CN104762654A - 籽晶生产方法及使用该籽晶进行类单晶硅铸锭的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种籽晶生产方法，以及使用该籽晶进行类单晶硅铸锭的工艺。通过本发明方法生产的籽晶块，特别适合于类单晶硅的定向凝固铸锭工艺。籽晶块拼接面设置互相配合的柱形孔，并在柱形孔所形成的空腔内设置柱形硅棒，硅棒与上下两侧的柱形孔形成榫卯结构。将硅棒插入柱形孔可提高籽晶块拼接的稳固性，也可提高籽晶拼接面的贴合度，在加热过程中，边缘处的籽晶受热膨胀，榫卯结构更加紧密，缝隙变得更小，相邻籽晶块贴合得更紧密，防止籽晶块边缘翘起或错开引起的缝隙变大，从而最大程度的减少晶体位错缺陷，提高了单晶面积比例，提高了太阳能电池的光电转换效率、延长了电池的寿命，从而提高了光伏器件的性能。

Description

籽晶生产方法及使用该籽晶进行类单晶硅铸锭的工艺

技术领域

本发明涉及适用于定向凝固铸锭的籽晶生产方法，以及使用该籽晶进行类单晶硅铸锭的工艺，属于硅晶体制造领域。

背景技术

近年来，硅单晶和硅多晶广泛应用于光伏太阳能电池、液晶显示等领域。目前类硅单晶的常用制造方法为定向凝固法，该方法在平底坩埚底部铺设长方体籽晶，籽晶规则排列形成籽晶层。硅料置于平底坩埚内，铺设于籽晶层上。通过熔化阶段的温度控制，待硅料熔融后，籽晶从与硅液接触的面开始逐渐熔化，再经定向散热而在未熔化籽晶上实现硅锭的定向生长，获得与籽晶相似或一样的晶粒。

长方体籽晶规则排列的拼接方式下，定向凝固法生长类单晶的过程中，易产生位错源，进而导致后续晶体位错增殖，或形成多晶晶界。经研究表明，晶界导致单晶面积比例下降，位错导致硅片形成大量的缺陷，太阳能电池的光电转换效率降低、使用寿命减短，从而影响光伏器件的性能。

为此，中国发明专利申请CN 103060892 A公开了“一种类单晶硅铸锭用籽晶拼接方法”，将籽晶传统的竖直拼接面改为带有倾斜角度或弧度的拼接面。采用拼接面切向与平底坩埚底部平面的法线方向，二者不重合的籽晶拼接方式，通过改变籽晶的形状来减少位错源，甚至减少多晶晶界产生，实现全单晶，位错源少的类单晶生长。进而减少了硅片的位错缺陷，提高了单晶面积比例，提高了太阳能电池的光电转换效率、延长了电池的寿命，从而提高了光伏器件的性能。

然而发明人经过实验发现，上述方法仍在存在缺陷。虽然斜面拼接一定程度上减少了间隙的产生，但是由于斜面光滑使得该籽晶拼接方式在籽晶拼接和硅料装填过程中，可能因压力导致籽晶拼接变形，从而影响后续单晶铸锭质量，对籽晶的拼接提出了很高的技术要求，工艺容差性能变差。同时，在加热过程中紧致排列的籽晶受热膨胀，可能会翘起，籽晶之间的拼接缝隙会变大，导致后续晶体位错增殖，或形成多晶晶界。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种适用于定向凝固铸锭的籽晶拼接结构。

为了达到上述目的，本发明提出的籽晶生产方法，该籽晶适用于类单晶硅的定向凝固铸锭，其特征在于步骤如下：

S1、生产板状或块状籽晶块；

S2、通过机械切割，将相邻籽晶块在拼接处切割成L型和倒L型界面，使相邻籽晶块的拼接面具有可互相扣合的台阶形结构；

S3、使用机械钻孔设备在籽晶块的拼接处钻竖向的柱形孔，柱形孔的孔径范围为3-5mm，使拼接后相邻籽晶块的柱形孔对拼形成柱形空腔；

S4、使用小型单晶直拉机生产柱形硅棒，该柱形硅棒的外径范围为2.5-5mm。

进一步的，位于下侧的柱形孔被加工为柱形通孔，位于上侧的柱形孔被加工为柱形盲孔。

通过本发明方法生产的籽晶块，特别适合于类单晶硅的定向凝固铸锭工艺。籽晶块拼接面设置互相配合的柱形孔，并在柱形孔所形成的空腔内设置柱形硅棒，硅棒与上下两侧的柱形孔形成榫卯结构。本发明将硅棒插入柱形孔可提高籽晶块拼接的稳固性，也可提高籽晶拼接面的贴合度，在加热过程中，边缘处的籽晶受热膨胀，榫卯结构更加紧密，缝隙变得更小，相邻籽晶块贴合得更紧密，防止籽晶块边缘翘起或错开引起的缝隙变大，从而最大程度的减少晶体位错缺陷，提高了单晶面积比例，提高了太阳能电池的光电转换效率、延长了电池的寿命，从而提高了光伏器件的性能。

此外，本发明还提供了使用上述籽晶生产方法获得的籽晶进行类单晶硅铸锭的工艺，其特征在于步骤如下：

T1、在平底坩埚底部铺设柱形孔开口朝上的籽晶块；

T2、将硅棒插入柱形孔内；

T3、把柱形孔开口朝下的籽晶块放入平底坩埚底部，其柱形孔套在露出的硅棒上并压平，使相邻籽晶块的拼接面扣合；

T4、在籽晶块上铺设硅料；

T5、将坩埚放入铸锭炉内并抽真空；

T6、通过熔化阶段的温度控制，使硅料熔融渗入拼接缝隙，籽晶从与硅液接触的面开始逐渐熔化；

T7、经定向散热，在未熔化籽晶上实现硅锭的定向生长，获得类单晶铸锭。

本发明类单晶硅铸锭的工艺使用了上述特殊结构的籽晶块，使得铸锭过程中，拼接面缝隙能够得到很好的控制，提高了单晶面积比例。并且本发明铸锭工艺中籽晶拼接方法简单，操作人员容易掌握，且拼接质量能够得到有效保证，从而使本发明类单晶硅铸锭工艺能够在工业上实现，具有较强的实用价值。

为了使籽晶块之间的拼接更紧密，可在柱形孔与柱形硅棒的间隙填充硅粉。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明籽晶拼接结构示意图。

图2是本发明籽晶拼接结构爆炸图。

图中标号示意如下：1-籽晶块，2-籽晶块，3-柱形孔，4-柱形孔，5-硅棒，6-拼接面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本实施例所要生产的籽晶，如图1、2所示，该籽晶适用于类单晶硅的定向凝固铸锭。籽晶块1在拼接处具有L型结构，籽晶块2在拼接处分别具有倒L型结构，使两者的拼接面6呈现互相扣合的台阶形，籽晶块1、2在扣合处开设有两对匹配的柱形孔3、4，柱形孔3、4与坩埚底部垂直，柱形孔的孔径范围为3-5mm，当籽晶块拼接后，成对的柱形孔对拼形成柱形腔，柱形腔内插入有柱形硅棒5，柱形硅棒的外径范围为2.5-5mm，柱形硅棒5与柱形孔3、4之间的间隙小于0.5mm。位于下侧的柱形孔3为柱形通孔，位于上侧的柱形孔4为柱形盲孔。

籽晶生产方法的步骤如下：

S1、生产板状或块状籽晶块；

S2、通过机械切割，将相邻籽晶块在拼接处切割成L型和倒L型界面，使相邻籽晶块的拼接面具有可互相扣合的台阶形结构；

S3、使用机械钻孔设备在籽晶块的拼接处钻竖向的柱形孔，使拼接后相邻籽晶块的柱形孔对拼形成柱形空腔；

S4、使用小型单晶直拉机生产柱形硅棒，该柱形硅棒的外径范围为2.5-5mm。

使用上述籽晶生产方法获得的籽晶进行类单晶硅铸锭的工艺，步骤如下：

T1、在平底坩埚底部铺设柱形孔开口朝上的籽晶块；

T2、将硅棒插入柱形孔内；

T3、把柱形孔开口朝下的籽晶块放入平底坩埚底部，其柱形孔套在露出的硅棒上并压平，使相邻籽晶块的拼接面扣合；

T4、在籽晶块上铺设硅料；

T5、将坩埚放入铸锭炉内并抽真空；

T6、通过熔化阶段的温度控制，使硅料熔融渗入拼接缝隙，籽晶从与硅液接触的面开始逐渐熔化；

T7、经定向散热，在未熔化籽晶上实现硅锭的定向生长，获得类单晶铸锭。

为了使籽晶块之间的拼接更紧密，可以在柱形孔与硅棒之间的间隙撒入硅粉，这样即使硅棒与柱形孔之间存在较大的间隙，也可以通过硅粉的填充实现籽晶块的牢固拼接，在工业上易于实现，便于操作，且填充硅粉后间隙得到了有效补偿，减少晶体位错缺陷。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1. 籽晶生产方法，该籽晶适用于类单晶硅的定向凝固铸锭，其特征在于步骤如下：

S1、生产板状或块状籽晶块；

S2、通过机械切割，将相邻籽晶块在拼接处切割成L型和倒L型界面，使相邻籽晶块的拼接面具有可互相扣合的台阶形结构；

S3、使用机械钻孔设备在籽晶块的拼接处钻竖向的柱形孔，柱形孔的孔径范围为3-5mm，使拼接后相邻籽晶块的柱形孔对拼形成柱形空腔；

S4、使用小型单晶直拉机生产柱形硅棒，该柱形硅棒的外径范围为2.5-5mm。

2. 根据权利要求1所述的籽晶生产方法，其特征在于：位于下侧的柱形孔被加工为柱形通孔，位于上侧的柱形孔被加工为柱形盲孔。

3. 使用权利要求2所述籽晶生产方法获得的籽晶进行类单晶硅铸锭的工艺，其特征在于步骤如下：

T1、在平底坩埚底部铺设柱形孔开口朝上的籽晶块；

T2、将硅棒插入柱形孔内；

T3、把柱形孔开口朝下的籽晶块放入平底坩埚底部，其柱形孔套在露出的硅棒上并压平，使相邻籽晶块的拼接面扣合；

T4、在籽晶块上铺设硅料；

T5、将坩埚放入铸锭炉内并抽真空；

T6、通过熔化阶段的温度控制，使硅料熔融渗入拼接缝隙缝隙，籽晶从与硅液接触的面开始逐渐熔化；

T7、经定向散热，在未熔化籽晶上实现硅锭的定向生长，获得类单晶铸锭。

4. 根据权利要求1所述的类单晶硅铸锭的工艺，其特征在于：所述柱形孔与柱形硅棒之间的间隙填充有硅粉。