CN108611678A - 一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法 - Google Patents
一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法，包括以下步骤，从坩埚底部开始依次铺设一层单晶籽晶、碎硅片、边皮、原生致密棒料或大块菜花料、小块原生硅料、回收料、小块回收料。本发明具有以下几个特点：碎硅片避免了籽晶层上方应力集中，也减少了熔化阶段硅液对籽晶层的热冲击，减少了因应力集中和热应力而产生的位错；原生硅料铺在坩埚下部、回收料铺在坩埚上部，减少引晶初期因杂质聚集而产生的位错和多晶；埚壁紧贴一层边皮，可以减少涂层的脱落，相邻边皮留有一定距离，防止高温时边皮膨胀挤压坩埚，可降低坩埚破裂风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法。
背景技术
晶体硅在当前的太阳能材料市场占据着绝对优势，从其晶体形态上来讲，可以划分为非晶硅、单晶硅、多晶硅三大类。非晶硅电池成本低，但转换效率也较低，且由于非晶硅的光致衰减效应，致使其性能稳定性较差；单晶硅电池中杂质与缺陷的含量低，转换效率高，但制备工艺复杂，对原料的纯度要求高，所以生产成本也较高；多晶硅电池生产成本较低，但其内部存在大量的晶界、高密度的位错和杂质，这些缺陷降低了硅片少数载流子寿命，使其转换效率比单晶电池效率低1.5%左右。
铸造单晶硅具有一定晶体取向，晶界少、位错密度低，其电池采用碱制绒，转换效率比多晶硅电池明显提高，甚至接近单晶硅电池，其生产成本明显低于单晶硅，具有重要的商业价值。
目前生产铸造单晶的一般步骤为：首先在坩埚底部铺设一层单晶籽晶，在单晶籽晶上面装正常多晶硅铸锭的头料、尾料、边皮和原生多晶硅料，装满硅料后采用半融工艺，即单晶籽晶以上硅料先熔化，待固液界面与单晶籽晶接触后通过降低加热器功率和提升隔热笼等方式，产生纵向温度梯度，在单晶籽晶上表面形核，并且垂直向上生长，最后得到铸造单晶。
现有原生多晶硅料和回收料的装料方法存在对铸造单晶质量的影响非常大，且对单晶籽晶层的铺设方式研究较多，而对原生多晶硅料和回收料的装料方法研究较少。
发明内容
本发明其目的就在于提供一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法，解决了现有原生多晶硅料和回收料的装料方法存在对铸造单晶质量的影响非常大，且对单晶籽晶层的铺设方式研究较多，而对原生多晶硅料和回收料的装料方法研究较少的问题。
为实现上述目的而采取的技术方案是，一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法，包括以下步骤：
步骤a 多个小长方体形状的单晶籽晶紧密贴合平铺在坩埚底部，形成一个完整的单晶籽晶层；
步骤b 在完整的单晶籽晶层上铺一层多晶硅碎片或单晶硅碎片；
步骤c 在坩埚四个侧壁上紧贴一层多晶硅铸锭或铸造单晶的边皮；
步骤d 在多晶硅碎片上码放几层原生多晶硅料，原生多硅料靠住坩埚四个侧壁上紧贴的边皮，防止边皮倾倒，原生多晶硅料是致密棒料或大块菜花料；
步骤e 在致密棒料或大块菜花料原生硅料的缝隙中填满小块原生硅料；
步骤f 在原生多晶硅料上码放几层正常多晶硅铸锭或者铸造单晶的回收料，回收料可以是头料、尾料、边皮或提纯硅棒；
步骤g 在大块回收料上方铺小块回收料，小块回收料可以是头料、尾料或边皮上磕碰下来的小碎块。
有益效果
与现有技术相比本发明具有以下优点。
1.在单晶籽晶上铺大量多晶碎硅片或单晶碎硅片，大量碎片与籽晶层接触面积大，减少了应力集中的情况。在硅料熔化时，坩埚中下部也处于高温状态，如果不铺碎片，直接铺大块原生硅料、原生颗粒硅料、硅块或仅铺几层硅片，这都很容易导致硅料和籽晶形成点接触，高温状态下，应力集中的点接触容易形成位错，这些位错在后续长晶时会大量增殖，从而导致铸造单晶质量严重下降；
2.硅料熔化是从头部开始，熔化后的硅料会向下流动一段距离，然后凝固。大量碎硅片存在大量缝隙，这些缝隙增加了熔硅向下流动的总路程，可以有效缓解硅料熔化时，硅液对单晶籽晶上表面的热冲击，而热冲击也是很容易使单晶籽晶产生位错，同样，这些位错在后续长晶时会大量增殖，从而导致铸造单晶质量严重下降；
3.在坩埚四个侧壁上紧贴一层多晶硅铸锭或铸造单晶的边皮，这些边皮可以有效防止氮化硅涂层的脱落，也可以防止在后续装料时硅料磕碰坩埚壁，降低了硅料熔化阶段因坩埚隐裂而发生硅液外流的风险。同时，相邻边皮之间留有一定的间距，可以防止高温时边皮膨胀挤压坩埚，可降低坩埚破裂风险；
4.在致密棒料、大块菜花料等原生料的缝隙中填满小块原生料，节约了空间，增加了单次投料重量，降低了生产成本；
5.头料、尾料中含有较多碳化硅、氮化硅、金属等杂质，如果把回收料放置在坩埚下部，在硅料熔化后期，坩埚底部硅液中杂质较多，会影响单晶籽晶的引晶效果，很有可能产生位错和多晶。所以，把原生硅料码放在坩埚下部，回收料码放在坩埚上部，提高了单晶籽晶的引晶效果。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步详述。
图1为本发明的装料示意图；
图 2是采用常规装料方法得到铸造单晶的少子寿命测试图；
图 3是采用本发明的装料方法后得到铸造单晶的少子寿命测试图。
具体实施方式
一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤a 多个小长方体形状的单晶籽晶紧密贴合平铺在坩埚底部，形成一个完整的单晶籽晶层；
步骤b 在完整的单晶籽晶层上铺一层多晶硅碎片或单晶硅碎片；
步骤c 在坩埚四个侧壁上紧贴一层多晶硅铸锭或铸造单晶的边皮；
步骤d 在多晶硅碎片上码放几层原生多晶硅料，原生多硅料靠住坩埚四个侧壁上紧贴的边皮，防止边皮倾倒，原生多晶硅料是致密棒料或大块菜花料；
步骤e 在致密棒料或大块菜花料原生硅料的缝隙中填满小块原生硅料；
步骤f 在原生多晶硅料上码放几层正常多晶硅铸锭或者铸造单晶的回收料，回收料可以是头料、尾料、边皮或提纯硅棒；
步骤g 在大块回收料上方铺小块回收料，小块回收料可以是头料、尾料或边皮上磕碰下来的小碎块。
所述单晶籽晶是由直拉单晶棒去除边皮，再经过截断后得到小长方体形状的单晶籽晶。
所述步骤a中小长方体形状单晶籽晶尺寸范围为120mm×120mm×15mm—156mm×156mm×30mm。
所述步骤a 中完整的单晶籽晶层可以是由25块或36块小长方体形状的单晶籽晶拼接而成。
步所述骤b 中多晶硅碎片或单晶硅碎片的总厚度为30mm-100mm。
所述步骤c中坩埚四个侧壁上紧贴的边皮可以是G5或G6铸锭的边皮，相邻边皮之间留有3mm-10mm的距离。
所述步骤d中原生致密棒料直径为120mm-200mm，长度为200mm-400mm，所述大块菜花料尺寸为50mm-100mm。
所述步骤e中小块原生硅料尺寸为5mm-20mm。
所述步骤g中小块回收料尺寸为5mm-20mm。
所述回收料是多晶硅铸锭或铸造单晶后续加工中得到的头料、尾料、边皮、碎片，且回收料占整个铸造单晶重量的30%-50%。
实施例一
一种原生多晶硅料和回收硅料的装料方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤a将多个小长方体形状的单晶籽晶紧密贴合平铺在坩埚G5底部，形成一个完整的单晶籽晶层，一个完整的单晶籽晶层由36块小长方体形状的单晶籽晶组成，所述小长方体形状单晶籽晶尺寸是125mm×125mm×20mm。
步骤b在硅片上铺多晶硅碎片，所述碎硅片厚度60mm。
步骤c在坩埚每个侧壁上紧贴4块多晶硅铸锭的边皮，两边皮之间留有3mm的距离。
步骤d在多晶硅碎片上码放两层原生致密棒料，原生致密棒料靠住坩埚四个侧壁上紧贴的边皮，防止边皮倾倒。
步骤e在原生致密棒料的缝隙中填满小块原生硅料，所述原生硅料的尺寸为6mm。
步骤f在原生致密棒料上码放三层正常多晶硅铸锭的尾料，所述尾料的尺寸为156mm×156mm×40mm。
步骤g在尾料上铺小块碎回收料，所述小块碎回收料的尺寸为6mm。
图 2是采用常规装料方法得到铸造单晶的少子寿命测试图，图 3是采用本发明的装料方法后得到铸造单晶的少子寿命测试图，对比可以看出，采用本发明后铸造单晶的少子寿命更高，图谱更均匀，位错少。
实施例二
在生产铸造单晶时，一种原生多晶硅料和回收硅料的装料方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤a 将多个小长方体形状的单晶籽晶紧密贴合平铺在坩埚G6底部，形成一个完整的单晶籽晶层，一个完整的单晶籽晶层由36块小长方体形状的单晶籽晶组成，所述小长方体形状单晶籽晶尺寸是156mm×156mm×20mm。
步骤b在硅片上铺多晶硅碎片，所述碎硅片厚度80mm。
步骤c在坩埚每个侧壁上紧贴5块多晶硅铸锭的边皮，两边皮之间留有4mm的距离。
步骤d在多晶硅碎片上码放两层原生致密棒料，原生致密棒料靠住坩埚四个侧壁上紧贴的边皮，防止边皮倾倒。
步骤e在原生致密棒料的缝隙中填满小块原生硅料，所述原生硅料的尺寸为9mm。
步骤f在原生致密棒料上码放三层正常多晶硅铸锭的尾料，所述尾料的尺寸为156mm×156mm×40mm。
步骤g在尾料上铺小块碎回收料，所述小块碎回收料的尺寸为9mm。
图 2是采用常规装料方法得到铸造单晶的少子寿命测试图，图 3是采用本发明的装料方法后得到铸造单晶的少子寿命测试图，对比可以看出，采用本发明后铸造单晶的少子寿命更高，图谱更均匀，位错少。
Claims (10)
1.一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a 多个小长方体形状的单晶籽晶紧密贴合平铺在坩埚底部，形成一个完整的单晶籽晶层；
步骤b 在完整的单晶籽晶层上铺一层多晶硅碎片或单晶硅碎片；
步骤c 在坩埚四个侧壁上紧贴一层多晶硅铸锭或铸造单晶的边皮；
步骤d 在多晶硅碎片上码放几层原生多晶硅料，原生多硅料靠住坩埚四个侧壁上紧贴的边皮，防止边皮倾倒，原生多晶硅料是致密棒料或大块菜花料；
步骤e 在致密棒料或大块菜花料原生硅料的缝隙中填满小块原生硅料；
步骤f 在原生多晶硅料上码放几层正常多晶硅铸锭或者铸造单晶的回收料，回收料可以是头料、尾料、边皮或提纯硅棒；
步骤g 在大块回收料上方铺小块回收料，小块回收料可以是头料、尾料或边皮上磕碰下来的小碎块。
2.根据权利要求书1所述的一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法，其特征在于，所述单晶籽晶是由直拉单晶棒去除边皮，再经过截断后得到小长方体形状的单晶籽晶。
3.根据权利要求书1所述的一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法，其特征在于，所述步骤a中小长方体形状单晶籽晶尺寸范围为120mm×120mm×15mm—156mm×156mm×30mm。
4.根据权利要求书1所述的一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法，其特征在于，所述步骤a 中完整的单晶籽晶层可以是由25块或36块小长方体形状的单晶籽晶拼接而成。
5.根据权利要求书1所述的一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法，其特征在于，步所述骤b 中多晶硅碎片或单晶硅碎片的总厚度为30mm-100mm。
6.根据权利要求书1所述的一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法，其特征在于，所述步骤c中坩埚四个侧壁上紧贴的边皮可以是G5或G6铸锭的边皮，相邻边皮之间留有3mm-10mm的距离。
7.根据权利要求书1所述的一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法，其特征在于，所述步骤d中原生致密棒料直径为120mm-200mm，长度为200mm-400mm，所述大块菜花料尺寸为50mm-100mm。
8.根据权利要求书1所述的一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法，其特征在于，所述步骤e中小块原生硅料尺寸为5mm-20mm。
9.根据权利要求书1所述的一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法，其特征在于，所述步骤g中小块回收料尺寸为5mm-20mm。
10.根据权利要求书1所述的一种生产铸造单晶时原生多晶硅料及回收料的装料方法，其特征在于，所述回收料是多晶硅铸锭或铸造单晶后续加工中得到的头料、尾料、边皮、碎片，且回收料占整个铸造单晶重量的30%-50%。
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