CN104131339A - 一种多晶硅片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多晶硅片的制备方法，该方法先在石英坩埚底部铺设一层颗粒料或其他晶硅碎料，厚度约10～40mm，再将硅料和母合金放入石英坩埚中，进料，抽真空，加热使硅料熔化；熔化过程中，加热器温度控制1530-1550℃，隔热笼提升至开度a为5～80mm，并控制TC2熔化阶段温度不超过1370℃，控制底部颗粒料层剩余10—30mm，进入降温阶段，梯度慢慢降温同时慢慢打开隔热笼；最后长晶，形成晶粒小且均匀的多晶硅。采用本发明方法制成的多晶硅片，晶粒均匀，电池效率比一般高效多晶硅片要高0.1-0.2%，整锭硅片的平均电池效率达到17.8%以上，效率17.6%以上硅片比例大于80%。

Description

一种多晶硅片的制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，尤其是一种多晶硅片的制备方法。

背景技术

多晶硅铸锭技术是生产太阳能晶硅材料的主流技术之一。硅片效率已成为太阳能行业竞争的最有分量的砝码之一。多晶硅铸锭因其投料量大，操作简单，成本低，在很大程度上已超越了直拉法生产的单晶硅。同时相较直拉单晶，多晶硅电池片电池转换效率低、寿命较短。通过对铸锭炉热场结构的改造和优化，以及多晶硅铸锭工艺的优化，生产出低缺陷密度高品质的多晶硅片，是提升行业竞争水平的重要手段。

目前，行业内已经有利用在石英坩埚底部铺设单晶籽晶进行铸造准单晶的方法，该方法的关键点在于如何控制底部籽晶的熔化。公开资料显示，类单晶技术在 2006 年由 BPSolar 研制成功，随后国内晶澳、LDK、韩华新能源、凤凰光伏等厂家相继发布其类单晶研究进展。该技术采用10mm～20mm厚的单晶块作为籽晶，将单晶置于喷好氮化硅涂层的石英坩埚底部，然后再装硅料。化料时通过调整工艺参数，控制化料结束时固液界面在单晶籽晶处，并使单晶熔化掉一部分，剩余未熔化的一部分单晶作为籽晶，从籽晶处开始形核长晶，最后得到类单晶硅锭。专利201310391320.X中描述的是一种介于全熔铸锭和半熔铸锭工艺之间的工艺方法，其温度控制要求非常精确，工艺条件比较苛刻，形核效果并不理想。现有多晶硅铸锭炉的型号为DSS680kgR13680-1/UM。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种多晶硅片的制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

所述多晶硅片的制备方法包括如下步骤：

（1）在喷涂好的石英坩埚底部铺设粒径为2mm—5mm的碎料，形成10mm—40mm厚度的颗粒料层；铺底完成后，将硅料和母合金装入石英坩埚中，然后将石英坩埚装入铸锭炉内，闭合上下炉体，抽真空，再关闭隔热笼，加热使硅料进入熔化阶段；所述母合金的加入比例根据国家标准的目标电阻值计算得到；

（2）进入熔化阶段后，控制加热温度为1530℃—1550℃，隔热笼提升至开度a为5 mm—80mm，所述开度a是指隔热笼底部与铸锭炉炉腔底部保温层之间的距离，并控制熔化阶段TC2温度不超过1380℃，当石英坩埚底部颗粒料层高度为10mm—30mm时，进入如下步骤（3）至（5）所述的降温阶段；熔化过程中利用石英棒来测量颗粒层的熔化程度，确保底部颗粒料层不被完全熔化；

（3）控制加热器温度为1490℃—1530℃，在10min—20min内将隔热笼提升至开度a为10 mm—30mm；

（4）控制加热器温度为1450℃—1480℃，在10min—30min内将隔热笼提升至开度a为10 mm—50mm；

（5）控制加热器温度为1420℃—1440℃，在10min—50min内将隔热笼提升至开度a为10 mm—80mm；；

其中，步骤（4）中隔热笼开度a大于第（3）步中隔热笼开度a；步骤（5）中隔热笼开度a大于等于步骤（4）中隔热笼开度a；步骤（3）至（5）所述的熔化阶段结束后进入如下步骤（6）至（7）所述的长晶阶段；

（6）长晶初期控制加热温度为1425℃—1440℃，隔热笼提升速度为4 mm/h—8mm/h，使得石英坩埚底部颗粒料层中的碎多晶形成一层均匀的小晶粒籽晶；

（7）长晶中后期控制隔热笼的提升速度为0 mm/h—4mm/h，控制加热器的降温速率为1℃/h—2℃/h，保持微凸的固液界面，竖直向上定向凝固生成晶粒均匀的多晶硅。

优选地，步骤（1）所述碎料为颗粒料、多晶硅、单晶硅或准单晶硅的碎片料中的一种或多种。步骤（4）是在10min—30min内隔热笼提升至开度a为30 mm—50mm。步骤（5）是在40min—50min内隔热笼提升至开度a为50 mm—80mm。

下面对本发明做进一步的解释和说明

本发明的原理是：

本发明利用坩埚底层铺10—40mm厚度的粒径为2—5mm的颗粒料，形成颗粒料籽晶层，利用熔化打开隔热笼控制坩埚底部温度，精准控制籽晶熔化，减少多晶硅晶体原始缺陷的生成，提高硅片电池转换效率。

本发明中坩埚底部铺设颗粒料籽晶，目的在于在晶体形核期，硅熔体直接与熔融态颗粒料接触，发明中硅熔体形核是在颗粒料层上形核的。

本发明步骤（6）中，长晶初期控制加热器温度优选为1425-1440℃，隔热笼打开缓慢，打开速度优选为4-8mm/h。

本发明步骤（7）中，长晶中后期隔热笼的打开速度优选为0-4mm/h，加热器的降温速率优选为1-2℃/h。

本发明使用的铸锭炉是本领域常规铸锭炉DSS680kgR13680-1/UM，其包括加热器1，隔热笼体2，保温带3，石英坩埚4，石墨护板5，石墨DS块6，当隔热笼闭合时，开度a为0。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明中使用的坩埚不再需要预处理，节省了成本，简化了工艺；本发明中使用的碎料优化为形核更加完美的颗粒料（小圆球状）；本发明中石英坩埚底部颗粒层是不能完全熔化的，一般控制籽晶剩余高度10—30mm。总之，本发明利用颗粒料或者其他碎料作为籽晶来铸造多晶硅锭，并且利用熔化打开隔热笼控制坩埚底部温度，精准控制籽晶熔化，减少多晶硅晶体原始缺陷的生成，提高硅片电池转换效率。本发明是一种半熔铸锭工艺，其特点就是利用开笼熔化控制底部颗粒层不被完全熔化，并且以底部颗粒料层为籽晶，制备的硅片位错密度小，晶粒均匀，电池转换效率高。采用本发明方法制成的多晶硅片，晶粒均匀，电池效率比普通多晶硅要高0.1—0.2%，整锭硅片的平均电池效率达到17.7%以上，效率17.6%以上硅片比例大于75.0%。

附图说明

图1是实施例1中制备的多晶硅片的宏观照片；

图2是实施例1中制备的多晶电池片的效率正态分布图；

图 3 是实施例中铸锭炉未闭合时的结构示意图，其中：1是加热器，2是隔热笼体，3是保温带，4是石英坩埚，5是石墨护板，6是石墨DS块，a是指隔热笼的开度，当隔热笼闭合时，开度a为0。

具体实施方式

实施例1

所述多晶硅片的制备方法包括如下步骤：

（1）在预处理过的石英坩埚底部铺30kg碎料，将硅料（共600kg）和硅硼合金99g装入石英坩埚中，进料，在680型G5多晶硅铸锭炉中抽真空，加热使硅料进入熔化阶段；其中母合金的掺杂量是根据掺硼掺磷硅单晶电阻率与掺杂剂浓度换算规程GB-T 13389-1992标准来计算的。

（2） 熔化时加热器温度控制1540℃，隔热笼提升至开度a为28mm，并控制TC2温度不超过1360℃，使得底部颗粒料层高度剩余25mm，进入降温阶段；

（3）加热器温度控制在1500℃，15min内隔热笼提升至开度a为30mm，

 （4）加热器温度控制在1460℃，30min内隔热笼提升至开度a为40mm；

（5）加热器温度控制在1432℃，50min内隔热笼提升至开度a为60mm，熔化阶段结束；

（6）长晶初期控制加热器温度为1432℃，缓慢提升隔热笼（1mm/h），未熔化完的颗粒料层在坩埚底部形成一个均匀的多晶晶粒层；

（7）长晶中后期控制固液相的温度梯度（1℃/h），以坩埚底部均匀的多晶晶粒层为基础，保持微凸的固液界面，竖直向上定向凝固生成晶粒均匀的多晶硅。竖直向上实现定向生长，经退火、冷却后得到多晶硅锭。

实施例1中获得的硅锭经过开方后成为25个硅棒，硅棒再经过切段、去头尾、平磨、倒角、切片等环节得到多晶硅片。硅片晶花较小，晶粒分布均匀，硅片端面宏观图片如图1所示。硅片制作成电池片，测得其平均效率达到17.7%以上，效率大于17.6%硅片比例高达80%。电池效率正态分布图如图2所示。

实施例中使用的铸锭炉为DSS680kgR13680-1/UM。

实施例2

所述多晶硅片的制备方法包括如下步骤：

（1）在预处理过的石英坩埚底部铺35kg碎片料，将硅料（共600kg）和硅硼合金100g装入石英坩埚中，进料，在680型G5多晶硅铸锭炉中抽真空，加热使硅料进入熔化阶段；其中母合金的掺杂量是根据掺硼掺磷硅单晶电阻率与掺杂剂浓度换算规程GB-T 13389-1992标准来计算的。

（2）熔化时加热器温度控制1550℃，隔热笼提升至开度a为20mm，并控制TC2温度不超过1370℃，使得底部颗粒料层高度剩余29mm，进入降温阶段；

（3）加热器温度控制在1500℃，15min内隔热笼提升至开度a为30mm，

 （4）加热器温度控制在1450℃，30min内隔热笼提升至开度a为50mm；

（5）加热器温度控制在1432℃，40min内隔热笼提升至开度a为80mm，熔化阶段结束；

（6）长晶初期控制加热器温度为1432℃，缓慢提升隔热笼（1mm/h），未熔化完的颗粒料层在坩埚底部形成一个均匀的多晶晶粒层；

（7）长晶中后期控制固液相的温度梯度（1℃/h），以坩埚底部均匀的多晶晶粒层为基础，保持微凸的固液界面，竖直向上定向凝固生成晶粒均匀的多晶硅。竖直向上实现定向生长，经退火、冷却后得到多晶硅锭。

实施例2中获得的硅锭经过开方后成为25个硅棒，硅棒再经过切段、去头尾、平磨、倒角、切片等环节得到多晶硅片。硅片制作成电池片，测得其平均效率达到17.8%以上，效率大于17.6%硅片比例高达75%。

实施例中使用的铸锭炉为DSS680kgR13680-1/UM。

Claims (4)

1.一种多晶硅片的制备方法，采用多晶硅铸锭炉，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）在喷涂好的石英坩埚底部铺设粒径为2mm—5mm的碎料，形成10mm—40mm厚度的颗粒料层；铺底完成后，将硅料和母合金装入石英坩埚中，然后将石英坩埚装入铸锭炉内，闭合上下炉体，抽真空，再关闭隔热笼，加热使硅料进入熔化阶段；所述母合金的加入比例根据目标电阻值计算得到；

（2）进入熔化阶段后，控制加热温度为1530℃—1550℃，隔热笼提升至开度（a）为5 mm—80mm，并控制熔化阶段TC2温度不超过1380℃，当石英坩埚底部颗粒料层高度为10mm—30mm时，进入如下步骤（3）至（5）所述的降温阶段；

（3）控制加热器温度为1490℃—1530℃，在10min—20min内将隔热笼提升至开度（a）为10 mm—30mm；

（4）控制加热器温度为1450℃—1480℃，在10min—30min内将隔热笼提升至开度（a）为10 mm—50mm；

（5）控制加热器温度为1420℃—1440℃，在10min—50min内将隔热笼提升至开度（a）为10 mm—80mm；；

其中，步骤（4）中隔热笼开度（a）大于第（3）步中隔热笼开度（a）；步骤（5）中隔热笼开度（a）大于等于步骤（4）中隔热笼开度（a）；步骤（3）至（5）所述的熔化阶段结束后进入如下步骤（6）至（7）所述的长晶阶段；

（6）长晶初期控制加热温度为1425℃—1440℃，隔热笼提升速度为4 mm/h—8mm/h，使得石英坩埚底部颗粒料层中的碎多晶形成一层均匀的小晶粒籽晶；

（7）长晶中后期控制隔热笼的提升速度为0 mm/h—4mm/h，控制加热器的降温速率为1℃/h—2℃/h，保持微凸的固液界面，竖直向上定向凝固生成晶粒均匀的多晶硅。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述碎料为颗粒料、多晶硅、单晶硅或准单晶硅的碎片料中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）是在10min—30min内隔热笼提升至开度（a）为30 mm—50mm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）是在40min—50min内隔热笼提升至开度（a）为50 mm—80mm。