CN105063744A - 硅单晶拉制方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅单晶拉制方法包括如下步骤：全熔稳定，将坩埚内的硅料熔化，待所述硅料完全熔化后将功率降至引晶功率；然后将所述坩锅转开至引晶转速稳定熔体；引晶，高温熔接，采用Dash缩颈排除位错法引晶；放肩；转肩；等径，手动控制晶体等径生长至所需长度，待直径控制均匀、拉速稳定后自动控制所述晶体生长；收尾；以及停炉。采用本发明的方法拉制的硅单晶，单晶头部空位团明显减少，头部氧含量也较现有方法制备的单晶低，采用本发明的方法拉制硅单晶制备的电池不会出现黑心片问题。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能级直拉硅单晶拉制技术领域。
背景技术
在光伏行业中，光伏电池是基于半导体材料制作发电系统的基本单元，而硅单晶是光伏电池非常重要的一种基础材料。
目前，制作硅单晶的最主要的方法有直拉(CZ)法和区熔(FZ)法，其中直拉法更加适于大规模生产。直拉法是将一根具有固定晶向和直径的单晶硅棒作为籽晶，将籽晶降到硅熔体表面上生长大直径的单晶硅棒。
直拉硅单晶是在直拉单晶炉中进行的，其中主要有高纯石墨热场系统、石英坩埚、晶体旋转提拉装置及坩埚旋转升降装置，石英坩埚装有原生多晶硅料，还有少量的掺杂剂使其生成N型或P型硅单晶。在拉晶过程中，籽晶或硅晶体与石英坩埚相向旋转，通过化料、引晶、放肩、等径、收尾和冷却等过程形成硅单晶，在晶体生长过程中，如何设定生长参数(V/G)，将影响硅单晶棒的品质。
硅单晶棒的品质取决于晶体中的缺陷和杂质，晶体缺陷中的Void原生缺陷对生长大直径直拉硅单晶非常重要，Void缺陷是在晶体生长过程中，由空位聚集而成的，它与晶体生长条件密切相关。某一生长速率下，在单晶硅的横截面上，环形的氧化堆垛层错(R-OSF)将晶体分成两个缺陷区域，其内部是Void缺陷区；外部是间隙型缺陷区，也叫A缺陷区，A缺陷是由间隙型位错环组成。
Voronkov提出了空位富集区和自间隙原子富集区关系的理论，提出在无位错CZ-Si单晶中原生缺陷由特征参量V/G控制，这里V是单晶生长速率，G是在界面处轴向温度梯度。如果V/G等于某个临界值Ccrit，就形成R-OSF，如果V/G<Ccrit，就形成A/B型旋涡缺陷；如果V/G>Ccrit，就会出现Void缺陷。
由于晶体生长速率越大，产量越高，所以实际生产中希望晶体生长速率尽可能大，而且随着硅片直径的增大，温度梯度也逐渐减小，这两个因素使V/G的值增大，容易导致空位富集，使大直径硅片中存在大量的Void型缺陷。氧和空位的扩散使得空位与氧反应形成氧--空位复合体，在后续电池扩磷和烧结等加工工序中会扩散、团聚并长大，最终导致位错密度增加从而反映在电池上面就会出现黑心或黑斑现象，如图1所示。
目前行业内仍有黑心片的困扰，为了解决黑心片问题，我们发明了解决此问题的简单、可靠的拉制方法，彻底解决了黑心片长期困扰。
发明内容
本发明以V/G理论为基础，制定出一种消除太阳能硅单晶电池黑心片的拉制方法。
该方法包括如下步骤：全熔稳定，将坩埚内的硅料熔化，待所述硅料完全熔化后将功率降至引晶功率；然后将所述坩锅转开至引晶转速稳定熔体；引晶，高温熔接，采用Dash缩颈排除位错法引晶；放肩；转肩；等径，手动控制晶体等径生长至所需长度，待直径控制均匀、拉速稳定后自动控制所述晶体生长；收尾；以及停炉。其中，加热功率不宜过高，例如85炉加热最大功率≤80KW、95炉≤110KW，控制熔化的硅料温度不超过1550℃，若温度超过1550℃，熔硅与石英坩埚的化学反应(Si+SiO2→2SiO)剧烈，导致硅熔体中SiO的含量过大，易产生黑心片。熔完立即降至引晶功率，降低熔硅与石英坩埚化学反应(Si+SiO2→2SiO)的剧烈程度，减少硅熔体中SiO的含量。然后，将坩埚转开至引晶转速，熔体稳定3小时以上，以利于熔体中一氧化硅SiO的挥发，也有利于后期引晶、放肩及晶体生长。
所述Dash缩颈排除位错法引晶过程中，细颈为Φ3.5～Φ4mm之间，长度>150mm。
所述放肩步骤中后期形成的肩部夹角为90°～120°。85炉采用0.4mm/min的拉速放肩，给定温校速率为-8～-12μv/min(后期根据肩部生长情况调整大小)，肩部直径达到Φ160～Φ180mm左右逐渐提高拉速到0.6～0.8mm/min；95炉采用0.6mm/min的拉速放肩，降温速率为4～5℃/30min。
所述转肩步骤中当直径接近Φ205mm时，采用低于1.5mm/min的拉速手动转肩。
所述等径步骤中所述手动控制晶体等径生长长度为30～50mm。
所述等径步骤满足如下公式其中l为等径长度，单位为mm；m为等径长度内晶体重量，单位为Kg；d为晶体的直径，单位为mm。所述收尾步骤中收尾长度大于150mm，断面直径50mm。
所述停炉步骤后晶体以4～5mm/min的拉速上升冷却。
采用本发明的方法拉制硅单晶的有益效果非常明显，单晶头部空位团明显减少，头部氧含量也较现有方法制备的单晶低，本发明的方法拉制的硅单晶制备的电池不会出现黑心片问题。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是现有方法制出的晶体硅太阳能电池EL测试图；以及
图2是本发明方法制出的晶体硅太阳能电池EL测试图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。
实施例1
本实施例中采用85型炉，通过以下步骤制造硅单晶：
装料：初装100Kg，待硅料化完再加20Kg，其中原生硅料与回收料比例为2:1。
抽空检漏：抽空极限为3Pa以下，漏气速率为2Pa/10min。
全熔稳定：加热功率为80KW，硅料熔完控制熔体温度不超过1530℃，将功率降至引晶功率，埚转为6rpm，缓慢上升坩埚至引晶埚位，压力维持在1300Pa左右，稳定3小时以上。
引晶：降下籽晶，晶转为8rpm，高温熔接，采用Dash缩颈排除位错法引晶，细颈为Φ3.5～Φ4mm之间，长度>150mm。
放肩：采用0.4mm/min的拉速放肩，给定温校速率为-8～-12μv/min之间，后期可以根据肩部生长情况在上述范围内调整给定温校速率，肩部直径达到Φ160～Φ180mm之间时逐渐提高拉速到0.6～0.8mm/min之间。
转肩：当直径接近Φ205mm时，采用低于1.5mm/min的拉速转肩。
等径：手动控制等径生长至30～50mm，待直径控制均匀、拉速稳定后投入自动控制，头部拉速为1.03mm/min。直径控制在Φ205±2mm，等径长度计算公式为其中l为等径长度(mm)，m为等径长度内晶体重量(Kg)，d为晶体的直径(mm)。
收尾：等径长度达到后切换至自动收尾控制，收尾长度大于150mm，断面直径必须50mm，尽量收尖。
停炉：收尾完成晶体以4～5mm/min的拉速上升冷却，加热功率在30min内降为零，晶体冷却时间为5个小时。
取棒拆炉：关闭主室球阀后关闭主室真空泵电源，待氩气充至常压，开炉先取出晶体，后将石墨热场取出冷却清理。
实施例2
本实施例中采用95型炉，通过以下步骤制造硅单晶：
装料：初装120Kg，待硅料化完再加40Kg，原生硅料与回收料比例为2:1。
抽空检漏：抽空极限为3Pa以下，漏气速率为2Pa/10min。
全熔稳定：加热功率为110KW，硅料熔完控制熔体温度不超过1530℃，将功率降至引晶功率，埚转为8rpm，缓慢上升坩埚至引晶埚位，压力维持在1600Pa左右，稳定3小时以上。
引晶：降下籽晶，晶转为10rpm，高温熔接，采用Dash缩颈排除位错法引晶，细颈为Φ3.5～Φ4mm之间，长度>150mm。
放肩：95炉采用0.6mm/min的拉速放肩，降温速率为4～5℃/30min之间。
转肩：当直径接近Φ195mm时，采用低于1.5mm/min的拉速可自动转肩。
等径：头部拉速为1.1mm/min。直径控制在Φ205±2mm，等径长度计算公式为其中l为等径长度(mm)，m为等径长度内晶体质量(Kg)，d为晶体的直径(mm)。
收尾：等径长度达到后自动切换至收尾控制，收尾长度大于150mm，断面直径必须50mm，尽量收尖。
停炉：收尾完成晶体以4～5mm/min的拉速上升冷却，加热功率在30min内降为零，晶体冷却时间为5个小时。
取棒拆炉：关闭主室球阀后关闭主室真空泵电源，待氩气充至常压，开炉先取出晶体，后将石墨热场取出冷却清理。
太阳能电池EL测试
采用实施例1和2拉制的硅晶体制备成太阳能电池，对其进行EL测试。测试结果如图2所示。由图2可以看出，采用实施例1和2方法拉制的硅晶制成的电池没有出现黑心片问题。
本发明的技术方案已由优选实施例公开如上。本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所公开的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硅单晶拉制方法，其特征在于，包括以下步骤：
全熔稳定，将坩埚内的硅料熔化，待所述硅料完全熔化后将功率降至引晶功率；然后将所述坩埚转开至引晶转速稳定熔体；
引晶，高温熔接，采用Dash缩颈排除位错法引晶；
放肩；
转肩；
等径，手动控制晶体等径生长至所需长度，待直径控制均匀、拉速稳定后自动控制所述晶体生长；
收尾；以及
停炉。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将熔化的硅料降至引晶功率步骤前，控制熔化的硅料温度不超过1550℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔体在所述坩埚内稳定3小时以上。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Dash缩颈排除位错法引晶过程中，细颈为Φ3.5～Φ4mm之间，长度>150mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放肩步骤中后期形成的肩部夹角为90°～120°。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转肩步骤中当直径接近Φ205mm时，采用低于1.5mm/min的拉速手动转肩。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等径步骤中所述手动控制晶体等径生长长度为30～50mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等径步骤满足如下公式其中l为等径长度，单位为mm；m为等径长度内晶体重量，单位为Kg；d为晶体的直径，单位为mm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述收尾步骤中收尾长度大于150mm，断面直径50mm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述停炉步骤后晶体以4～5mm/min的拉速上升冷却。
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