CN105780114A - 硅锭及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硅锭及其制备方法。上述硅锭的制备方法包括如下步骤：将掺杂剂与涂层材料混合均匀之后涂覆在铸锭炉的坩埚的内壁上，形成坩埚涂层；待坩埚涂层凝固之后，将硅料加入铸锭炉的坩埚内，之后将硅料依次进行熔化、定向凝固和退火，得到硅锭。上述硅锭的制备方法中，先将掺杂剂与涂层材料混合均匀，并涂覆在坩埚的内壁上，之后将硅料进行熔化的阶段，会有少量的掺杂剂进入熔化的硅液中并与硅液融合，进行分凝。定向凝固的过程即长晶阶段，坩埚内壁上的大量掺杂剂会扩散到硅锭中，能够减少掺杂剂的分凝，有效控制硅锭的电阻率，使硅锭的电阻率分布均匀，提高铸锭的良率，有效降低成本。此外，还涉及一种采用上述制备方法制备而成的硅锭。

Description

硅锭及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池材料领域，特别是涉及一种硅锭及其制备方法。
背景技术
自进入本世纪以来，光伏产业成为了世界上增长最快的高新技术产业。在各类太阳能电池中，晶硅电池占据着75％以上的市场份额，如何进一步提高晶硅电池的转化效率将对光伏产业的发展起着至关重要的作用。
目前生产太阳能电池的硅片是由硅锭加工而成，为了满足电池片加工的要求，硅锭必须在晶体生长过程中加入母合金掺杂剂，并调节其浓度获得要求的电学性能。然而，传统的硅锭的制备方法中直接将母合金加入到硅料中，这样得到的硅锭电阻率分布不均匀，从而影响铸锭良率，导致铸锭成本过高，不利于大规模生产应用。
发明内容
基于此，有必要针对传统的硅锭的制备方法得到的硅锭的电阻率分布不均匀问题，提供一种使硅锭的电阻率分布均匀的硅锭的制备方法。
一种硅锭的制备方法，包括如下步骤：
将掺杂剂与涂层材料混合均匀之后涂覆在铸锭炉的坩埚的内壁上，形成坩埚涂层；
待所述坩埚涂层凝固之后，将硅料加入所述铸锭炉的坩埚内，之后将所述硅料依次进行熔化、定向凝固和退火，得到硅锭。
上述硅锭的制备方法中，先将掺杂剂与涂层材料混合均匀，并涂覆在坩埚的内壁上，之后将硅料进行熔化的阶段，会有少量的掺杂剂进入熔化的硅液中并与硅液融合，进行分凝。定向凝固的过程即长晶阶段，坩埚内壁上的大量掺杂剂会扩散到硅锭中，这样能够减少掺杂剂的分凝，有效控制硅锭的电阻率，从而使硅锭的电阻率分布均匀，提高铸锭的良率，有效降低成本，有利于大规模生产应用。
在其中一个实施例中，所述掺杂剂的颗粒尺寸小于0.5mm。
在其中一个实施例中，所述掺杂剂选自母合金和半导体元素中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述母合金选自镓硅合金、磷硅合金和硼硅合金中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述半导体元素选自硼、镓、铝、磷、砷和锑中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述涂层材料选自氮化硅、碳化硅、石英砂、氢氧化钡和氢氧化钙中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述坩埚涂层的厚度为0.1mm～5mm。
在其中一个实施例中，将所述硅料进行熔化的操作为：
将铸锭炉抽真空，之后将所述硅料加热至1160℃～1180℃，维持铸锭炉内的压力不变，之后升温至1510℃～1550℃，使所述硅料自上而下熔化。
在其中一个实施例中，将掺杂剂与涂层材料混合均匀之后涂覆在铸锭炉的坩埚的内壁上的操作为：
将掺杂剂与涂层材料混合均匀之后喷涂或者刷在铸锭炉的坩埚的内壁上。
此外，还提供一种硅锭，采用上述的硅锭的制备方法制备而成。
上述硅锭的制备方法中，先将掺杂剂与涂层材料混合均匀，并涂覆在坩埚的内壁上，之后将硅料进行熔化的阶段，会有少量的掺杂剂进入熔化的硅液中并与硅液融合，进行分凝。定向凝固的过程即长晶阶段，坩埚内壁上的大量掺杂剂会扩散到硅锭中，这样能够减少掺杂剂的分凝，有效控制硅锭的电阻率，从而使采用上述硅锭的制备方法制备得到的硅锭的电阻率分布均匀，提高铸锭的良率，有效降低成本，有利于大规模生产应用。
附图说明
图1为一实施方式的硅锭的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，一实施方式的硅锭的制备方法，包括如下步骤：
S10、将掺杂剂与涂层材料混合均匀之后涂覆在铸锭炉的坩埚的内壁上，形成坩埚涂层。
掺杂剂的质量根据硅锭的目标电阻率而定，如掺硼硅锭的目标电阻率为1.7Ω，则通过计算得到硼的质量比浓度为70ppbw，根据坩埚内硅料质量若为850kg，那么所需硼元素的质量为0.06g。通过精确计算能够较好地控制制备得到硅锭的光电性能。
掺杂剂选自母合金和半导体元素中的至少一种。母合金是杂质元素与硅的合金，在一个较优的实施例中，母合金选自镓硅合金、磷硅合金和硼硅合金中的至少一种。母合金中，杂质元素的浓度是10-2和10-3。半导体元素可以选自硼、镓、铝、磷、砷和锑中的至少一种。所使用的掺杂剂为半导体元素时，半导体元素的种类可以为一种或者任意几种的组合。
为了使掺杂剂与涂层材料更好地混合均匀，可将掺杂剂研磨成颗粒尺寸较小的粉状或者颗粒状。在一个较优的实施例中，掺杂剂的颗粒尺寸小于0.5mm。
涂层材料可以选自氮化硅、碳化硅、石英砂、氢氧化钡和氢氧化钙中的至少一种。这几种化合物不与熔化的硅料发生反应，将其用作涂层材料能够避免对熔化的硅料造成污染。通常多晶硅用石英坩埚选用氮化硅或者碳化硅作为涂层材料。而单晶硅用石英坩埚选用石英砂或者氢氧化钡作为涂层材料。
需要说明的是，为了使掺杂剂与涂层材料更好地混合均匀，亦可添加一些其他物质，例如硅溶胶、粘结剂、纯水等。其中，硅溶胶是二氧化硅胶体微粒在水中均匀扩散形成的胶体溶液，由于胶体粒子细微(10nm～20nm)，有相当大的比表面积，粒子本身五色透明，不影响被覆盖物的颜色。此外，硅溶胶的粘度较低。当硅溶胶水分蒸发时，胶体粒子牢固地附着在物体表面，粒子间形成硅氧结合。既可形成具有比表面积大及均匀细孔的凝胶，又可均匀分散粉料，增加悬浮体的稳定性。通过Si—OH基和吸附水可提高润湿性和防止带电的性能。通过均匀混合微粒，可使有机树脂进行机械、光学及电性能方面的改性增强。而粘结剂的作用是将各种组分粘结在一起，防止后续水分蒸发之后在坩埚涂层的表面形成空洞，而影响制备的硅锭的质量。
在一个较优的实施例中，坩埚涂层的厚度为0.1mm～5mm。一方面，有利于后续长晶时方便掺杂剂向硅锭中扩散；另一方面，上述厚度范围不至于过厚，从而将成本控制在合理的范围内。
将掺杂剂与涂层材料混合均匀之后涂覆在铸锭炉的坩埚的内壁上的操作为：将掺杂剂与涂层材料混合均匀之后喷涂或者刷在铸锭炉的坩埚的内壁上。喷涂或者刷的操作简单，有利于形成表面光滑且厚度较均匀的坩埚涂层。
S20、待步骤S10的坩埚涂层凝固之后，将硅料加入铸锭炉的坩埚内，之后将硅料依次进行熔化、定向凝固和退火，得到硅锭。
将硅料加入铸锭炉的坩埚内，此时，硅料位于铸锭炉的坩埚内壁上的坩埚涂层所围成的空间内部。之后将装好硅料的坩埚放入铸锭炉中。需要说明的是，此处的硅料指的是用于制备硅锭的原料，硅料中不含有掺杂剂。
将硅料进行熔化的操作为：将铸锭炉抽真空，之后将硅料加热至1160℃～1180℃，维持铸锭炉内的压力不变，之后升温至1510℃～1550℃，使硅料自上而下熔化。硅料熔化之后为硅液，此时，会有少量的掺杂剂进入熔化的硅液中并与硅液融合，进行分凝。
待硅料熔化后进入长晶阶段，通过打开钢笼和降低铸锭炉内的温度使硅锭自下而上定向凝固。此时，坩埚内壁上的大量掺杂剂会扩散到硅锭中，这样能够减少掺杂剂的分凝，有效控制硅锭的电阻率。
待长晶阶段结束后，进行退火冷却之后便可得到所要的硅锭。
上述硅锭的制备方法中，先将掺杂剂与涂层材料混合均匀，并涂覆在坩埚的内壁上，之后将硅料进行熔化的阶段，会有少量的掺杂剂进入熔化的硅液中并与硅液融合，进行分凝。定向凝固的过程即长晶阶段，坩埚内壁上的大量掺杂剂会扩散到硅锭中，这样能够减少掺杂剂的分凝，有效控制硅锭的电阻率，从而使硅锭的电阻率分布均匀，提高铸锭的良率，有效降低成本，有利于大规模生产应用。
一实施方式的硅锭采用上所述的硅锭的制备方法制备而成。
上述硅锭的制备方法中，先将掺杂剂与涂层材料混合均匀，并涂覆在坩埚的内壁上，之后将硅料进行熔化的阶段，会有少量的掺杂剂进入熔化的硅液中并与硅液融合，进行分凝。定向凝固的过程即长晶阶段，坩埚内壁上的大量掺杂剂会扩散到硅锭中，这样能够减少掺杂剂的分凝，有效控制硅锭的电阻率，从而使采用上述硅锭的制备方法制备得到的硅锭的电阻率分布均匀，提高铸锭的良率，有效降低成本，有利于大规模生产应用。
下面为具体实施方式：
实施例1
将18g镓、620g氮化硅、350ml硅溶胶、50g粘结剂与1200ml纯水混合搅拌均匀后喷涂在铸锭炉的坩埚的内壁上，形成坩埚涂层。
待坩埚涂层凝固之后，将850kg硅料加入坩埚内，之后将装好硅料的坩埚放入铸锭炉中。
将铸锭炉抽真空，之后将硅料加热至1175℃，维持铸锭炉内的压力为600mbar，之后升温至1510℃，使所述硅料自上而下熔化。
待硅料熔化后进入长晶阶段，通过打开钢笼和降低炉内温度使硅锭自下而上定向凝固。
待长晶结束后，进行退火冷却后便可得到实施例1的硅锭。
对比例1
在铸锭炉的坩埚内壁喷涂氮化硅涂层。
将850kg硅料与18g镓装入坩埚内。
将装好硅料的坩埚放入铸锭炉中。
将铸锭炉抽真空，之后将硅料加热到1175℃，维持铸锭炉腔内的压力为600mbar，之后升温至1510℃，使硅料自上而下熔化。
待硅料熔化后进入长晶阶段，通过打开钢笼和降低炉内温度使硅锭自下而上定向凝固。
待长晶结束后，进入退火冷却后便可得到对比例1的硅锭。
将实施例1的硅锭与对比例1的硅锭的性能进行对比，得到表1：
表1实施例1的硅锭与对比例1的硅锭的性能对比
项目 实施例1 对比例1
铸锭电阻率分布 1～3 0.3～5
少子寿命(us) 7～8 5～6
铸锭良率 60％～65％ 55％～60％
从表1可以看出，实施例1得到的硅锭的电阻率分布较均匀，少子寿命较长，铸锭良率较高；而对比例1得到的硅锭的电阻率分布较广，少子寿命较短，铸锭良率较低。因此，本发明的硅锭的制备方法能够有效地减少掺杂剂的分凝，有效控制硅锭的电阻率，从而使硅锭的电阻率分布均匀，提高铸锭的良率，有效降低成本，有利于应用。
实施例2
将200g硼硅合金(含有0.06g硼)、620g氮化硅、330ml硅溶胶、45g粘结剂与1100ml纯水混合搅拌均匀后喷涂在铸锭炉的坩埚的内壁上，形成坩埚涂层。
待坩埚涂层凝固之后，将硅料加入铸锭炉的坩埚内，之后将装好硅料的坩埚放入铸锭炉中。
将铸锭炉抽真空，之后将硅料加热至1160℃，维持铸锭炉内的压力为600mbar，之后升温至1535℃，使所述硅料自上而下熔化。
待硅料熔化后进入长晶阶段，通过打开钢笼和降低炉内温度使硅锭自下而上定向凝固。
待长晶结束后，进行退火冷却后便可得到实施例2的硅锭。
实施例3
将含有0.09g磷的磷硅合金、600g氮化硅、350ml硅溶胶、50g粘结剂与1150ml纯水混合搅拌均匀后喷涂在铸锭炉的坩埚的内壁上，形成坩埚涂层。
待坩埚涂层凝固之后，将硅料加入铸锭炉的坩埚内，之后将装好硅料的坩埚放入铸锭炉中。
将铸锭炉抽真空，之后将硅料加热至1180℃，维持铸锭炉内的压力为600mbar，之后升温至1550℃，使所述硅料自上而下熔化。
待硅料熔化后进入长晶阶段，通过打开钢笼和降低炉内温度使硅锭自下而上定向凝固。
待长晶结束后，进行退火冷却后便可得到实施例3的硅锭。
实施例4
将12g镓、含硼0.01g的硼硅合金、600g氮化硅、350ml硅溶胶、40g粘结剂与1200ml纯水混合搅拌均匀后喷涂在铸锭炉的坩埚的内壁上，形成坩埚涂层。
待坩埚涂层凝固之后，将硅料加入铸锭炉的坩埚内，之后将装好硅料的坩埚放入铸锭炉中。
将铸锭炉抽真空，之后将硅料加热至1175℃，维持铸锭炉内的压力不变，之后升温至1530℃，使所述硅料自上而下熔化。
待硅料熔化后进入长晶阶段，通过打开钢笼和降低炉内温度使硅锭自下而上定向凝固。
待长晶结束后，进行退火冷却后便可得到实施例4的硅锭。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种硅锭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将掺杂剂与涂层材料混合均匀之后涂覆在铸锭炉的坩埚的内壁上，形成坩埚涂层；
待所述坩埚涂层凝固之后，将硅料加入所述铸锭炉的坩埚内，之后将所述硅料依次进行熔化、定向凝固和退火，得到硅锭。
2.根据权利要求1所述的硅锭的制备方法，其特征在于，所述掺杂剂的颗粒尺寸小于0.5mm。
3.根据权利要求1所述的硅锭的制备方法，其特征在于，所述掺杂剂选自母合金和半导体元素中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的硅锭的制备方法，其特征在于，所述母合金选自镓硅合金、磷硅合金和硼硅合金中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的硅锭的制备方法，其特征在于，所述半导体元素选自硼、镓、铝、磷、砷和锑中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的硅锭的制备方法，其特征在于，所述涂层材料选自氮化硅、碳化硅、石英砂、氢氧化钡和氢氧化钙中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的硅锭的制备方法，其特征在于，所述坩埚涂层的厚度为0.1mm～5mm。
8.根据权利要求1所述的硅锭的制备方法，其特征在于，将所述硅料进行熔化的操作为：
将铸锭炉抽真空，之后将所述硅料加热至1160℃～1180℃，维持铸锭炉内的压力不变，之后升温至1510℃～1550℃，使所述硅料自上而下熔化。
9.根据权利要求1所述的硅锭的制备方法，其特征在于，将掺杂剂与涂层材料混合均匀之后涂覆在铸锭炉的坩埚的内壁上的操作为：
将掺杂剂与涂层材料混合均匀之后喷涂或者刷在铸锭炉的坩埚的内壁上。
10.一种硅锭，其特征在于，采用如权利要求1～9中任一项所述的硅锭的制备方法制备而成。
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