CN103882517A - 多晶硅锭的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种多晶硅锭的制备方法，其包括以下步骤：S1、提供一坩埚，并在坩埚内壁上涂敷氮化硅涂层，在氮化硅涂层上涂敷晶态硅粉涂层；S2、在上述涂敷后的坩埚内侧的底部铺设一定厚度的隔离层，并在隔离层上铺设一层碎硅料，然后放入多晶硅原料；S3、将装有多晶硅原料的坩埚放置于一定向凝固铸锭炉中抽真空，然后加热使所述多晶硅料熔化进入长晶阶段；S4、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竖直向上的温度梯度下自下向上生长；S5、待所述熔硅结晶完后经退火和冷却形成多晶硅锭。

Description

多晶硅锭的制备方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电硅片制造技术领域，具体涉及一种杂质含量较低的多晶硅锭的制备方法。

背景技术

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（Hetero junction 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，传统多晶硅片的杂质含量较高，也是限制多晶硅电池片效率低下的原因之一。在目前的多晶硅铸造的加工过程中，硅锭在石英坩埚内完成熔化及长晶的整个过程需要持续40小时以上，由于坩埚内的杂质含量是硅料内杂质含量的1000倍以上，即使进行加工的坩埚内壁上涂敷有高纯氮化硅涂层以进行隔离，坩埚的杂质尤其是快扩散杂质仍会在铸锭过程中大量进入硅锭内，从而对硅锭造成污染，进而限制多晶硅电池片的转换效率。

因此，有必要提供一种改进的多晶硅锭的制备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杂质含量较低的高品质多晶硅锭的制备方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种多晶硅锭的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、提供一坩埚，并在坩埚内壁上涂敷氮化硅涂层，在氮化硅涂层上涂敷晶态硅粉涂层；S2、在上述涂敷后的坩埚内侧的底部铺设一定厚度的隔离层，并在隔离层上铺设一层碎硅料，然后放入多晶硅原料；S3、将装有多晶硅原料的坩埚放置于一定向凝固铸锭炉中抽真空，然后加热使所述多晶硅料熔化进入长晶阶段；S4、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竖直向上的温度梯度下自下向上生长；S5、待所述熔硅结晶完后经退火和冷却形成多晶硅锭。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中所述的氮化硅涂层的厚度为50-70um，纯度大于99.9%。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中所述的晶态硅粉涂层的厚度为40-50um。 

作为本发明的进一步改进，所述的晶态硅粉涂层的原材料为晶态硅粉，该晶态硅粉的平均粒径为10-15um，纯度大于99.9%。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中所述的隔离层采用纯度大于99.9%的致密块状材料均匀铺设形成，且该隔离层的厚度为15-25mm。

作为本发明的进一步改进，所述致密块状材料为硅块、或碳化硅、或氮化硅、或氮化铝、或石英材料。

作为本发明的进一步改进，步骤S2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，步骤S3中所述多晶硅原料熔化的温度控制在1500-1550℃。

作为本发明的进一步改进，步骤S4中所述控温热电偶的温度调节范围为1400-1430℃。

作为本发明的进一步改进，步骤S4中所述侧部隔热笼向上移动的速率为0.5-0.6cm/h，并且所述侧部隔热笼的最高移动距离为17cm。

与现有技术相比，本发明提供的多晶硅锭的制备方法一方面在坩埚内壁的氮化硅涂层上进一步涂敷了晶态硅粉涂层，可有效减少坩埚向硅锭内扩散的杂质，同时可防止氮化硅涂层脱落而对熔硅造成污染；另一方面在坩埚底部设置隔离层，由于坩埚底部与熔硅接触的时间最长，在坩埚底部放置隔离层后可大大降低坩埚杂质向硅锭内部的扩散；由以上两个方面可使得本发明的制备方法能够有效隔离坩埚对硅锭的污染，使得采用本发明制备方法制成的多晶硅锭内部的杂质含量大大降低，品质大大提高。

附图说明

图1是本发明多晶硅锭的制备方法的流程图；

图2是本发明制备多晶硅锭用坩埚装料后的示意图；

图3是本发明制备多晶硅锭用坩埚装上隔离层后的俯视图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体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、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1所示为本发明多晶硅锭的制备方法的一具体实施方式。在本实施方式中，该方法包括以下步骤：

S1、提供一坩埚，并在坩埚内壁上涂敷氮化硅涂层，在氮化硅涂层上涂敷晶态硅粉涂层；其中，所述坩埚为石英坩埚，所述的氮化硅涂层的厚度为50-70um，纯度大于99.9%，优选纯度为99.999的高纯氮化硅；所述的晶态硅粉涂层的涂敷原料为晶态硅粉，该晶态硅粉的平均粒径为10-15um，纯度大于99.9%，优选纯度为99.9999的高纯晶态硅粉，形成的所述晶态硅粉涂层的厚度为40-50um。

S2、在上述涂敷后的坩埚内侧的底部铺设一定厚度的隔离层，并在隔离层上铺设一层碎硅料，然后放入多晶硅原料；其中，所述隔离层和碎硅料均为均匀铺设，所述的隔离层采用纯度大于99.9%的致密块状材料均匀铺设形成，该致密块状材料为硅块、或碳化硅、或氮化硅、或氮化铝、或石英等高纯材料，并且该隔离层的厚度为15-25mm。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。

S3、将装有多晶硅原料的坩埚放置于一定向凝固铸锭炉中抽真空，然后加热使所述多晶硅料熔化进入长晶阶段；

具体为：将上述装有多晶硅原料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，从而可使得多晶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6-6.5cm；所述的坩埚底部温度为1300-1330℃；所述的较大温差为180-200℃；所述多晶硅原料熔化的温度即控温热电偶的温度调节范围控制在1500-1550℃。

S4、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竖直向上的温度梯度下自下向上生长；其中，所述侧部隔热笼向上移动的速率为0.5-0.6cm/h，同时，为了降低多晶硅锭内部的应力，所述侧部隔热笼的最高移动距离为17cm，在此过程中，控温热电偶的控制温度调节范围为1400-1430℃。需要说明的是，本实施方式中所提到“向上”是以多晶硅锭结晶的方向为参照。

S5、待所述熔硅结晶完后经退火和冷却形成杂质含量较低的高品质多晶硅锭。

结合图2及图3所示，以下以一具体实施例介绍本发明多晶硅锭的制备方法，具体包括以下步骤：

首先，选用商用G5-480铸锭石英坩埚1，并在坩埚内壁上通过喷涂5-7遍而形成50-70um厚度的高纯氮化硅涂层2，在氮化硅涂层2上通过喷涂或涂敷的方法制备一层40-50um厚的高纯晶态硅粉涂层3；

其次，在上述涂敷后的坩埚1底部放置25块厚度为20mm边长为156mm的正方形多晶硅块4，形成所述的隔离层，以防止杂质侵入坩埚1内部；并在硅块4上方均匀放置30Kg的颗粒硅5，然后放入480-500Kg的其他多晶硅原料6，并根据所需电阻率加入掺杂剂，所述多晶硅原料6包括原生多晶及复熔料等；

再次，将上述装有多晶硅原料6的坩埚1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1底部温度低于碎硅料，即上述颗粒硅5的熔点，且坩埚1上下具有较大温差，从而可使得多晶硅原料6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料熔化界面的推进速度，待颗粒硅5部分熔化后进入长晶阶段；其中在本实施方式中，所述的加热到一定温度是指加热到1200℃；所述的向上打开定向凝固铸锭炉侧部隔热笼的位置为6-6.5cm；所述的坩埚底部温度为1300-1330℃；所述的较大温差为180-200℃；所述的控温热电偶的温度调节范围为1500-1530℃；

然后，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颗粒硅5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，其最高提升距离为17cm；

最后，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。将形成的所述多晶硅锭经过剖方、线切后即可得到用于制作太阳能电池的多晶硅片。

由以上可知，本发明上述制备高品质多晶硅锭的方法具有如下有益效果：

本发明一方面在坩埚内壁的氮化硅涂层上进一步涂敷了晶态硅粉涂层，从而可有效减少坩埚向硅锭内扩散的杂质，同时可防止氮化硅涂层脱落而对熔硅造成污染；另一方面在坩埚底部设置隔离层，由于坩埚底部与熔硅接触的时间最长，在坩埚底部放置隔离层后可大大降低坩埚杂质向硅锭内部的扩散；由以上两个方面可使得本发明的制备方法能够有效隔离坩埚对硅锭的污染，使得采用本发明制备方法制成的多晶硅锭内部的杂质含量大大降低，品质大大提高。

另外，在本实施例中，作为隔离层使用的高纯硅块的导热系数远大于坩埚的导热系数，其作为晶体生长的承载物，还可起到消除横向温度偏差，调平固液界面的作用，可降低铸锭内部的应力。

综上，采用本发明制备的多晶硅锭剖切形成的硅片制备的太阳能电池转换效率较目前的高效多晶可提升0.1-0.2%，转换效率达到17.7%以上，同时制程碎片及暗电流比例也有一定幅度的下降，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 (10)

1.一种多晶硅锭的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、提供一坩埚，并在坩埚内壁上涂敷氮化硅涂层，在氮化硅涂层上涂敷晶态硅粉涂层；

S2、在上述涂敷后的坩埚内侧的底部铺设一定厚度的隔离层，并在隔离层上铺设一层碎硅料，然后放入多晶硅原料；

S3、将装有多晶硅原料的坩埚放置于一定向凝固铸锭炉中抽真空，然后加热使所述多晶硅料熔化进入长晶阶段；

S4、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竖直向上的温度梯度下自下向上生长；

S5、待所述熔硅结晶完后经退火和冷却形成多晶硅锭。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的氮化硅涂层的厚度为50-70um，纯度大于99.9%。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的晶态硅粉涂层的厚度为40-50um。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的晶态硅粉涂层的原材料为晶态硅粉，该晶态硅粉的平均粒径为10-15um，纯度大于99.9%。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述的隔离层采用纯度大于99.9%的致密块状材料均匀铺设形成，且该隔离层的厚度为15-25mm。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述致密块状材料为硅块、或碳化硅、或氮化硅、或氮化铝、或石英材料。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2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。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述多晶硅原料熔化的温度控制在1500-1550℃。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述控温热电偶的温度调节范围为1400-1430℃。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述侧部隔热笼向上移动的速率为0.5-0.6cm/h，并且所述侧部隔热笼的最高移动距离为17cm。

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