向的电阻变化率，使得由一根单晶硅棒上切割并制作的每片电池片的效率更平均，太阳能转换效果更稳定。

优选地，制作方法还包括等径生长过程，在等径生长过程中籽晶的提升速度为每小时66mm至80mm。现有技术中的等径生长过程中的提升速度为每小时60mm左右，而本发明的制作方法可使提升速度达到每小时80mm，缩短了单晶硅棒的生长时间，提高了单晶硅棒的生产效率。

硅料经过直拉法被制成单晶硅棒，将单晶硅棒切割成硅片，再使用硅片最终制成太阳能电池。通常将单晶硅棒的前100mm左右称为头部，现有的直拉法制成的单晶硅棒的头部容易出现次品，单晶硅中的含氧量高，单晶硅电阻变化率大均是造成次品的因素。申请人进行了多次试验，采用本发明的单晶硅棒的制作方法，使用22寸的石英坩埚，单次投放硅料120kg，制成的单晶硅棒头部含氧量平均降低了2ppma，电阻变化率也平均降低了20%，使得单晶硅棒的头部的次品率有效降低。

在申请人针对硅片的电阻变化率进行的一次试验中，分别选取现有技术制成的单晶硅棒和由本申请的制作方法制成的单晶硅棒，每根单晶硅棒从头部选取四个位置切割成硅片，测量这些硅片的电阻变化率，得到以下数据：以现有技术制成的单晶硅棒切割成的四片硅片的电阻变化率分别为10.50%、6.60%、4.60%和3.90%；以本发明的制作方法制成的单晶硅棒切割成的四片硅片的电阻变化率分别为8.90、5.60%、4.30%和4.90%。

可见，以本发明的制作方法制成的单晶硅棒切割成的硅片不仅单片电阻变化率降低，单晶硅棒上各位置切割出的硅片的电阻变化率也趋于平均。

而且，由本发明的制作方法制成的单晶硅棒还能有效降低制成后的电池片出现低效片的几率，低效片是指太阳能转换率低于13%的电池片，以现有技术生产的单晶硅棒的头部制作成为电池片后一般会出现100片左右的低效片，而采用本发明的制作方法制成的单晶硅棒的头部制成电池片后仅出现不到10片的低效片。

在申请人针对电池片中出现低效片的几率进行的一次试验中，以现有技术制成的单晶硅棒制作成的1483片电池片中，包括103片低效片；而以本发明的制作方法制成的单晶硅棒制成的1029片电池片中，仅包括2片低效片。

本发明的单晶硅棒的制作方法尤其适合制作N型单晶硅棒，也可以用于生产P型单晶硅棒，根据实际生产条件的不同，工作人员可以选择合适的工艺参数进行单晶硅棒的生产操作。

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

1.一种制单晶硅棒时引晶用的籽晶，其特征在于，所述籽晶呈锥形。

2.根据权利要求1所述的籽晶，其特征在于，所述籽晶包括锥形的第一段（10）和第二段（20），所述第一段（10）的锥度角为锐角。

3.根据权利要求2所述的籽晶，其特征在于，所述第一段（10）的大径端的直径与小径端的直径之差为10mm至15mm。

4.根据权利要求2所述的籽晶，其特征在于，所述第二段（20）的锥度角为钝角。

5.根据权利要求1所述的籽晶，其特征在于，所述籽晶的大径端的直径为50mm至150mm。

6.一种单晶硅棒的制作方法，包括引晶过程，其特征在于，所述引晶过程采用权利要求1至5中任一项所述的籽晶进行引晶。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述引晶过程中的埚转速度为每分钟6转至8转。

8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括放肩过程，在所述放肩过程中所述籽晶的提升速度为每小时60mm至100mm。

9.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括等径生长过程，所述等径生长过程中的埚转速度为每分钟3转至5转。

10.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括等径生长过程，在所述等径生长过程中所述籽晶的提升速度为每小时66mm至80mm。