CN103866381A - 制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法。所述方法包括以下步骤：S1，在坩埚底部均匀铺设碎硅料，在碎硅料上放置一具有规则形状的多晶硅块后装入硅原料；S2，将坩埚置于定向凝固铸锭炉中抽真空，然后加热至一定温度后向上打开隔热笼至一定位置，保持坩埚底部温度低于碎硅料的熔点且坩埚上下具有较大温差，调节控温热电偶控制硅原料熔化界面的推进速度，待碎硅料部分熔化后进入长晶阶段；S3，调节控温热电偶的温度和隔热笼向上移动的速率，使热量向下辐射而使熔硅在未熔化的碎硅料上迅速成核，形成均匀的小晶粒，小晶粒在竖直向上的温度梯度下自下向上竖直生长；S4，待熔硅结晶完后经退火和冷却形成晶粒小且均匀的多晶硅锭。

Description

制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电硅片制造技术领域，尤其涉及一种制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法。

背景技术

太阳能发电是人类利用太阳能的重要手段，而太阳能电池则是实现光电转换的主要装置，太阳能电池的光电转换效率决定了太阳能源的利用转化率。近年来，世界太阳能电池的产量和装机容量每年都在以约30%的速度快速发展。2010年，全球累计装机容量为25.4GW，预计到2020年全球装机容量将达到278GW。

目前，太阳能电池的种类不断增多，其中晶体硅太阳能电池尤其是多晶硅太阳能电池以较低的成本和较高的转换效率，在未来一段时期内仍将占据主导地位。但是，相对于传统能源，多晶硅太阳能发电成本相对较高，市场化率相对较低。从目前全球形势及整个行业的发展来看，提高多晶硅太阳能电池的转换效率、降低光伏组件的发电成本是光伏产业的必然趋势。太阳能电池转换效率每提高1%，成本可降低7%。2011年末，市场上用多晶硅太阳能电池转换效率约为16.8％，2012年将达到17%。高效率光伏组件越来越受市场的青睐，低于17％的光伏组件将逐渐被市场淘汰。发展高功率光伏组件的关键在于提升太阳能电池的转换效率。

目前，提升太阳能电池效率的研究多集中在电池制作工艺的改良及高效电池结构的设计，前者如BSF技术，后者如三洋的HIT（Heterojunction with intrinsic Thinlayer结构，即在P型氢化非晶硅和n型氢化非晶硅与n型硅衬底之间增加一层非掺杂(本征)氢化非晶硅薄膜）结构电池，尽管可以制作出效率高出一般商用化产品的电池，但因制程过于复杂、成本过高，而难以大规模推广。如何以较低的成本制备出高效率的太阳能电池成为行业研究的热点。

除电池工艺因素外，传统多晶硅片的位错密度过高是限制多晶硅电池转换效率的主要因素之一。传统多晶硅片内的位错产生原因一方面是硅锭内碳含量过高，碳原子较硅原子半径小，会引起较大的晶格畸变，产生大量位错；另一方面是传统定向凝固方法的局限性，晶体生长初期，晶体内存在较大的位错密度，后期位错增殖，造成整锭位错密度过高。上述位错产生的两个原因中后者占主要地位。

因此，有必要提供一种改进的制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法，所述方法包括以下步骤：S1，在坩埚底部均匀铺设一定量的碎硅料，并在均匀铺设的碎硅料上放置一具有规则形状的多晶硅块，再装入铸锭用硅原料；S2，将上述装有硅料的坩埚置于一定向凝固铸锭炉中抽真空，然后加热至一定温度后向上打开定向凝固铸锭炉侧部隔热笼至一定位置，保持坩埚底部温度低于碎硅料的熔点且坩埚上下具有较大温差，再调节控温热电偶控制硅原料熔化界面的推进速度，待碎硅料部分熔化后进入长晶阶段；S3，调节控温热电偶的温度和侧部隔热笼向上移动的速率，使热量向下辐射而使熔硅在未熔化的碎硅料上迅速成核，形成均匀的小晶粒，小晶粒在竖直向上的温度梯度下自下向上竖直生长；S4，待熔硅结晶完后经退火和冷却形成晶粒小且均匀的多晶硅锭。

作为本发明的进一步改进，S1步骤中所述的具有规则形状的多晶硅块为边长为150-160mm、厚度为25-50mm的正方形多晶硅块。

作为本发明的进一步改进，S1步骤中所述的碎硅料为以下硅料中的一种或几种：尺寸小于6mm的原生多晶碎料，太阳能级多晶或单晶碎硅片、电子级单晶碎硅片、尺寸小于6mm的硅烷法制备的颗粒硅、以及尺寸小于5cm的多晶硅块。

作为本发明的进一步改进，S1步骤中所述的一定量的碎硅料是指10-20kg。

作为本发明的进一步改进，S2步骤中所述的加热到一定温度是指加热到1200-1500℃。

作为本发明的进一步改进，S2步骤中所述的向上打开定向凝固铸锭炉侧部隔热笼的位置为5-6cm。

作为本发明的进一步改进，S2步骤中所述的坩埚底部温度为1320-1350℃。

作为本发明的进一步改进，S2步骤中所述的较大温差为170-180℃。

作为本发明的进一步改进，S2步骤中所述的控温热电偶的温度调节范围为1500-1510℃。

作为本发明的进一步改进，S3步骤中所述的侧部隔热笼提升速率为0.5-0.6cm/h。

作为本发明的进一步改进，S3步骤中所述隔热笼的最高提升位置为14cm。

本发明的有益效果是：本发明在坩埚底部均匀铺设碎硅料，一方面通过均匀放置的碎硅料均匀分配应力，防止高效多晶铸锭初期因降温速率较大导致极大应力集中后产生的裂纹；另一方面，均匀放置的碎硅料对长大的晶核可起到几何限位的作用，从而保证晶核尺寸的均匀性，且在长晶初期作为冷却介质使与其接触的熔硅快速降温冷却，生长出均匀的小颗粒晶体，进而通过均匀的晶界限制位错。另外，碎硅料上放置的具有规则形状的多晶硅块可以为熔化做参考，保证熔化的稳定推进。此外，S2步骤中保持坩埚底部温度低于碎硅料的熔点且坩埚上下具有较大温差，可在长晶初期增进与碎硅料接触的熔硅的冷却速度，从而形成较多的晶核，并生长出大量较小颗粒的晶体，以进一步形成均匀的晶界限制位错，最终获得低位错密度的多晶硅铸锭。

附图说明

图1是本发明制备多晶硅铸锭用坩埚装料后的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、算法或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本发明制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法主要包括以下步骤：

S1，在一铸锭用石英坩埚底部均匀铺设一定量的碎硅料，并在均匀铺设的碎硅料上放置一具有规则形状的多晶硅块，再装入铸锭用硅原料，并根据所需电阻率加入掺杂剂；其中所述碎硅料为以下硅料中的一种或几种：尺寸小于6mm的原生多晶碎料、太阳能级多晶或单晶碎硅片、电子级单晶碎硅片、尺寸小于6mm的硅烷法制备的颗粒硅、或者尺寸小于5cm的多晶硅块；所述的一定量的碎硅料是指10-20kg；所述的具有规则形状的多晶硅块为边长为150-160mm、厚度为25-50mm的正方形多晶硅块；所述硅原料包括有原生多晶及复熔料等。

S2，将上述装有硅料的坩埚置于一定向凝固铸锭炉中抽真空，然后加热至一定温度后向上打开定向凝固铸锭炉侧部隔热笼至一定位置，保持坩埚底部温度低于碎硅料的熔点且坩埚上下具有较大温差，从而可使得硅原料具有明显的熔化界面并缓慢向下推进，再通过调节控温热电偶控制硅原料熔化界面的推进速度，待碎硅料部分熔化后进入长晶阶段；其中在本发明中，所述的加热到一定温度是指加热到1200-1500℃；所述的向上打开定向凝固铸锭炉侧部隔热笼的位置为5-6cm；所述的坩埚底部温度为1320-1350℃；所述的较大温差为170-180℃；所述的控温热电偶的温度调节范围为1500-1510℃；

S3，进入长晶阶段后，调节控温热电偶的温度和侧部隔热笼向上移动的速率，使热量向下辐射而使熔硅在未熔化的碎硅料上迅速成核，形成均匀的小晶粒，这些小晶粒在竖直向上的温度梯度下自下向上竖直生长；其中所述的侧部隔热笼提升速率为0.5-0.6cm/h；并且为了防止晶体在生长过程中竖直的柱状晶之间挤压产生位错等缺陷，在该长晶阶段隔热笼不能提升过高，其最高提升位置为14cm；

S4，待熔硅结晶完后经退火和冷却形成晶粒小且均匀的多晶硅锭；

最后将S4步骤形成的多晶硅锭经过剖方、线切后即可得到用于制作太阳能电池的多晶硅片。

此外，为减少坩埚向硅锭中的杂质扩散量，还可在坩埚内壁上设置氮化硅涂层或者含铝涂层。其中该含铝涂层可为覆盖在所述坩埚内壁上的由纯水和氧化铝微粉制成的氧化铝涂层和覆盖在所述氧化铝涂层上的由纯水和氮化硅粉体制成的氮化硅涂层组合；也可为覆盖在坩埚内壁上的由纯水、氮化硅粉体和铝微粉制成的含铝涂层。

请参照图1所示为本发明上述制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法的一具体实施例，包括以下步骤：

首先，选择内部尺寸为840×840×480mm的铸锭石英坩埚（1），内部制备氮化硅涂层；

其次，选择太阳能级碎硅片（2）10Kg，均匀铺设在坩埚（1）底部，并在碎硅片（2）上方放置一块边长为156mm厚度为30mm的正方形多晶硅块（3），然后依次放入其他硅原料（4），并根据所需电阻率加入掺杂剂；

再次，将装有上述原料的坩埚（1）置于定向凝固炉中进行抽真空并加热，定性凝固炉为GT－450型，控制功率将硅原料（4）进行加热至1200℃后打开隔热笼至6cm，继续加热至1510℃，使硅原料（4）开始自上而下熔化，通过插入石英棒控制多晶硅块（3）的熔化速率，同时保持坩埚（1）底部温度为1330℃，待确认碎硅片（2）上部多晶硅块（3）熔化完后，结束熔化步骤，跳转至长晶阶段；

进入长晶阶段后，保持温度为1435℃，侧部隔热笼打开速率为0.5-0.6cm/h，直至打开至13.5cm，达到稳定长晶，待熔硅结晶完后长晶结束；

最后经过退火和冷却，出炉后得到晶粒尺寸小且均匀的多晶硅锭。

本发明上述制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法具有如下有益效果：

1、本发明采用碎硅料给熔硅提供形核中心，一方面，均匀放置的碎硅料可以均匀分配应力，防止高效多晶铸锭初期因降温速率较大导致极大应力集中后产生的裂纹；另一方面，均匀放置的碎硅料对长大的晶核可起到几何限位的作用，从而保证晶核尺寸的均匀性；此外，碎硅料可以提供冷却介质的作用，在长晶初期作为冷却介质使与其接触的熔硅快速降温冷却，生长出均匀的小颗粒晶体，进而通过均匀的晶界限制位错。

2、在碎硅料上放置的具有规则形状的多晶硅块，并用石英棒探测其熔化速率，可以为熔化做参考，保证熔化的稳定推进，从而为熔化工艺的设置提供合理的数据。

3、本发明S2步骤中保持坩埚底部温度低于碎硅料的熔点且坩埚上下具有较大温差，以在长晶初期增进与碎硅料接触的熔硅的冷却速度，从而形成较多的晶核，并生长出大量较小颗粒的晶体，以进一步形成均匀的晶界限制晶体生长初期的位错，同时防止位错在晶体生长过程中增殖，最终获得低位错密度的多晶硅铸锭。

综上采用本发明新型定向凝固方法制备的多晶硅锭晶粒细小均匀，位错密度低；使用该种多晶硅锭剖切形成的硅片制备的太阳能电池转换效率可提升0.3-0.5%，有效降低多晶光伏组件的发电成本。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1，在坩埚底部均匀铺设一定量的碎硅料，并在均匀铺设的碎硅料上放置一具有规则形状的多晶硅块，再装入铸锭用硅原料；

S2，将上述装有硅料的坩埚置于一定向凝固铸锭炉中抽真空，然后加热至一定温度后向上打开定向凝固铸锭炉侧部隔热笼至一定位置，保持坩埚底部温度低于碎硅料的熔点且坩埚上下具有较大温差，再调节控温热电偶控制硅原料熔化界面的推进速度，待碎硅料部分熔化后进入长晶阶段；

S3，调节控温热电偶的温度和侧部隔热笼向上移动的速率，使热量向下辐射而使熔硅在未熔化的碎硅料上迅速成核，形成均匀的小晶粒，小晶粒在竖直向上的温度梯度下自下向上竖直生长；

S4，待熔硅结晶完后经退火和冷却形成晶粒小且均匀的多晶硅锭。

2.根据权利要求1所述的制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法，其特征在于：S1步骤中所述的具有规则形状的多晶硅块为边长为150-160mm、厚度为25-50mm的正方形多晶硅块。

3.根据权利要求1所述的制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法，其特征在于：S1步骤中所述的碎硅料为以下硅料中的一种或几种：尺寸小于6mm的原生多晶碎料，太阳能级多晶或单晶碎硅片、电子级单晶碎硅片、尺寸小于6mm的硅烷法制备的颗粒硅、以及尺寸小于5cm的多晶硅块。

4.根据权利要求1所述的制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法，其特征在于：S1步骤中所述的一定量的碎硅料是指10-20kg。

5.根据权利要求1所述的制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法，其特征在于：S2步骤中所述的加热到一定温度是指加热到1200-1500℃。

6.根据权利要求1所述的制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法，其特征在于：S2步骤中所述的向上打开定向凝固铸锭炉侧部隔热笼的位置为5-6cm。

7.根据权利要求1所述的制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法，其特征在于：S2步骤中所述的坩埚底部温度为1320-1350℃。

8.根据权利要求1所述的制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法，其特征在于：S2步骤中所述的较大温差为170-180℃。

9.根据权利要求1所述的制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法，其特征在于：S2步骤中所述的控温热电偶的温度调节范围为1500-1510℃。

10.根据权利要求1所述的制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法，其特征在于：S3步骤中所述的侧部隔热笼提升速率为0.5-0.6cm/h。

11.根据权利要求1所述的制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法，其特征在于：S3步骤中所述隔热笼的最高提升位置为14cm。

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