CN103952754A - 类单晶硅锭制备方法及切割制备类单晶硅片方法 - Google Patents

Abstract

一种类单晶硅锭制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：在坩埚底部铺设单晶硅籽晶，形成籽晶层，所述单晶硅籽晶为<110>晶相；在所述籽晶层上方设置熔融状态的硅料，并控制所述籽晶层不被完全融化；以及控制所述坩埚内的温度沿垂直于所述坩埚底部向上的方向逐渐上升形成温度梯度，使得所述熔融状态的硅料在未熔化的籽晶层上沿<110>晶向结晶生长，制备得到类单晶硅锭。本发明还提供两种切割所述类单晶硅锭制备类单晶硅片的方法，本发明利用<110>晶相的单晶硅籽晶生长获得位错面积小的类单晶硅锭，并通过选择合适的切割方向，切割得到〈100〉晶向的类单晶硅片，提高了材料的使用率和生产效率。

Description

类单晶硅锭制备方法及切割制备类单晶硅片方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏领域，尤其涉及一种类单晶硅锭制备方法及切割制备类单晶硅片方法。

背景技术

当今社会，能源消耗越来越多，随着传统能源的短缺及对环境的污染，人们迫切需要开发新的能源，太阳能以其可再生及对环境无污染等优点成为人们关注的重点。目前太阳能一般存储在太阳能电池内，现有的制造太阳能电池的晶体硅主要是采用直拉法的单晶硅及采用铸锭技术的多晶硅。多晶硅虽然生产操作简单且成本低，但电池转换效率较低、寿命短；直拉单晶硅虽然转换效率高，但操作复杂，成本较高。在这种背景下，介于多晶硅和单晶硅之间的类单晶（Mono Like）逐渐进入了人们的视野。

类单晶基于多晶铸锭的工艺，其通过使用单晶籽晶进行晶体生长，获得外观和电性能均类似单晶的多晶硅片。这种通过铸锭的方式形成单晶硅的技术，其功耗只比普通多晶硅多5%，所生产的单晶硅的质量却接近直拉单晶硅。

现有的类单晶生长技术，一般将<100>籽晶铺设在坩埚内再投料进行生长，这种籽晶生长时会在{111}晶面产生位错滑移，由于{111}晶面和<100>晶向大约成54.11度夹角，所以生长的类单晶的位错不断繁殖生长，且面积越来越大。此外，在坩埚侧壁和籽晶缝隙处，容易生长出非<100>晶向的多晶来，如此会影响后续的切片及生产的全单晶硅片的数量，不能满足生产要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种类单晶硅锭制备方法，其利用制备的<110>晶向的单晶硅籽晶生长后得到位错面积较小的类单晶硅锭。

本发明还提供两种切割制备类单晶硅片方法，通过选择合适的切割方向，切割上述制备得到的类单晶硅锭，可以得到较多的类单晶硅片，提高了材料的使用率和生产效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种类单晶硅锭制备方法，至少包括以下步骤：

在坩埚底部铺设单晶硅籽晶，形成籽晶层，所述单晶硅籽晶为<110>晶相；

在所述籽晶层上方设置熔融状态的硅料，并控制所述籽晶层不被完全融化；以及

控制所述坩埚内的温度沿垂直于所述坩埚底部向上的方向逐渐上升形成温度梯度，使得所述熔融状态的硅料在未熔化的籽晶层上沿<110>晶向结晶生长，制备得到类单晶硅锭。

其中，所述单晶硅籽晶的制备至少包括如下步骤：

提供<100>单晶硅棒，所述<100>单晶硅棒具有{100}晶面；

将所述<100>单晶硅棒以垂直于所述{100}晶面的棱线为轴旋转45o；及

沿<100>晶向将所述<100>单晶硅棒切割成预设的形状和尺寸，获得单晶硅籽晶。

其中，所述单晶硅籽晶具有{110}晶面和{100}晶面，且所述{110}晶面垂直于所述{100}晶面，在所述在坩埚底部铺设单晶硅籽晶时，所述单晶硅籽晶的{100}晶面朝向所述坩埚侧壁铺设。

其中，所述单晶硅籽晶的{110}晶面的尺寸为100mm～1120mm。

其中，所述单晶硅籽晶的厚度为5mm～30mm。

本发明提供一种由上述制备得到的类单晶硅锭切割制备类单晶硅片的方法，包括以下步骤：

将所述类单晶硅锭沿平行于<110>晶向进行开方，得到类单晶硅块；及

将所述类单晶硅块沿平行于{100}晶面方向进行切割，得到类单晶硅片，所述类单晶硅片为<100>晶相。

其中，在将所述类单晶硅块沿平行于{100}晶面方向进行切割之前，还包括去除所述类单晶硅块的红区。

本发明还提供一种由上述制备得到的类单晶硅锭切割制备类单晶硅片的方法，包括以下步骤：

将所述类单晶硅锭沿垂直于<110>晶向进行开方，得到类单晶硅块；及

将所述类单晶硅块沿平行于{100}晶面方向进行切割，得到类单晶硅片，所述类单晶硅片为<100>晶相。

其中，在将所述类单晶硅块沿平行于{100}晶面方向进行切割之前，还包括去除所述类单晶硅块的红区。

本发明提供的类单晶硅锭制备方法及切割制备类单晶硅片的方法，通过制备所述单晶硅籽晶并利用该单晶硅籽晶生长得到所述类单晶硅锭，然后采用合适的方向切割所述类单晶硅锭，获得所述类单晶硅片。本发明提供的类单晶硅锭及硅片制备方法，生成的类单晶硅锭位错面积小，切割效率高，提高了材料使用率和生产效率，满足了使用要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的类单晶硅片制备方法的流程示意图。

图2(a)至图2(d)是本发明实施例提供的制备单晶硅籽晶的示意图。

图3是本发明实施例提供的单晶硅籽晶的第一种铺设方法的示意图。

图4是本发明实施例提供的单晶硅籽晶的第二种铺设方法的示意图。

图5(a)是本发明实施例提供的单晶硅籽晶的第三种铺设方法的示意图。

图5(b)是图5(a)所示的各个单晶硅籽晶对应的区域图。

图6是本发明实施例提供的类单晶硅锭的结构示意图。

图7是本发明实施例提供的一种切割制备类单晶硅片的示意图。

图8是本发明实施例提供的另一种切割制备类单晶硅片的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请一并参阅图1及图2(a)至图2(d)，本发明实施例提供一种类单晶硅片制备方法，所述类单晶硅片制备方法包括类单晶硅锭的制备方法及切割制备类单晶硅片方法。

其中，所述类单晶硅锭的制备方法至少包括如下步骤：

S101，在坩埚底部铺设单晶硅籽晶20，形成籽晶层，所述单晶硅籽晶20为<110>晶相。

在本发明的实施例中，所述单晶硅籽晶20的制作可以包括如下步骤：

首先，提供<100>单晶硅棒10。所述<100>单晶硅棒10可为长方体状，其具有{100}晶面12，

然后，将所述<100>单晶硅棒10以垂直于所述{100}晶面12的任意一条棱线为轴旋转45o，如图2(a)所示。可以理解的是，所述棱线是垂直于所述{100}晶面12的线，如当所述{100}晶面12为底面时，那么该棱线就是对应于该底面的高。

最后，沿<100>晶向将所述<100>单晶硅棒10切割成预设的形状和尺寸，以获得单晶硅籽晶20。如图2(b)至图2(d)所示，切割后得到的截面为{110}晶面14，且所述{100}晶面12与所述{110}晶面14之间成900夹角，需要注意的是，在切割前，要先去除所述<100>单晶硅棒10的边皮，由于所述<100>单晶硅棒10的边皮可能被氧化或附有杂质，如此会影响生长出来的晶体的纯度，因而需要先将这些边皮切割掉以保证生长出品质较好的硅片。

在本发明的实施例中，所述单晶硅籽晶20的{110}晶面14可制作为长方形或正方形，其中所述{110}晶面14的尺寸为100mm～1120mm，所述单晶硅籽晶20的厚度为5mm～30mm，较佳地，所述单晶硅籽晶20的厚度可为20mm。

请一并参阅图3，图3为本发明实施例提供单晶硅籽晶20的第一种铺设方法，该铺设方法将5块单晶硅籽晶20铺设在所述坩埚底部，并将所有单晶硅籽晶20的{100}晶面12朝向坩埚侧壁铺设，其中，较佳地，位于中间的三块单晶硅籽晶20的{110}晶面14的尺寸为156mm*808mm，位于两边的两块单晶硅籽晶20的{110}晶面14的尺寸为170mm*808mm。

请一并参阅图4，图4为本发明实施例提供单晶硅籽晶20的第二种铺设方法，该铺设方法将25块相同的单晶硅籽晶20铺设在所述坩埚底部，所有单晶硅籽晶20的{100}晶面12朝向坩埚侧壁铺设，较佳地，所述单晶硅籽晶20的{110}晶面14的尺寸为156mm*156mm。

请一并参阅图5(a)及图5(b)，图5(a)及图5(b)为本发明实施例提供单晶硅籽晶20的第三种铺设方法，该铺设方法将25块单晶硅籽晶20铺设在所述坩埚底部，所述单晶硅籽晶20的{100}晶面12朝向坩埚侧壁，所述籽晶被铺设于所述坩埚底部的不同区，其中，不同区的籽晶具有不同的尺寸，如C区的单晶硅籽晶20的{110}晶面14的尺寸为156mm*156mm，B区的单晶硅籽晶20的{110}晶面14的尺寸为156mm*170mm，A区的单晶硅籽晶20的{110}晶面14的尺寸为170mm*170mm。

可以理解的是，在本发明的其他实施例中，所述单晶硅籽晶20的{110}晶面14还可制作成不同的尺寸以组合铺设在所述坩埚底部，只要满足这种铺设方法和籽晶放置方向的设计均在本发明的保护范围之内，在此不再赘述。

S102，在所述籽晶层上方设置熔融状态的硅料，并控制所述籽晶层不被完全融化。

在本发明的实施例中，将所述单晶硅籽晶20在所述坩埚底板铺设好后，将预先准备好的熔融状态的硅料倒在所述籽晶层上，倾倒的时候应注意进行温度控制，防止所述籽晶层被完全融化。

S103，控制所述坩埚内的温度沿垂直于所述坩埚底部向上的方向逐渐上升形成温度梯度，使得所述熔融状态的硅料在未熔化的籽晶层上沿<110>晶向结晶生长，制备得到类单晶硅锭30。

请一并参阅图6，在本发明的实施例中，在所述籽晶层上倒入所述熔融状态的硅料后，控制所述坩埚内的温度沿垂直于所述坩埚底部向上的方向，即晶格生长的方向逐渐上升，形成一温度梯度，从而所述熔融状态的硅料在未熔化的单晶硅籽晶20上结晶生长，再经退火、冷却后即可得到类单晶硅锭30。

在本发明的实施例中，所述单晶硅籽晶20在生长过程中可能产生位错32和多晶（即非<110>晶向的晶体），所述位错32将繁殖在{111}晶面，由于所述{111}晶面与所述单晶硅籽晶20的生长方向<110>晶向成900夹角，因而在生长过程中，所述位错32从生长到结束都是处在一个小范围垂直生长，其面积不会因繁殖发展而快速增大。

一种切割制备类单晶硅片的方法：

S104，将所述类单晶硅30沿平行于<110>晶向进行开方，得到类单晶硅块40。

请一并参阅图7，在本发明的实施例中，在通过生长获得所述类单晶硅锭30后，沿平行于晶格生长方向，即<110>方向对所述类单晶硅锭30进行开方后获得类单晶硅块40。

S105，将所述类单晶硅块40沿平行于{100}晶面方向进行切割，得到类单晶硅片50，所述类单晶硅片为<100>晶相。

在本发明的实施例中，所述切割类单晶硅块40可包括如下步骤：

首先，切除所述类单晶硅块40的红区。具体为，在生长铸锭过程中，由于杂质及加工过程中的温度控制等原因，会在该类单晶硅块40的顶部和底部产生红区44，所述红区44不能用于制作太阳能电池，因而需要去除这些红区44，如可直接通过切割的方法去除所述红区44。

然后，将所述类单晶硅块40切割成所需的尺寸。具体为，在制备过程中，所述类单晶硅片50通常需要切割成特定的尺寸，如边长为156mm的正方体状。在生长过程中，所述类单晶硅块40生长后沿生长方向的高度可能为所需的类单晶硅片50的1倍高度（需要注意的是，此时所述类单晶硅块40的实际高度应略大于156mm，因为还要考虑切除的红区的高度）、2倍高度（如图7所示）、3倍高度或其他高度。对于所述类单晶硅块40的高度不为所述类单晶硅片50的1倍高度的情况，需要先沿垂直于生长方向将所述类单晶硅块40进行切割，使之尺寸满足要求。

最后，沿平行于{100}晶面的方向切割所述类单晶硅块40，获得类单晶硅片50，所述类单晶硅片为<100>晶相。具体为，沿平行于{100}晶面的方向切割所述类单晶硅块40，获得<100>晶向的类单晶硅片50，较佳地，所述类单晶硅片50可切割为边长156mm的正方体状。采用这种方向进行切割，可得到较多的类单晶硅片50，从而提高了材料使用率和生产效率。可以理解的是，在本发明的其他实施例中，所述类单晶硅片50还可根据实际的需要切割成不同的尺寸或形状，如其他尺寸的正方体或长方体或其他任意形状，只要满足这种切割方式的方案都在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供的单晶硅制作方法，通过制备所述<110>晶向的单晶硅籽晶20并利用该单晶硅籽晶20生长得到所述类单晶硅锭30，然后采用平行于晶格生长方向，即<110>晶向开方所述类单晶硅锭30获得所述类单晶硅块40，再采用平行于{100}晶面的方向切割所述类单晶硅块40，获得<100>晶向的类单晶硅片50。本发明实施例提供的单晶硅制作方法，生长过程中产生的位错面积小，切割效率高，提高了材料使用率和生产效率，满足了使用要求。

本发明实施例还提供另一种切割制备类单晶硅片的方法，包括：

首先，将所述类单晶硅锭30沿垂直于<110>方向进行开方，得到类单晶硅块；

请一并参阅图8，在本发明的实施例中，在通过生长获得所述类单晶硅锭30后，沿垂直于晶格生长方向，即沿<100>方向对所述类单晶硅锭30进行开方后即可获得类单晶硅块60。

最后，将所述类单晶硅块60沿平行于{100}晶面的方向进行切割，得到类单晶硅片70。

在本发明的实施例中，所述类单晶硅块60在生长铸锭过程中，由于杂质及加工过程中的温度控制等原因，会在该类单晶硅块40的顶部和底部产生红区62，所述红区62不能用于制作太阳能电池，因而需要去除这些红区62，如可直接通过切割的方法去除所述红区62。此后沿平行于{100}晶面的方向切割所述类单晶硅块60，获得所需尺寸的<100>晶向的类单晶硅片70。较佳地，所述类单晶硅片70可切割为边长156mm的正方体状。采用这种方向进行切割，可以得到较多的类单晶硅片70，从而提高了材料使用率和生产效率。可以理解的是，在本发明的其他实施例中，所述类单晶硅片70还可根据实际的需要切割成不同的尺寸或形状，如其他尺寸的正方体或长方体或其他任意形状，只要满足这种切割方式的方案都在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供的单晶硅制作方法，通过制备所述<110>晶向的单晶硅籽晶20并利用该单晶硅籽晶20生长得到所述类单晶硅锭30，然后采用平行于晶格生长方向开方所述类单晶硅锭30获得所述类单晶硅块60，在采用沿平行于{100}晶面的方向切割所述类单晶硅块60，获得<100>晶向的类单晶硅片70。本发明实施例提供的单晶硅制作方法，生长过程中产生的位错面积小，切割效率高，提高了材料使用率和生产效率，满足了使用要求。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种类单晶硅锭制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

在坩埚底部铺设单晶硅籽晶，形成籽晶层，所述单晶硅籽晶为<110>晶相；

在所述籽晶层上方设置熔融状态的硅料，并控制所述籽晶层不被完全融化；以及

控制所述坩埚内的温度沿垂直于所述坩埚底部向上的方向逐渐上升形成温度梯度，使得所述熔融状态的硅料在未熔化的籽晶层上沿<110>晶向结晶生长，制备得到类单晶硅锭。

2.根据权利要求1所述的类单晶硅锭制备方法，其特征在于，所述单晶硅籽晶的制备至少包括如下步骤：

提供<100>单晶硅棒，所述<100>单晶硅棒具有{100}晶面；

将所述<100>单晶硅棒以垂直于所述{100}晶面的棱线为轴旋转45o；及

沿<100>晶向将所述<100>单晶硅棒切割成预设的形状和尺寸，获得单晶硅籽晶。

3.根据权利要求1所述的类单晶硅锭制备方法，其特征在于，所述单晶硅籽晶具有{110}晶面和{100}晶面，且所述{110}晶面垂直于所述{100}晶面，在所述在坩埚底部铺设所述单晶硅籽晶时，所述单晶硅籽晶的{100}晶面朝向所述坩埚侧壁。

4.根据权利要求3所述的类单晶硅锭制备方法，其特征在于，所述单晶硅籽晶的{110}晶面的尺寸为100mm～1120mm。

5.根据权利要求1所述的类单晶硅锭制备方法，其特征在于，所述单晶硅籽晶的厚度为5mm～30mm。

6.一种由权利要求1制备得到的类单晶硅锭切割制备类单晶硅片的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述类单晶硅锭沿平行于<110>晶向进行开方，得到类单晶硅块；及

将所述类单晶硅块沿平行于{100}晶面方向进行切割，得到类单晶硅片，所述类单晶硅片为<100>晶相。

7.根据权利要求6所述的切割制备类单晶硅片的方法，其特征在于，在将所述类单晶硅块沿平行于{100}晶面方向进行切割之前，还包括去除所述类单晶硅块的红区。

8.一种由权利要求1制备得到的类单晶硅锭切割制备类单晶硅片的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述类单晶硅锭沿垂直于<110>晶向进行开方，得到类单晶硅块；及

将所述类单晶硅块沿平行于{100}晶面方向进行切割，得到类单晶硅片，所述类单晶硅片为<100>晶相。

9.根据权利要求8所述的切割制备类单晶硅片的方法，其特征在于，在将所述类单晶硅块沿平行于{100}晶面方向进行切割之前，还包括去除所述类单晶硅块的红区。