CN108505112B - 高效多晶硅锭的制备方法及高效多晶硅锭 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光伏电池技术领域，提供了高效多晶硅锭的制备方法及高效多晶硅锭，该方法包括：在坩埚内表面涂覆第一隔离层；在所述坩埚底面涂覆的第一隔离层的上表面涂覆反应层；在所述坩埚底面涂覆的反应层的上表面涂覆第二隔离层；在涂覆第二隔离层后的坩埚内放入多晶硅原料，并将坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空；将所述铸锭炉加热至第一预设温度，使所述多晶硅原料全部熔化，形成硅液；利用所述反应层中的二氧化硅与渗透所述第二隔离层的硅液，在所述坩埚底部形成异质结；利用所述异质结对硅液进行结晶处理，生长成高效多晶硅锭。本发明能够降低工艺难度，节省化料时间。

Description

高效多晶硅锭的制备方法及高效多晶硅锭

技术领域

本发明属于光伏电池技术领域，尤其涉及一种高效多晶硅锭的制备方法及高效多晶硅锭。

背景技术

高效多晶硅锭具有位错密度低、晶界结构规则和晶粒分布均匀等优点，是制备光伏电池的常用材料。目前，制备高效多晶硅锭的常用方法是在坩埚底部铺设碎硅料，然后将多晶硅原料放入坩埚内，在化料时，控制坩埚内多晶硅原料全部熔化，碎硅料部分熔化，未熔化的碎硅料作为籽晶，从籽晶处开始形核长晶，最后得到高质量硅锭。但是，这种方法由于需要保证多晶硅原料全部熔化时，碎硅料部分熔化，在制备过程中难以控制碎硅料的熔化状态，工艺难度高。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种高效多晶硅锭的制备方法及高效多晶硅锭，以解决现有技术中制备高效多晶硅锭时难以控制碎硅料的熔化状态，工艺难度高的问题。

本发明实施例第一方面提供了一种高效多晶硅锭的制备方法，包括：

在坩埚内表面涂覆第一隔离层，所述第一隔离层的材质包括氮化硅和纯水；

在涂覆第一隔离层的坩埚底面的上表面涂覆反应层，所述反应层的材质包括二氧化硅和纯水；

在涂覆反应层的坩埚底面的上表面涂覆第二隔离层，所述第二隔离层的材质包括氮化硅和纯水；

在涂覆第二隔离层后的坩埚内放入多晶硅原料，并将所述坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空；

将所述铸锭炉加热至第一预设温度，使所述多晶硅原料全部熔化，形成硅液；

利用所述反应层中的二氧化硅与渗透所述第二隔离层的硅液，在所述坩埚底部形成异质结；

利用所述异质结对硅液进行结晶处理，生长成高效多晶硅锭。

可选的，所述利用所述反应层中的二氧化硅与渗透所述第二隔离层的硅液，在所述坩埚底部形成异质结，包括：

将所述铸锭炉的温度降低至第二预设温度，所述反应层中的二氧化硅与渗透所述第二隔离层的硅液，在所述坩埚底部形成异质结。

可选的，所述利用所述异质结对硅液进行结晶处理，生长成高效多晶硅锭，包括：

将所述铸锭炉的温度降低至第三预设温度，并将散热窗口的开度设为第一预设值，在所述坩埚底部形成过冷状态，硅液在所述异质结的基础上长晶，在所述坩埚底部生长成晶粒；

将所述铸锭炉的温度降低至第四预设温度，并将所述铸锭炉的散热窗口开度设置为第二预设值，硅液在所述的晶粒的基础上开始长晶；

长晶完成后经退火和冷却后形成高效多晶硅锭。

可选的，还包括：

对涂覆反应层后的坩埚进行烧结；

所述在涂覆反应层的坩埚底面的上表面涂覆第二隔离层，包括：

在烧结后的坩埚底面的上表面涂覆第二隔离层。

可选的，所述第一隔离层中氮化硅的纯度大于99.9％；所述第一隔离层中氮化硅和纯水的质量比为1:1.5至1:4；

所述第二隔离层中氮化硅的纯度大于99.9％；所述第二隔离层中氮化硅和纯水的质量比为1:1.5至1:4。

可选的，所述第一隔离层的材质还包括硅溶胶；所述第一隔离层中氮化硅、纯水和硅溶胶的质量比为1:1.5:0.1至1:4:0.5；

所述第二隔离层的材质还包括硅溶胶；所述第二隔离层中氮化硅、纯水、和硅溶胶的质量比为1:1.5:0.5:0.1至1:4:2:0.5。

可选的，所述反应层中二氧化硅的纯度大于99.9％；所述反应层中二氧化硅和纯水的质量比为1:3至1:8。

可选的，所述二氧化硅的粒径为50微米至1000微米。

可选的，所述第一隔离层的厚度为50微米至500微米；所述反应层的厚度为50微米至500微米；所述第二隔离层的厚度为50微米至200微米。

本发明实施例第二方面提供了一种高效多晶硅锭，所述高效多晶硅锭按照如本发明实施例第一方面所述的高效多晶硅锭的制备方法制得。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例在坩埚内表面涂覆第一隔离层，在涂覆第一隔离层的坩埚底面的上表面涂覆反应层，在涂覆反应层的坩埚底面的上表面涂覆第二隔离层，在涂覆第二隔离层后的坩埚内放入多晶硅原料，并将所述坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空，将所述铸锭炉加热至第一预设温度，使所述多晶硅原料全部熔化，形成硅液，利用所述反应层中的二氧化硅与渗透所述第二隔离层的硅液，在所述坩埚底部形成异质结，形成的异质结作为晶核，硅液在异质结的基础上长晶在坩埚底部形成晶粒，利用在坩埚底部形成的晶粒，硅液结晶生长成高效多晶硅锭。本发明实施例采用全熔工艺，不需要控制硅碎料的熔化状态，降低工艺难度，并且能够节省化料时间，提高多晶硅锭的良品率和高效比例。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的高效多晶硅锭的制备方法的实现流程示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一

请参考图1，高效多晶硅锭的制备方法包括：

步骤S101，在坩埚内表面涂覆第一隔离层，所述第一隔离层的材质包括氮化硅和纯水。

在本发明实施例中，坩埚为石英坩埚，主要材质为二氧化硅。第一隔离层需要满足以下要求：第一隔离层具有足够的致密性，对硅液和坩埚起到良好的隔离作用；化学性质稳定，不与坩埚和硅液发生反应；在坩埚内表面具有足够的附着强度，在高温下不脱落、不爆皮。本实施例中，第一隔离层的材质采用高纯氮化硅和纯水的混合溶液。氮化硅能够避免多晶硅原料与坩埚直接接触，从而防止坩埚中的二氧化硅与硅液发生反应，污染多晶硅原料，同时保证硅液结晶后不与坩埚发生粘连，并且，在坩埚破裂及冷却后，能够保证多晶硅锭脱模的完整性。

可选的，所述第一隔离层中氮化硅的纯度大于99.9％；所述第一隔离层中氮化硅与纯水的质量比为1:1.5至1:4；

在本发明实施例中，将高纯氮化硅和纯水充分混合，溶液混合均匀后通过喷涂法将该混合溶液喷涂到坩埚内底面和侧壁上，其中，喷涂法包括但不限于滚刷法、高压喷枪喷涂法或手工涂刷法。其中，氮化硅和纯水的质量比为1:1.5至1:4，若纯水太多，喷涂的次数会增加，喷涂时间长，且第一隔离层疏松，致密性差，若纯水太少，混合溶液粘稠，不易喷涂，使用喷枪喷涂时，容易造成喷枪堵枪。

可选的，所述第一隔离层的材质还包括硅溶胶；所述第一隔离层中氮化硅、纯水和硅溶胶的质量比为1:1.5:0.1至1:4:0.5；

在本发明实施例中，第一隔离层的材质还可以为硅溶胶、高纯氮化硅和纯水的混合溶液，其中，硅溶胶作为氮化硅粘接剂，能够提高氮化硅粘接强度。硅溶胶的质量份数不易过多也不易过少，若硅溶胶太多，混合溶液黏度大，不易喷涂，使用喷枪喷涂时，容易造成喷枪堵枪，若硅溶胶太少，混合溶液黏度太小，导致硅溶胶起不到粘接作用。

可选的，所述第一隔离层的厚度为50微米至500微米。

在本发明实施例中，第一隔离层的厚度不宜太薄，若第一隔离层的厚度小于50微米时，则氮化硅用量偏少，无法起到对坩埚的保护作用。第一隔离层的厚度不宜太厚，第一隔离层的厚度大于500微米时，导致氮化硅的用量太多，提高成本。

步骤S102，在涂覆第一隔离层的坩埚底面的上表面涂覆反应层，所述反应层的材质包括二氧化硅和纯水。

可选的，所述反应层中二氧化硅的纯度大于99.9％；所述反应层中二氧化硅和纯水的质量比为1:3至1:8。

在本发明实施例中，反应层的材质为高纯二氧化硅和纯水的混合溶液，将该混合溶液喷涂到坩埚底面的第一隔离层的上表面。其中，喷涂法包括但不限于滚刷法、高压喷枪喷涂法或手工涂刷法。其中，二氧化硅和纯水的质量比为1:3至1:8，若纯水太多，喷涂的次数会增加，喷涂时间长，且第一隔离层疏松，致密性差，若纯水太少，混合溶液粘稠，不易喷涂，使用喷枪喷涂时，容易造成喷枪堵枪，若二氧化硅太少，形成的异质结太少，起不到引晶的作用，若二氧化硅太多，混合溶液容易形成沉淀，不利于喷涂。

可选的，所述反应层的厚度为50微米至500微米；

在本发明实施例中，反应层的厚度不宜太薄，若反应层的厚度小于50微米时，则二氧化硅用量偏少，形成的异质结太少，起不到引晶的作用。反应层的厚度不宜太厚，反应层的厚度大于500微米时，导致二氧化硅用量太多，不参与引晶的二氧化硅会污染形成的高效多晶硅锭，且会提高成本。

可选的，所述二氧化硅粒径为50微米至1000微米。

可选的，还包括：对涂覆反应层后的坩埚进行烧结；

步骤S102的实现方式为：在烧结后的坩埚底面的上表面涂覆第二隔离层。

在本发明实施例中，在温度为800摄氏度至1100摄氏度对坩埚进行烧结，烧结时间大于1小时，使第一隔离层和反应层具有较高的强度，烧结完成后，将坩埚冷却，冷却后，在坩埚底面的上表面涂覆第二隔离层。

步骤S103，在涂覆反应层的坩埚底面的上表面涂覆第二隔离层，所述第二隔离层的材质包括氮化硅和纯水。

可选的，所述第二隔离层中氮化硅的纯度大于99.9％；所述第二隔离层中氮化硅和纯水的质量比为1:1.5至1:4。

在本发明实施例中，将高纯氮化硅和纯水充分混合，溶液混合均匀后通过喷涂法将该混合溶液喷涂到坩埚内底面上，其中，喷涂法包括但不限于滚刷法、高压喷枪喷涂法或手工涂刷法。其中，氮化硅和纯水的质量比为1:1.5至1:4，若纯水太多，喷涂的次数会增加，喷涂时间长，且第一隔离层疏松，致密性差，若纯水太少，混合溶液粘稠，不易喷涂，使用喷枪喷涂时，容易造成喷枪堵枪。

可选的，所述第二隔离层的材质还包括硅溶胶；所述第二隔离层中氮化硅、纯水、和硅溶胶的质量比为1:1.5:0.5:0.1至1:4:2:0.5。

在本发明实施例中，第二隔离层的材质还可以为硅溶胶、高纯氮化硅和纯水的混合溶液，其中，硅溶胶作为氮化硅粘接剂，能够提高氮化硅粘接强度。硅溶胶的质量份数不易过多也不易过少，若硅溶胶太多，混合溶液黏度大，不易喷涂，使用喷枪喷涂时，容易造成喷枪堵枪，若硅溶胶太少，混合溶液黏度太小，导致硅溶胶起不到粘接作用。

可选的，所述第二隔离层的厚度为50微米至200微米。

在本发明实施例中，第二隔离层的厚度不宜太薄，若第二隔离层的厚度小于50微米时，则氮化硅用量偏少，渗透第二隔离层的硅液较多，导致反应层中的二氧化硅与渗透第二隔离层的硅液反应剧烈，形成杂质点，生长的高效多晶硅锭的质量变差。第二隔离层的厚度不宜太厚，第二隔离层的厚度大于200微米时，导致氮化硅的用量太多，渗透第二隔离层的硅液较少，导致反应层中的二氧化硅与渗透第二隔离层的硅液形成的异质结太少，起不到引晶的作用。

步骤S104，在涂覆第二隔离层后的坩埚内放入多晶硅原料，并将所述坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空。

在本发明实施例中，坩埚底面喷涂第二隔离层后，将坩埚静置干燥后装料，装料后将坩埚放入铸锭炉中，并将铸锭炉抽真空。

步骤S105，将所述铸锭炉加热至第一预设温度，使所述多晶硅原料全部熔化，形成硅液。

在本发明实施例中，多晶硅原料的熔化温度为1500摄氏度至1600摄氏度，设定铸锭炉的温度，使多晶硅原料全部熔化形成硅液。

步骤S106，利用所述反应层中的二氧化硅与渗透所述第二隔离层的硅液，在所述坩埚底部形成异质结。

在本发明实施例中，多晶硅原料全部熔化形成硅液后，少量硅液会渗透过第二隔离层与反应层中的二氧化硅发生反应，形成异质结，形成的异质结会裸露在第二隔离层表面，这些异质结作为晶核。

可选的，步骤S106的具体实现方式为：将所述铸锭炉的温度降低至第二预设温度，所述反应层中的二氧化硅与渗透所述第二隔离层的硅液，在所述坩埚底部形成异质结。

在本发明实施例中，首先在30分钟至60分钟内，使铸锭炉的温度降低至1420摄氏度至1480摄氏度，然后，维持铸锭炉的温度30分钟至90分钟，使硅液渗透第二隔离层，并与反应层中二氧化硅发生反应，在坩埚底面形成异质结。

步骤S107，利用所述异质结对硅液进行结晶处理，生长成高效多晶硅锭。

在本发明实施例中，硅液在异质结的基础上长晶，生长成高效多晶硅锭。

可选的，步骤S107的实现方式为：将所述铸锭炉的温度降低至第三预设温度，并将散热窗口的开度设为第一预设值，在所述坩埚底部形成过冷状态，硅液在所述异质结的基础上长晶，在所述坩埚底部生长成晶粒；

将所述铸锭炉的温度降低至第四预设温度，并将所述铸锭炉的散热窗口开度设置为第二预设值，硅液在所述的晶粒的基础上开始长晶；

长晶完成后经退火和冷却后形成高效多晶硅锭。

在本发明实施例中，在30分钟至90分钟内，使铸锭炉的温度降低至1370摄氏度至1410摄氏度，并将散射窗口的开度设置为20％至30％，在坩埚底部形成过冷状态，硅液在异质结的基础上长晶，形成多个碎晶粒。继续降低铸锭炉的温度，并设置散热窗口的开度，使硅液在晶粒的基础上开始长晶，长晶完成后经退火和冷却后形成高温多晶硅锭。例如，将铸锭炉的温度降低至1300摄氏度，散射窗口开度设置为90％。在实际生产过程中，铸锭炉的温度和散热窗口开度可以根据实际需要实时进行调整。

本发明实施例在坩埚内表面涂覆第一隔离层，在涂覆第一隔离层的坩埚底面的上表面涂覆反应层，在涂覆反应层的坩埚底面的上表面涂覆第二隔离层，在涂覆第二隔离层后的坩埚内放入多晶硅原料，并将所述坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空，将所述铸锭炉加热至第一预设温度，使所述多晶硅原料全部熔化，形成硅液，利用所述反应层中的二氧化硅与渗透所述第二隔离层的硅液，在所述坩埚底部形成异质结，形成的异质结作为晶核，硅液在异质结的基础上长晶在坩埚底部形成晶粒，利用在坩埚底部形成的晶粒，硅液结晶生长成高效多晶硅锭。本发明实施例采用全熔工艺，不需要控制硅碎料的熔化状态，降低工艺难度，并且能够节省化料时间，提高多晶硅锭的良品率和高效比例。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

实施例二

一种高效多晶硅锭，所述高效多晶硅锭按照如本发明实施例第一方面所述的高效多晶硅锭的制备方法制得，并具有本发明实施例一所具有的有益效果。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高效多晶硅锭的制备方法，其特征在于，包括：

在坩埚内表面涂覆第一隔离层，所述第一隔离层的材质包括氮化硅和纯水；

在涂覆第一隔离层的坩埚底面的上表面涂覆反应层，所述反应层的材质包括二氧化硅和纯水；

在涂覆反应层的坩埚底面的上表面涂覆第二隔离层，所述第二隔离层的材质包括氮化硅和纯水；

在涂覆第二隔离层后的坩埚内放入多晶硅原料，并将所述坩埚放置于铸锭炉中，将所述铸锭炉抽真空；

将所述铸锭炉加热至第一预设温度，使所述多晶硅原料全部熔化，形成硅液；

利用所述反应层中的二氧化硅与渗透所述第二隔离层的硅液，在所述坩埚底部形成异质结，其中，所述异质结裸露在所述第二隔离层表面；

利用所述异质结对硅液进行结晶处理，生长成高效多晶硅锭；

所述利用所述反应层中的二氧化硅与渗透所述第二隔离层的硅液，在所述坩埚底部形成异质结包括：将所述铸锭炉的温度降低至第二预设温度，所述反应层中的二氧化硅与渗透所述第二隔离层的硅液，在所述坩埚底部形成异质结，其中，所述第二预设温度为1420摄氏度至1480摄氏度；

所述利用所述异质结对硅液进行结晶处理，生长成高效多晶硅锭包括：将所述铸锭炉的温度降低至第三预设温度，并将散热窗口的开度设为第一预设值，在所述坩埚底部形成过冷状态，硅液在所述异质结的基础上长晶，在所述坩埚底部生长成晶粒；将所述铸锭炉的温度降低至第四预设温度，并将所述铸锭炉的散热窗口开度设置为第二预设值，硅液在所述的晶粒的基础上开始长晶；长晶完成后经退火和冷却后形成高效多晶硅锭。

2.如权利要求1所述的高效多晶硅锭的制备方法，其特征在于，还包括：

对涂覆反应层后的坩埚进行烧结；

所述在涂覆反应层的坩埚底面的上表面涂覆第二隔离层，包括：

在烧结后的坩埚底面的上表面涂覆第二隔离层。

3.如权利要求1所述的高效多晶硅锭的制备方法，其特征在于，所述第一隔离层中氮化硅的纯度大于99.9％；所述第一隔离层中氮化硅和纯水的质量比为1:1.5至1:4；

所述第二隔离层中氮化硅的纯度大于99.9％；所述第二隔离层中氮化硅和纯水的质量比为1:1.5至1:4。

4.如权利要求1所述的高效多晶硅锭的制备方法，其特征在于，所述第一隔离层的材质还包括硅溶胶；所述第一隔离层中氮化硅、纯水和硅溶胶的质量比为1:1.5:0.1至1:4:0.5。

5.如权利要求1所述的高效多晶硅锭的制备方法，其特征在于，所述反应层中二氧化硅的纯度大于99.9％；所述反应层中二氧化硅和纯水的质量比为1:3至1:8。

6.如权利要求1所述的高效多晶硅锭的制备方法，其特征在于，所述二氧化硅的粒径为50微米至1000微米。

7.如权利要求1所述的高效多晶硅锭的制备方法，其特征在于，所述第一隔离层的厚度为50微米至500微米；所述反应层的厚度为50微米至500微米；所述第二隔离层的厚度为50微米至200微米。

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