CN104831349A - 一种多晶硅铸锭提高硅片品质的方法 - Google Patents

Abstract

一种多晶硅铸锭提高硅片品质的方法，为了生产高效多晶硅片，我们选择在坩埚底部，规则布局能起引晶作用的“仔晶”；其引晶材料方面我们选择：“有一定直径的圆形或扁平状硅粒”；粘结剂材料我们选择：硅溶胶做无机粘结剂。对多种硅基形核物进行筛分、选择并均匀地涂覆在坩埚底部，并对热场进行精确控制来降低横向温度梯度，使晶粒沿着形核中心竖直且均匀地生长，得到高品质的多晶硅锭。

Description

一种多晶硅铸锭提高硅片品质的方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池基础材料—多晶硅片提高品质的方法，其具体涉及一种多晶硅铸锭提高硅片品质的方法。

背景技术

太阳能电力是一种绿色新能源，其太阳能电池制造的基础材料目前仍然是多晶硅片为主。为了提高多晶硅电池组件发电效率，各个电池片生产企业都在想方设法提高光电转化效率，除了从电池片制造本身工艺进行创新外，对其基础材料---多晶硅片品质提出了更高的要求。

多晶硅片作为电池片的上游材料，其以多晶硅为原料经铸锭、开方、切片加工而成。

多晶硅片以往曾追求其晶相中能有大量的大颗粒的晶粒，由于硅片拥有的是固定面积（目前常用规格是156×156mm），在少数大颗粒的晶粒占去一定的面积后，其周围往往非规整随机散布着许多小晶粒，其整片电池片发电效果并不如晶粒大小均匀的电池片。所以，在硅片生产企业改变以往追求大晶粒的思路，围绕制造大小均匀晶粒的硅片即高效硅片，正进行着各种科研攻关活动。因为硅片中当晶粒大小均匀，其晶体中的位错等缺陷就会相应很少，获得较高的光电转换效率。

多晶硅铸锭工艺过程中，分为（坩埚）装料、加热、熔化、长晶、退火和冷却等六个主要工艺步骤。

多晶硅铸锭利用的是定向凝固技术，该技术通常指的是在同一个坩埚中熔炼，利用杂质元素在固相和液相的分凝效应达到提纯的目的；同时通过单向热流控制，使坩埚中的熔体达到一定的温度梯度，从而获得沿生长方向整齐排列的柱状晶体组织。

多晶硅锭的晶粒和尺寸主要取决于定向凝固工艺，即晶体生长过程中的温度分布、凝固速度、固—液界面形状等因素，其中凝固速率和成核中心的影响最大，是控制凝固组织的主要参数。由于定向凝固抑制了固—液界面处的自由形核，从而减少了由于形成晶界而产生的位错。缓慢的冷却速率还可以减小凝固过程中的热应力，从而有利于减少由于热应力而形成的位错。

高效多晶硅片因为有硅片晶粒均匀、位错密度低、少数载流子寿命长等特点，以其制备的电池转换效率高，因而其硅片受到市场欢迎。

高效多晶硅片制备过程中借鉴了单晶棒拉制技术中的“仔晶”“引晶”技术，即：在铸锭过程中也设计“引晶”材料。要保证“仔晶”安全，最重要的就是 “仔晶”的布局与精确控温。

目前，选做“仔晶”的原料大都是二氧化硅物质，但其形态与性能不同、在坩埚底部布局也不同。有的厂家选择碎硅片、硅粉；也有选择高纯石英砂、特种玻璃；还有选择氮化硅，等。有的称之为“引晶”，有的称之为“成核中心”，有的称之为“粗糙面”，其实质是一样的：引导晶体按期望的晶粒大小和晶向可控的方式生长。

发明内容

本发明为了克服以上缺陷而提供一种多晶硅铸锭提高硅片品质的方法，对多种硅基形核物进行筛分、选择并均匀地涂覆在坩埚底部，并对热场进行精确控制来降低横向温度梯度，使晶粒沿着形核中心竖直且均匀地生长，得到高品质的多晶硅锭。

本发明为了实现上述目的而采取的技术方案，包括以下方法：

为了生产高效多晶硅片，我们选择在坩埚底部，规则布局能起引晶作用的“仔晶”；其引晶材料方面我们选择：“有一定直径的圆形或扁平状硅粒”；粘结剂材料我们选择：硅溶胶做无机粘结剂。

为了规则布局引晶材料，我们用（比坩埚内底尺寸稍小一点的）塑料板做模板，按照设计尺寸，打好一定直径的均匀孔洞，以方便均匀喷涂圆形硅粒。

坩埚底部规则布局实施情况是：

1. 在坩埚底部的最底层，首先均匀涂覆高纯石英砂：

其过程为：首先对坩埚表面进行干净处理，坩埚体温保持在50-70℃；将硅溶胶与高纯石英砂均匀混合后，然后用喷涂机将混合好的石英砂粒均匀喷在坩埚底部；

2. 在坩埚底部的第二层，按模板孔洞依次均匀喷涂圆形硅粒：

其过程为：坩埚体温依然保持在50-70℃；将硅溶胶与硅粒均匀混合后，在坩埚底部摆放好模板，然后用喷涂机将混合好的硅粒喷在孔洞内，移去模板则完成喷涂过程；

3.在坩埚底部的第三层，按要求均匀喷涂氮化硅涂层：

其过程为：坩埚体温依然保持在50-70℃；采用免烧结技术配料：先将粘结剂与纯净水在一定温度下溶解，将合格并过筛的氮化硅粉体与之混合后，用喷涂机均匀喷在内底与内壁四周，低温烘烤干燥后待用。

石英陶瓷坩埚经过以上三层处理，对于制备高效多晶硅片能起关键作用。其中底层、第二层起“引晶”材料作用；第三层起阻隔坩埚杂质向硅液渗透作用，由于氮化硅材料熔点比较高，其同时也起保护“引晶”材料作用，使“引晶”材料不会全部被熔去。

生产高品质多晶硅片，有了以上关键措施后，同时需控制铸锭工艺：

多晶铸锭装料、加热、熔化、长晶、退火和冷却等六个主要工艺步骤运行中，最重要的在熔化阶段，其关键的是保证放置在坩埚底部起引晶作用的“仔晶”不被全部熔化，否则就和常规铸锭一样；没被熔化掉的“仔晶”就是“晶体引向物”即初始的“晶核”。在长晶阶段，需要对固液界面与长晶状况进行实时分析判断，了解相关长晶参数，适时调整温度与冷却气体流量，做到最佳控制。在退火阶段，温度调整要求是：防止降温过快，对硅锭造成不良影响；并控制硅锭自然降温，为冷却出炉做好准备。

在工艺控制环节，为了解决固液界面对结晶影响问题,炉体温度场要即时调整,要让硅原料在融化过程中和后续晶体生长过程中，其固液界面尽可能与水平面保持平行,此种（平面固液界面）定向凝固制备出的多晶硅锭，其晶粒均匀、晶体缺陷少,后续制备出的电池转换效率就高。

 与现有技术相比，本发明的优点在于，对多种硅基形核物进行筛分、选择并均匀地涂覆在坩埚底部，并对热场进行精确控制来降低横向温度梯度，使晶粒沿着形核中心竖直且均匀地生长，得到高品质的多晶硅锭。

具体实施方式

为了规则布局引晶材料，我们用（比坩埚内底尺寸稍小一点的）塑料板做模板，按照设计尺寸，打好一定直径的均匀孔洞，以方便均匀喷涂圆形硅粒。

坩埚底部规则布局实施情况是：

1. 在坩埚底部的最底层，首先均匀涂覆高纯石英砂：

其过程为：首先对坩埚表面进行干净处理，坩埚体温保持在50-70℃；将硅溶胶与高纯石英砂均匀混合后，然后用喷涂机将混合好的石英砂粒均匀喷在坩埚底部；

2. 在坩埚底部的第二层，按模板孔洞依次均匀喷涂圆形硅粒：

其过程为：坩埚体温依然保持在50-70℃；将硅溶胶与硅粒均匀混合后，在坩埚底部摆放好模板，然后用喷涂机将混合好的硅粒喷在孔洞内，移去模板则完成喷涂过程；

3.在坩埚底部的第三层，按要求均匀喷涂氮化硅涂层：

其过程为：坩埚体温依然保持在50-70℃；采用免烧结技术配料：先将粘结剂与纯净水在一定温度下溶解，将合格并过筛的氮化硅粉体与之混合后，用喷涂机均匀喷在内底与内壁四周，低温烘烤干燥后待用。

石英陶瓷坩埚经过以上三层处理，对于制备高效多晶硅片能起关键作用。其中底层、第二层起“引晶”材料作用；第三层起阻隔坩埚杂质向硅液渗透作用，由于氮化硅材料熔点比较高，其同时也起保护“引晶”材料作用，使“引晶”材料不会全部被熔去。

生产高品质多晶硅片，有了以上关键措施后，同时需控制铸锭工艺：

多晶铸锭装料、加热、熔化、长晶、退火和冷却等六个主要工艺步骤运行中，最重要的在熔化阶段，其关键的是保证放置在坩埚底部起引晶作用的“仔晶”不被全部熔化，否则就和常规铸锭一样；没被熔化掉的“仔晶”就是“晶体引向物”即初始的“晶核”。在长晶阶段，需要对固液界面与长晶状况进行实时分析判断，了解相关长晶参数，适时调整温度与冷却气体流量，做到最佳控制。在退火阶段，温度调整要求是：防止降温过快，对硅锭造成不良影响；并控制硅锭自然降温，为冷却出炉做好准备。

在工艺控制环节，为了解决固液界面对结晶影响问题,炉体温度场要即时调整,要让硅原料在融化过程中和后续晶体生长过程中，其固液界面尽可能与水平面保持平行,此种（平面固液界面）定向凝固制备出的多晶硅锭，其晶粒均匀、晶体缺陷少,后续制备出的电池转换效率就高。

Claims (1)

1.一种多晶硅铸锭提高硅片品质的方法，其特征在于，

1）为了生产高效多晶硅片，我们选择在坩埚底部，规则布局能起引晶作用的“仔晶”；其引晶材料方面我们选择：“有一定直径的圆形或扁平状硅粒”；粘结剂材料我们选择：硅溶胶做无机粘结剂；

2）为了规则布局引晶材料，我们用（比坩埚内底尺寸稍小一点的）塑料板做模板，按照设计尺寸，打好一定直径的均匀孔洞，以方便均匀喷涂圆形硅粒；

坩埚底部规则布局实施情况是：

A、在坩埚底部的最底层，首先均匀涂覆高纯石英砂：

其过程为：首先对坩埚表面进行干净处理，坩埚体温保持在50-70℃；将硅溶胶与高纯石英砂均匀混合后，然后用喷涂机将混合好的石英砂粒均匀喷在坩埚底部；

B、在坩埚底部的第二层，按模板孔洞依次均匀喷涂圆形硅粒：

其过程为：坩埚体温依然保持在50-70℃；将硅溶胶与硅粒均匀混合后，在坩埚底部摆放好模板，然后用喷涂机将混合好的硅粒喷在孔洞内，移去模板则完成喷涂过程；

C、在坩埚底部的第三层，按要求均匀喷涂氮化硅涂层：

其过程为：坩埚体温依然保持在50-70℃；采用免烧结技术配料：先将粘结剂与纯净水在一定温度下溶解，将合格并过筛的氮化硅粉体与之混合后，用喷涂机均匀喷在内底与内壁四周，低温烘烤干燥后待用；

石英陶瓷坩埚经过以上三层处理，对于制备高效多晶硅片能起关键作用；

其中底层、第二层起“引晶”材料作用；第三层起阻隔坩埚杂质向硅液渗透作用，由于氮化硅材料熔点比较高，其同时也起保护“引晶”材料作用，使“引晶”材料不会全部被熔去；

3）生产高品质多晶硅片，有了以上关键措施后，同时需控制铸锭工艺：

多晶铸锭装料、加热、熔化、长晶、退火和冷却等六个主要工艺步骤运行中，最重要的在熔化阶段，其关键的是保证放置在坩埚底部起引晶作用的“仔晶”不被全部熔化，否则就和常规铸锭一样；没被熔化掉的“仔晶”就是“晶体引向物”即初始的“晶核”；

在长晶阶段，需要对固液界面与长晶状况进行实时分析判断，了解相关长晶参数，适时调整温度与冷却气体流量，做到最佳控制；

在退火阶段，温度调整要求是：防止降温过快，对硅锭造成不良影响；并控制硅锭自然降温，为冷却出炉做好准备；

4）在工艺控制环节，为了解决固液界面对结晶影响问题,炉体温度场要即时调整,要让硅原料在融化过程中和后续晶体生长过程中，其固液界面尽可能与水平面保持平行,此种（平面固液界面）定向凝固制备出的多晶硅锭，其晶粒均匀、晶体缺陷少,后续制备出的电池转换效率就高。