CN105133006A - 一种多晶硅铸锭铺底料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多晶硅铸锭铺底料及其制备方法和应用。多晶硅铸锭铺底料是硅颗粒表面涂覆氮化硅层的耐高温硅颗粒，其粒径为3~15mm，硅颗粒∶氮化硅的质量比为40∶1~5。制备方法包括以下步骤：在硅颗粒中加入5%~15%的氮化硅粉并搅拌均匀；再加入0.4%~12%硅溶胶与纯水的混合溶液，再次充分搅拌，硅溶胶与纯水的质量比为1∶1~5；烘干后将颗粒物搓开并过筛网即可。将上述耐高温硅颗粒应用于多晶硅半熔铸锭工艺中，进入长晶后起到良好的形核作用。因硅锭底部籽晶保留高度低，红区平整等优点，相比传统半熔工艺，成晶率可提高4%~6%，A、B、C三区光电转换效率趋于一致，从而使产品整体品质得到提升。
Description
技术领域
本发明属于光伏技术领域，涉及多晶硅制造技术，特别是一种多晶硅铸锭铺底料及其制备方法和应用。
背景技术
在光伏行业，目前多晶硅铸锭设备大多数使用半熔工艺，其原理是在陶瓷石英坩埚喷涂氮化硅完毕后，在坩埚底部均匀撒上5~50kg粒径为1~20mm硅颗粒，颗粒堆积厚度5~50mm左右，在硅料熔化过程中通过控制设备隔热笼起始开度为50~150mm从而控制热场顶底温差，使之从上至下定向熔化，在熔化后阶段（即第10~12步）操作人员使用石英玻璃棒测量硅锭底部未熔化籽晶高度，最后以硅锭底部硅颗粒保留高度5~25mm左右为宜，所需硅颗粒作为籽晶，起到长晶初期形核作用。半熔工艺的技术难点是：(1)籽晶保留高度难以控制，高温时硅料熔化速度快，操作人员稍有疏忽错过测量最佳时机高效硅锭难以做成，保留过高生产成本高，保留过低硅片产品低效比例高。(2)操作人员操作过程中有石英棒断裂风险，断裂的石英棒掉在硅锭内会造成裂锭风险。
另有一种提升硅片光伏转换效率的方法是在铸锭过程中使用高效陶瓷石英坩埚，其原理是在陶瓷石英坩埚底部高纯处理后喷涂100~130g氮化硅，在喷涂处理后的坩埚底部均匀撒上粒径为0.5~1mm细小硅颗粒200-250g并使用一定量的高纯石英浆料进行固定，在硅颗粒上再次喷涂100~150g氮化硅，铸锭过程中陶瓷石英坩埚底部细小硅颗粒有一定的形核（籽晶）作用。该方法的技术难点是：(1)二次喷涂氮化硅量决定硅锭效率，难以控制最佳比例，喷涂量少会造成细小硅颗粒全部熔化，起不到形核作用，喷涂过量会造成氮化硅完全包裹细小硅颗粒，起不到同质形核作用。(2)0.5~1mm硅颗粒在铺底形核过程中由于粒径较小，形核基础差，很难得到有效提升。
总之，目前多晶硅半熔铸锭工艺仍然存在如下几方面技术问题，(1)底部形核籽晶无法全部保留，(2)籽晶保留高度受人为操作影响偏差过大，(3).成晶率低，(4)产品品质不稳定，光电转换效率波动性较大，(5)生产成本高。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的缺陷，提出了一种多晶硅铸锭铺底料，采用该多晶硅铸锭铺底料能够起到很好的籽晶形核作用，使产品成晶率提高，品质稳定，光电转换效率一致性好，生产成本降低。同时提出了该多晶硅铸锭铺底料的制备方法和在多晶硅铸锭中的应用。
本发明解决技术问题所采取的技术方案是：
第一个方面，一种多晶硅铸锭铺底料，其是硅颗粒表面涂覆氮化硅层的耐高温硅颗粒。
作为优选，所述硅颗粒的粒径为3~15mm。
作为优选，所述耐高温硅颗粒中硅颗粒∶氮化硅的质量比为40∶1~5。
第二个方面，一种如第一个方面所述的多晶硅铸锭铺底料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将粒径为3~15mm的硅颗粒放入纯净容器中，然后加入氮化硅粉，搅拌均匀；
（2）再加入硅溶胶与纯水的混合溶液，再次充分搅拌；
（3）将将步骤（2）所得颗粒物取出平铺在无纺布上，放入50~120℃烘箱烘5~50分钟；
（4）烘干后将颗粒物搓开，形成单独颗粒，再使用10~150目尼龙筛网将脱落的氮化硅粉筛出，得到颗粒大小均匀的耐高温硅颗粒。
作为优选，所述步骤（1）中氮化硅粉的加入量以质量百分计为硅颗粒的5%~15%。
作为优选，所述步骤（2）中硅溶胶与纯水的混合溶液的加入量以质量百分计为硅颗粒的0.4%~12%；所述硅溶胶与纯水的质量比为1∶1~5。
第三个方面，如第一个方面所述的多晶硅铸锭铺底料的应用，在多晶硅半熔铸锭工艺中，装料前，将耐高温硅颗粒均匀铺在已喷涂氮化硅的陶瓷石英坩埚底部，全覆盖，厚度3~20mm，然后进行正常装料；投炉抽空；加热后，在硅料熔化过程中调节铸锭炉隔热笼开度为50~70mm，让热场形成较大的温度梯度，上热下冷，从而保证硅料从上往下定向熔化；在硅料熔化过程中陶瓷石英坩埚底部始终保持过冷即＜1420℃，使耐高温硅颗粒始终附着于陶瓷石英坩埚底部；硅料全部熔完后，陶瓷石英坩埚底部耐高温硅颗粒保留1~15mm厚度，覆盖整个陶瓷石英坩埚底表面且非常均匀；进入长晶后，耐高温硅颗粒起到良好的形核作用。
本发明中，耐高温硅颗粒制备过程中加入硅溶胶与纯水的混合溶液，因此，表面的氮化硅层必然含有硅溶胶。
硅颗粒与正常原生硅熔点一致，均为1420±2°，传统半熔工艺单纯使用硅颗粒铺置陶瓷石英坩埚底部，在铸锭炉加热、熔化过程中因受多种因素影响，一旦籽晶熔完，就不能起到籽晶形核作用。而当硅颗粒表面覆盖有氮化硅粉时，将会起到保护硅颗粒，使之不会熔化的作用，从而很好的保留住籽晶。氮化硅化学式Si3N4，白色粉状晶体，熔点1900℃，密度3.44g/cm。氮化硅极耐高温，受热后不会熔成融体，直到1900℃才会分解。
传统半熔工艺籽晶无法全部保留，成晶率低，效率不稳定，本发明耐高温硅颗粒，表面涂覆有氮化硅层，因而具有耐高温性能。作为多晶硅铸锭铺底料应用，配合特定的铸锭工艺，能确保其始终附着于陶瓷石英坩埚底部，待硅料全部熔完后，陶瓷石英坩埚底部耐高温硅颗粒可保留1~15mm厚度，覆盖整个陶瓷石英坩埚底表面且非常均匀；进入长晶后，耐高温硅颗粒起到良好的形核作用。最终，因硅锭底部籽晶保留高度低，红区平整等优点，相比传统半熔工艺，成晶率可提高4%~6%，A、B区效率提升更加明显，A、B、C三区光电转换效率趋于一致，从而使产品整体品质得到提升。
具体实施方式
实施例1：
一种多晶硅铸锭铺底料，它是硅颗粒表面涂覆氮化硅层的耐高温硅颗粒。硅颗粒的粒径为3~15mm；硅颗粒∶氮化硅的质量比为20∶1。
实施例2：
另一种多晶硅铸锭铺底料，它是硅颗粒表面涂覆氮化硅层的耐高温硅颗粒。硅颗粒的粒径为3~15mm；硅颗粒∶氮化硅的质量比为30∶1。
实施例3：
又一种多晶硅铸锭铺底料，它是硅颗粒表面涂覆氮化硅层的耐高温硅颗粒。硅颗粒的粒径为3~15mm；硅颗粒∶氮化硅的质量比为10∶1。
实施例4：
一种多晶硅铸锭铺底料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将粒径为3~15mm的硅颗粒放入纯净容器中，然后加入氮化硅粉，搅拌均匀；氮化硅粉的加入量以质量百分计为硅颗粒的10%；
（2）再加入硅溶胶与纯水的混合溶液，再次充分搅拌；硅溶胶与纯水的混合溶液的加入量以质量百分计为硅颗粒的8%；硅溶胶与纯水的质量比为1∶1。
（3）将将步骤（2）所得颗粒物取出平铺在无纺布上，放入80℃烘箱烘15分钟；
（4）烘干后将颗粒物搓开，形成单独颗粒，再使用50目尼龙筛网将脱落的氮化硅粉筛出，得到颗粒大小均匀的耐高温硅颗粒。
实施例5：
另一种多晶硅铸锭铺底料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将粒径为3~15mm的硅颗粒放入纯净容器中，然后加入氮化硅粉，搅拌均匀；氮化硅粉的加入量以质量百分计为硅颗粒的15%；
（2）再加入硅溶胶与纯水的混合溶液，再次充分搅拌；硅溶胶与纯水的混合溶液的加入量以质量百分计为硅颗粒的10%；硅溶胶与纯水的质量比为1∶2。
（3）将将步骤（2）所得颗粒物取出平铺在无纺布上，放入100℃烘箱烘30分钟；
（4）烘干后将颗粒物搓开，形成单独颗粒，再使用80目尼龙筛网将脱落的氮化硅粉筛出，得到颗粒大小均匀的耐高温硅颗粒。
实施例6：
又一种多晶硅铸锭铺底料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将粒径为3~15mm的硅颗粒放入纯净容器中，然后加入氮化硅粉，搅拌均匀；氮化硅粉的加入量以质量百分计为硅颗粒的5%；
（2）再加入硅溶胶与纯水的混合溶液，再次充分搅拌；硅溶胶与纯水的混合溶液的加入量以质量百分计为硅颗粒的2%；硅溶胶与纯水的质量比为1∶3。
（3）将将步骤（2）所得颗粒物取出平铺在无纺布上，放入110℃烘箱烘10分钟；
（4）烘干后将颗粒物搓开，形成单独颗粒，再使用120目尼龙筛网将脱落的氮化硅粉筛出，得到颗粒大小均匀的耐高温硅颗粒。
实施例7：
一种多晶硅铸锭铺底料的应用，在多晶硅半熔铸锭工艺中，装料前，将耐高温硅颗粒均匀铺在已喷涂氮化硅的陶瓷石英坩埚底部，全覆盖，厚度约15mm，然后进行正常装料；投炉抽空；加热后，在硅料熔化过程中调节铸锭炉隔热笼开度为50~70mm，让热场形成较大的温度梯度，上热下冷，从而保证硅料从上往下定向熔化；在硅料熔化过程中陶瓷石英坩埚底部始终保持过冷即＜1420℃，使耐高温硅颗粒始终附着于陶瓷石英坩埚底部；硅料全部熔完后，陶瓷石英坩埚底部耐高温硅颗粒保留约10mm厚度，覆盖整个陶瓷石英坩埚底表面且非常均匀；进入长晶后，耐高温硅颗粒起到良好的形核作用。
实施例8：
一种多晶硅铸锭铺底料的应用，在多晶硅半熔铸锭工艺中，装料前，将耐高温硅颗粒均匀铺在已喷涂氮化硅的陶瓷石英坩埚底部，全覆盖，厚度约8mm，然后进行正常装料；投炉抽空；加热后，在硅料熔化过程中调节铸锭炉隔热笼开度为50~70mm，让热场形成较大的温度梯度，上热下冷，从而保证硅料从上往下定向熔化；在硅料熔化过程中陶瓷石英坩埚底部始终保持过冷即＜1420℃，使耐高温硅颗粒始终附着于陶瓷石英坩埚底部；硅料全部熔完后，陶瓷石英坩埚底部耐高温硅颗粒保留约4mm厚度，覆盖整个陶瓷石英坩埚底表面且非常均匀；进入长晶后，耐高温硅颗粒起到良好的形核作用。
Claims (7)
1.一种多晶硅铸锭铺底料，其是硅颗粒表面涂覆氮化硅层的耐高温硅颗粒。
2.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭铺底料，其特征在于，所述硅颗粒的粒径为3~15mm。
3.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭铺底料，其特征在于，所述耐高温硅颗粒中硅颗粒∶氮化硅的质量比为40∶1~5。
4.一种如权利要求1所述的多晶硅铸锭铺底料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将粒径为3~15mm的硅颗粒放入纯净容器中，然后加入氮化硅粉，搅拌均匀；
（2）再加入硅溶胶与纯水的混合溶液，再次充分搅拌；
（3）将将步骤（2）所得颗粒物取出平铺在无纺布上，放入50~120℃烘箱烘5~50分钟；
（4）烘干后将颗粒物搓开，形成单独颗粒，再使用10~150目尼龙筛网将脱落的氮化硅粉筛出，得到颗粒大小均匀的耐高温硅颗粒。
5.根据权利要求4所述的多晶硅铸锭铺底料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中氮化硅粉的加入量以质量百分计为硅颗粒的5%~15%。
6.根据权利要求4所述的多晶硅铸锭铺底料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中硅溶胶与纯水的混合溶液的加入量以质量百分计为硅颗粒的0.4%~12%；所述硅溶胶与纯水的质量比为1∶1~5。
7.如权利要求1所述的多晶硅铸锭铺底料的应用，其特征在于，在多晶硅半熔铸锭工艺中，装料前，将耐高温硅颗粒均匀铺在已喷涂氮化硅的陶瓷石英坩埚底部，全覆盖，厚度3~20mm，然后进行正常装料；投炉抽空；加热后，在硅料熔化过程中调节铸锭炉隔热笼开度为50~70mm，让热场形成较大的温度梯度，上热下冷，从而保证硅料从上往下定向熔化；在硅料熔化过程中陶瓷石英坩埚底部始终保持过冷即＜1420℃，使耐高温硅颗粒始终附着于陶瓷石英坩埚底部；硅料全部熔完后，坩埚底部耐高温硅颗粒保留1~15mm厚度，覆盖整个坩埚底表面且非常均匀；进入长晶后，耐高温硅颗粒起到良好的形核作用。
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