CN103510157A - 一种高效铸锭的诱导长晶工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于多晶硅铸锭领域，特别涉及一种高效铸锭的诱导长晶工艺。包括装料抽真空、加热熔化、诱导长晶、退火冷却，装料时，首先在方形石英坩埚底部平铺一层半圆柱状的单晶硅硅料，单晶硅硅料的矩形平面紧贴坩埚底上表面，且相邻单晶硅硅料紧密排布；方形石英坩埚内壁贴壁放置平滑的方形多晶硅硅料，贴满整个坩埚内壁，且保证方形多晶硅硅料之间没有间隙；在其余位置填充多晶硅碎料，最后上层放置方形多晶硅硅料；在熔化过程中，保证方形石英坩埚底部单晶硅硅料的温度低于1380℃。采用该工艺方法，通过半圆柱形单晶硅硅料诱导晶体长晶从而实现高效铸锭，使光电转换效率提高0.1%，节约生产成本5%以上。

Description

一种高效铸锭的诱导长晶工艺
技术领域
本发明属于多晶硅铸锭领域，特别涉及一种高效铸锭的诱导长晶工艺。
背景技术
多晶硅是单质硅的一种形态，熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，这些晶粒接合起来便形成多晶硅。在太阳能光伏工业中生产太阳能光伏产品的工艺包括多晶硅铸锭、切割成片、制成电池片和封装为太阳能组件，可见多晶硅铸锭是太阳能光伏工业的重要组成部分，是生产太阳能光伏产品的首个环节。
目前，铸锭生产中，主要采用普通的多晶硅硅料全熔工艺和铺设籽晶的方法来诱导长晶。第一种方法没有诱导晶体的生长方向，不能得到晶体生长方向一致的柱状晶，使得多晶硅铸锭晶体生长方向杂乱，从而影响铸锭质量，降低所得到的电池片的光电转化效率；第二种方法虽然能够诱导长晶，但是成本较高，而且降低了硅锭的出成率。
发明内容
本发明克服上述不足问题，提供一种高效铸锭的诱导长晶工艺，包括装料抽真空、加热熔化、诱导长晶、退火冷却，装料时，首先在方形石英坩埚底部平铺一层半圆柱状的单晶硅硅料，单晶硅硅料的矩形平面紧贴坩埚底上表面，且相邻单晶硅硅料紧密排布；方形石英坩埚内壁贴壁放置平滑的方形多晶硅硅料，贴满整个坩埚内壁，且保证方形多晶硅硅料之间没有间隙；在其余位置填充多晶硅碎料，最后上层放置方形多晶硅硅料；在熔化过程中，保证方形石英坩埚底部单晶硅硅料的温度低于1380℃。
优选方案如下：
单晶硅硅料的半径为0.5～3cm，长度为1～4cm。
在装料过程中，在方形石英坩埚底部平铺一层半圆柱状的单晶硅硅料，单晶硅硅料的矩形平面紧贴坩埚底上表面，且相邻单晶硅硅料紧密排布，单晶硅的诱导长晶效果优于多晶硅诱导硅料长晶效果；由于晶体生长是在初始形核的基础上，本发明中采用的是半圆柱状的单晶硅硅料，底部不熔的单晶硅相当于初始形核，后期晶体生长方向会沿着初始形核的方向继续生长，并且相邻晶粒间相互作用，从而促使其垂直生长；方形石英坩埚内壁贴壁放置平滑的方形多晶硅硅料，贴满整个坩埚内壁，且保证方形多晶硅硅料之间没有间隙，以防止其余位置填充的多晶硅碎料划伤石英坩埚涂层而造成粘埚现象；在其余位置填充的多晶硅碎料，是普通铸锭工艺生产中使用的多晶硅碎料，节约成本；最后上层放置方形多晶硅硅料，目的是防止顶部多晶硅硅料熔化过快而造成硅料溢流，保证生产安全。
在熔化过程中，保证方形石英坩埚底部单晶硅硅料的温度低于1380℃，目的是为了防止由于温度过高而导致底部单晶硅硅料熔化，同时又防止单晶硅硅料漂浮于多晶硅熔液表面。
本发明优点：采用该工艺方法，通过半圆柱形单晶硅硅料诱导晶体长晶从而实现高效铸锭，使光电转换效率提高0.1%，节约生产成本5%以上。
附图说明
图1为多晶硅铸锭时石英坩埚装料示意图。
图中，1、顶部方形多晶硅，2、方形石英坩埚，3、侧部方形多晶硅，4、多晶硅碎料，5、单晶硅。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图详细说明本发明，但本发明并不局限于具体实施例。
实施例1：
半圆柱形单晶硅5的半径为0.5cm，长度为1cm。
装料：进行铸锭工艺时，对方形石英坩埚2内装料，首先在方形石英坩埚2底部铺平铺一层半圆柱状的单晶硅5硅料，单晶硅5硅料的矩形平面紧贴坩埚底上表面，且相邻单晶硅5硅料紧密排布；方形石英坩埚2内壁贴壁放置平滑的侧部方形多晶硅3硅料，贴满整个坩埚内壁，且保证侧部方形多晶硅3硅料之间没有间隙；在其余位置填充多晶硅碎料4，最后上层放置顶部方形多晶硅1硅料。
抽真空：将装料的方形石英坩埚2放入铸锭炉后对炉体抽真空至0.7Pa。
加热熔化：向炉体内通入氩气作为保护气，使炉内压强保持在40kPa，使方形石英坩埚2内温度在6h内快速达到1550℃。在熔化阶段，炉内压强保持在40kPa，在1550℃范围内保温10h直到多晶硅硅料4完全熔化。在此过程中，底部单晶硅5的温度要始终低于1380℃。
诱导长晶：炉体内温度从1550℃经过0.5h降低到1425℃后，开始长晶。在长晶过程中，温度在22h内会由1425℃降低到1410℃，完成整个长晶过程。整个长晶过程气体压强保持在50kPa。
退火冷却：在退火过程中，晶锭在1330℃温度下，保持2h，使得晶锭快速实现温度均匀，从而减小热应力。退火阶段压强保持在50kPa。在冷却阶段，压强保持在90kPa，自然冷却时间为11h，当温度降低到400℃后取出硅锭。
实施例2：
半圆柱形单晶硅5的半径为3cm，长度为4cm。
装料：进行铸锭工艺时，对方形石英坩埚2内装料，首先在方形石英坩埚2底部铺平铺一层半圆柱状的单晶硅5硅料，单晶硅5硅料的矩形平面紧贴坩埚底上表面，且相邻单晶硅5硅料紧密排布；方形石英坩埚2内壁贴壁放置平滑的侧部方形多晶硅3硅料，贴满整个坩埚内壁，且保证侧部方形多晶硅3硅料之间没有间隙；在其余位置填充多晶硅碎料4，最后上层放置顶部方形多晶硅1硅料。
抽真空：将装料的方形石英坩埚2放入铸锭炉后对炉体抽真空至1.0Pa。
加热熔化：向炉体内通入氩气作为保护气，使炉内压强保持在60kPa，使方形石英坩埚2内温度在8h内快速达到1560℃。在熔化阶段，炉内压强保持在60kPa，在1560℃范围内保温13h直到多晶硅硅料4完全熔化。在此过程中，底部单晶硅5的温度要始终低于1380℃。
诱导长晶：炉体内温度从1560℃经过1h降低到1430℃后，开始长晶。在长晶过程中，温度在24h内会由1430℃降低到1415℃，完成整个长晶过程。整个长晶过程气体压强保持在70kPa。
退火冷却：在退火过程中，晶锭在1380℃温度下，保持3h，使得晶锭快速实现温度均匀，从而减小热应力。退火阶段压强保持在70kPa。在冷却阶段，压强保持在100kPa，自然冷却时间为12h，当温度降低到400℃后取出硅锭。
实施例3：
半圆柱形单晶硅5的半径为2cm，长度为3cm。
装料：进行铸锭工艺时，对方形石英坩埚2内装料，首先在方形石英坩埚2底部铺平铺一层半圆柱状的单晶硅5硅料，单晶硅5硅料的矩形平面紧贴坩埚底上表面，且相邻单晶硅5硅料紧密排布；方形石英坩埚2内壁贴壁放置平滑的侧部方形多晶硅3硅料，贴满整个坩埚内壁，且保证侧部方形多晶硅3硅料之间没有间隙；在其余位置填充多晶硅碎料4，最后上层放置顶部方形多晶硅1硅料。
抽真空：将装料的方形石英坩埚2放入铸锭炉后对炉体抽真空至0.9Pa。
加热熔化：向炉体内通入氩气作为保护气，使炉内压强保持在50kPa，使方形石英坩埚2内温度在7h内快速达到1555℃。在熔化阶段，炉内压强保持在50kPa，在1555℃范围内保温12h直到多晶硅硅料4完全熔化。在此过程中，底部单晶硅5的温度要始终低于1380℃。
诱导长晶：炉体内温度从1555℃经过0.8h降低到1427℃后，开始长晶。在长晶过程中，温度在23h内会由1427℃降低到1413℃，完成整个长晶过程。整个长晶过程气体压强保持在60kPa。
退火冷却：在退火过程中，晶锭在1350℃温度下，保持2.5h，使得晶锭快速实现温度均匀，从而减小热应力。退火阶段压强保持在60kPa。在冷却阶段，压强保持在95kPa，自然冷却时间为11h，当温度降低到400℃后取出硅锭。
综上所述，采用该工艺方法，通过半圆柱形单晶硅硅料诱导晶体长晶从而实现高效铸锭，使光电转换效率提高0.1%，节约生产成本5%以上。

Claims (2)

1.一种高效铸锭的诱导长晶工艺，包括装料抽真空、加热熔化、诱导长晶、退火冷却，其特征在于装料时，首先在方形石英坩埚底部平铺一层半圆柱状的单晶硅硅料，单晶硅硅料的矩形平面紧贴坩埚底上表面，且相邻单晶硅硅料紧密排布；方形石英坩埚内壁贴壁放置平滑的方形多晶硅硅料，贴满整个坩埚内壁，且保证方形多晶硅硅料之间没有间隙；在其余位置填充多晶硅碎料，最后上层放置方形多晶硅硅料；在熔化过程中，保证方形石英坩埚底部单晶硅硅料的温度低于1380℃。
2.根据权利要求1所述的所述的一种高效铸锭的诱导长晶工艺，其特征在于单晶硅硅料的半径为0.5～3cm，长度为1～4cm。
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