CN103668450A - 可减少多晶硅铸锭中细晶产生的铸锭工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于多晶硅铸锭领域，具体涉及一种可减少多晶硅铸锭中细晶产生的铸锭工艺，主要在长晶过程中按照以下工艺进行：保温结束后降温至开始长晶温度，此过程中调节P1：P2=2:1；在长晶过程中，调节P1：P2=3:1。本发明的优点在于：（1）通过该工艺调整，可以有效的减少多晶硅铸锭中细晶的产生；（2）通过对长晶过程中温度梯度的精确控制来提高长晶质量，从而使多晶硅铸锭加工生成的电池片的光电转换效率提高0.2%；（3）通过对温度的精确控制和能源的合理分配，减少不必要的能源损耗，使耗电量降低10%。

Description

可减少多晶硅铸锭中细晶产生的铸锭工艺

技术领域

本发明属于多晶硅铸锭领域，具体涉及一种可减少多晶硅铸锭中细晶产生的铸锭工艺。

背景技术

目前，我国已成为世界能源生产和消费大国，但人均能源消费水平还很低。随着经济和社会的不断发展，我国能源需求将持续增长，针对目前的能源紧张状况，世界各国都在进行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促进可再生能源的开发和应用，减少对进口石油的依赖，加强能源安全。

作为可再生能源的重要发展方向之一的太阳能光伏发电近年来发展迅猛，其所占比重越来越大。根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，中国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW。预计到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。预计2030年之前，中国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。

太阳能光伏产业的发展依赖于对多晶硅原料的提纯。多晶硅原料的提纯工艺目前主要依赖以下几种工艺：西门子法、硅烷法、气体流化床法和冶金法。以上几种方法都会涉及到多晶硅最终的铸锭工艺，铸锭过程主要分为六个阶段，包括装料抽真空、熔化保温、长晶、退火、降温和开方。

目前，多晶硅太阳能电池片的光电转化效率还不是很高，现有工艺得到的多晶硅太阳能电池的光电转化效率为17.2%左右，这使得太阳能发电成本仍然很高，不能满足人们对于太阳能发电的要求。其中，影响转换效率的一个主要原因为铸锭生产过程中由于组分过冷会产生一些细晶，细晶的产生导致了晶体颗粒大小不一致且产生小角度晶界，成为少数载流子与多数载流子的强复合中心。因此，如何在现有条件下通过改变现有铸锭工艺来提高太阳能电池片的光电转化效率成为一种研究方向。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提出一种可减少多晶硅铸锭中细晶产生的铸锭工艺，通过对铸锭过程中长晶工艺的调整，来减少多晶硅铸锭生产过程中细晶的产生，以达到提高多晶硅太阳能电池片光电转换效率的目的。

本发明所述的一种可减少多晶硅铸锭中细晶产生的铸锭工艺，包括装料抽真空、熔化保温、长晶、退火、降温和开方，长晶过程中，铸锭炉内的顶部热场变压器功率P1与侧面热场变压器功率P2的调节按照以下工艺进行：

保温结束后降温至开始长晶温度，此过程中调节P1：P2=2:1；在长晶过程中，调节P1：P2=3:1。

其中，所述的装料抽真空是将多晶硅料装入铸锭炉中的石英坩埚内，然后抽真空至0.7～1.0Pa。

所述的多晶硅料的纯度为5～6N（99.999%～99.9999%）。多晶硅铸锭阶段要求硅料的纯度要高，对于太阳能电池来说，通常要求在5～6N，因此只要满足这个要求即可。

所述的熔化保温的优选方案如下：通入氩气作为保护气，使炉内压强保持在40～60kPa，在功率模式下，调节P1：P2=1：1，使石英坩埚内温度在7～9h内达到多晶硅料的熔化温度，然后采用温度控制模式，调节P1：P2=1：1，在1550～1560℃范围内保温11～14h，直至硅料完全熔化。

所述的长晶的优选方案如下：保温结束后，温度从1550～1560℃经1～2h降低到1425～1430℃开始长晶，此过程中调节P1：P2=2:1，然后调节P1：P2=3:1，在30～35h内由1425～1430℃降低到1410～1415℃，完成长晶过程，整个长晶过程气体压强保持在50～70kPa。

所述的退火的优选方案如下：将多晶硅铸锭在0.5h内降温到1320～1380℃并保温4～5h，气体压强保持在50～70kPa。退火时间相较于现有工艺中的2～3h有了延长，有利于减少由于增大的温度梯度产生的位错。

所述的降温的优选方案如下：向铸锭炉内通入循环氩气冷却，压强保持在90～100kPa，控制降温速率为60～70℃/h，降至400℃后取出多晶硅铸锭。

所述的开方的优选方案如下：将多晶硅铸锭经过切除顶部杂质及四周边角料后，置于开方机中进行开方。

在现有工艺中，多晶硅铸锭炉内的设计为石英坩埚的顶部和侧面都有石墨加热器，两个加热器连接双电源系统，即分为顶部热场和侧面热场，两个热场的功率分配是按照固定的比例来分配，并且恒定不变，这就使得整个铸锭过程中对于温度的控制不够精确，存在很大的偏差，与工艺要求的温度值不符。这样就造成了铸锭质量的下降以及能源分配不合理的浪费。在本发明中，各个工艺环节中，尤其是长晶过程中的顶部热场变压器功率P1与侧面热场变压器功率P2采用不同的分配方式，能够更加精确的控制长晶过程中的温度梯度，减少晶相间的位错，长晶更加均匀，另外能源的合理分配，提高能源的利用率。

长晶过程中，在结晶界面前沿狭窄的区域内(即溶质边界层内),不产生组分过冷的临界条件是：

$\frac{G}{V}\≥\frac{m{C}_L^0(1-{\mathrm{\κ}}_0)}{D[{\mathrm{\κ}}_0+(1-{\mathrm{\κ}}_0)\exp (-\frac{V}{D}{\mathrm{\δ}}_c)]}$

式中,

为溶液中溶质的平均浓度,m为液相线斜率，,κ₀为溶质的平衡分凝系数,D为溶质在溶液中的扩散系数,G为结晶界面前沿中熔体的温度梯度,V为晶体生长速度,δ_c为溶质边界层的厚度。

长晶过程中，功率分配比的提高使得结晶界面前沿中熔体的温度梯度G明显提高，同时通过对隔热笼开度的控制延长了长晶时间，由过去的20h左右延长到了30～35h，从而降低了长晶速率V，使得G/V的值增加，从而有效地抑制了细晶的产生。

本发明的优点在于：（1）通过该工艺调整，可以有效的减少多晶硅铸锭中细晶的产生；（2）通过对长晶过程中温度梯度的精确控制来提高长晶质量，从而使多晶硅铸锭加工生成的电池片的光电转换效率提高0.2%；（3）通过对温度的精确控制和能源的合理分配，减少不必要的能源损耗，使耗电量降低10%。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

按照以下工艺进行多晶硅铸锭生产：

（1）装料抽真空：将纯度为5N的多晶硅料650kg装入铸锭炉中的石英坩埚内，然后抽真空至0.7Pa。

（2）熔化保温：通入氩气作为保护气，使炉内压强保持在40kPa，在功率模式下，调节P1：P2=1：1，使石英坩埚内温度在7h内达到多晶硅料的熔化温度，然后采用温度控制模式，调节P1：P2=1：1，在1550℃保温11h，直至硅料完全熔化。

（3）长晶：保温结束后，温度从1550℃经1h降低到1425℃开始长晶，此过程中调节P1：P2=2:1，然后调节P1：P2=3:1，在30h内由1425℃降低到1410℃，完成长晶过程，整个长晶过程气体压强保持在50kPa。

（4）退火：将多晶硅铸锭在0.5h内降温到1320℃并保温4h，气体压强保持在50kPa。

（5）降温：向铸锭炉内通入循环氩气冷却，压强保持在90kPa，控制降温速率为60℃/h，降至400℃后取出多晶硅铸锭。

（6）开方：将多晶硅铸锭经过切除顶部杂质及四周边角料后，置于开方机中进行开方。

（7）经检测，由该多晶硅铸锭加工生成的电池片的光电转换效率为17.6%。

实施例2：

（1）装料抽真空：将纯度为6N的多晶硅料650kg装入铸锭炉中的石英坩埚内，然后抽真空至1.0Pa。

（2）熔化保温：通入氩气作为保护气，使炉内压强保持在60kPa，在功率模式下，调节P1：P2=1：1，使石英坩埚内温度在9h内达到多晶硅料的熔化温度，然后采用温度控制模式，调节P1：P2=1：1，在1560℃保温14h，直至硅料完全熔化。

（3）长晶：保温结束后，温度从1560℃经2h降低到1430℃开始长晶，此过程中调节P1：P2=2:1，然后调节P1：P2=3:1，在35h内由1430℃降低到1415℃，完成长晶过程，整个长晶过程气体压强保持在70kPa。

（4）退火：将多晶硅铸锭在0.5h内降温到1380℃并保温5h，气体压强保持在70kPa。

（5）降温：向铸锭炉内通入循环氩气冷却，压强保持在100kPa，控制降温速率为70℃/h，降至400℃后取出多晶硅铸锭。

（6）开方：将多晶硅铸锭经过切除顶部杂质及四周边角料后，置于开方机中进行开方。

（7）经检测，由该多晶硅铸锭加工生成的电池片的光电转换效率为17.6%。

Claims (8)

1.一种可减少多晶硅铸锭中细晶产生的铸锭工艺，包括装料抽真空、熔化保温、长晶、退火、降温和开方，其特征在于长晶过程中，铸锭炉内的顶部热场变压器功率P1与侧面热场变压器功率P2的调节按照以下工艺进行：

保温结束后降温至开始长晶温度，此过程中调节P1：P2=2:1；在长晶过程中，调节P1：P2=3:1。

2.根据权利要求1所述的可减少多晶硅铸锭中细晶产生的铸锭工艺，其特征在于所述的装料抽真空是将多晶硅料装入铸锭炉中的石英坩埚内，然后抽真空至0.7～1.0Pa。

3.根据权利要求1或2所述的可减少多晶硅铸锭中细晶产生的铸锭工艺，其特征在于所述的多晶硅料的纯度为5～6N。

4.根据权利要求1所述的可减少多晶硅铸锭中细晶产生的铸锭工艺，其特征在于所述的熔化保温是通入氩气作为保护气，使炉内压强保持在40～60kPa，在功率模式下，调节P1：P2=1：1，使石英坩埚内温度在7～9h内达到多晶硅料的熔化温度，然后采用温度控制模式，调节P1：P2=1：1，在1550～1560℃范围内保温11～14h，直至硅料完全熔化。

5.根据权利要求1所述的可减少多晶硅铸锭中细晶产生的铸锭工艺，其特征在于所述的长晶是在保温结束后，温度从1550～1560℃经1～2h降低到1425～1430℃开始长晶，此过程中调节P1：P2=2:1，然后调节P1：P2=3:1，在30～35h内由1425～1430℃降低到1410～1415℃，完成长晶过程，整个长晶过程气体压强保持在50～70kPa。

6.根据权利要求1所述的可减少多晶硅铸锭中细晶产生的铸锭工艺，其特征在于所述的退火是将多晶硅铸锭在0.5h内降温到1320～1380℃并保温4～5h，气体压强保持在50～70kPa。

7.根据权利要求1所述的可减少多晶硅铸锭中细晶产生的铸锭工艺，其特征在于所述的降温是向铸锭炉内通入循环氩气冷却，压强保持在90～100kPa，控制降温速率为60～70℃/h，降至400℃后取出多晶硅铸锭。

8.根据权利要求1所述的可减少多晶硅铸锭中细晶产生的铸锭工艺，其特征在于所述的开方是将多晶硅铸锭经过切除顶部杂质及四周边角料后，置于开方机中进行开方。