CN108796605A - 一种使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚 - Google Patents

一种使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚，所述坩埚的底座内表面设有氮化硅涂层和阻挡层，所述阻挡层为表面沉积有Al2O3薄膜的太阳能级单晶硅片。通过本发明提供的准单晶硅铸锭用坩埚铸造的准单晶硅铸锭底部红区宽度可限制到约5mm左右，铸锭的少子寿命大于2μs；有效提高了准单晶硅锭的利用率。将本发明提供的准单晶锭切割成硅片，硅片中的杂质浓度较低，硅片的少子寿命较高，制成电池后的效率较高，其平均转换效率为18％～18.5％。

Description

一种使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚
技术领域
本发明属于准单晶硅铸锭领域，具体涉及一种使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚。
背景技术
太阳能作为可再生清洁能源，因其具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简单、资源广阔等其他常规能源所不具备的优点，已广泛应用在并网发电、民用发电、公共设施及一体化节能建筑等方面。而在太阳能发电领域，晶体硅光伏发电系统占据新能源光伏发电市场的主要地位。市场对影响光伏发电的原料——单/多晶硅的品质要求日益严格。
目前的准单晶铸造/多晶铸造过程中，由于高温下坩埚中的杂质如铁、氧、碳等会扩散进入硅锭，其中铁等金属杂质会严重降低硅锭的少子寿命，导致硅锭底部出现较宽的少子寿命小于2μs的区域，即红区。较宽的红区会导致制成的太阳电池片的效率大幅度降低，严重影响铸锭的利用率。
现有降低铸造准单晶硅锭/多晶硅锭底部红区宽度的方法主要有以下几种：1、采用高纯坩埚。2、采用高纯氮化硅涂层。3、采用高纯原料等。但是其降低硅锭底部红区宽度的效果都比较有限，而且采用高纯材料提高了铸锭成本。
如申请号为201610932534.7的中国专利申请，公开了一种具有高效隔绝性能的氮化硅涂层的制备方法，将其应用于多晶硅锭的铸造，铸锭开方时测试红区宽度底部最小为23mm；相比于传统的工业方法制得的硅锭的红区宽度20～28mm，效果并不理想，另外因其使用原料纯度很高，造成了高昂的生产成本。专利号为CN104651932B的中国专利公开了一种内壁设有石英砂涂层的多晶石英陶瓷坩埚，以其进行多晶硅铸锭，可有效减少石英陶瓷坩埚内部杂质元素想硅锭内部扩散，实验结果显示，多晶硅铸锭的红区宽度可降至10mm以下。
相比铸造多晶硅材料，铸造准单晶硅一般不含有晶界，位错密度明显降低，少子寿命较高，材料质量高于铸造多晶硅。因此，开发能够有效降低铸造准单晶硅锭红区宽度的方法对推动单晶硅的光伏应用，具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚，以其用于准单晶硅铸造可以有效降低硅锭底部红区宽度，提高准单晶硅锭的利用率。
一种使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚，所述坩埚的底座部内表面设有氮化硅涂层，氮化硅涂层上设有阻挡层，所述阻挡层为表面沉积有Al2O3薄膜的基片。
所述阻挡层的制备方法为：在基片上通过原子层沉积法(Atomic layerdeposition，ALD)沉积Al2O3薄膜，其工艺参数为：沉积温度为150～200℃、惰性气体压力为0.15～0.2torr，反应源的脉冲时间为0.015～0.025秒，沉积循环次数为100～300次。
所述的反应源为三甲基铝(TMA)和水。
所述阻挡层的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)预处理太阳能级单晶硅片；
(2)反应腔经排空气后充入惰性气体，控制气压为0.15～0.2torr，同时控制反应腔温度为150～200℃；
(3)顺序将TMA、水蒸汽以脉冲的方式进入反应腔，待反应完全后，惰性气体清扫，得到表面沉积有Al2O3薄膜的太阳能级单晶硅片，其中TMA脉冲时间为0.02～0.025s；水蒸汽脉冲时间为0.015～0.02s；沉积循环100～300次。
所述Al2O3薄膜的厚度为15～25nm。
所述的基体为太阳能级单晶硅片。这是因为太阳能级单晶硅片的纯度为99.9999％，为具有完整点阵结构的硅单晶，几乎无任何杂质，以其作为阻隔层的基片其具有沉积工艺成熟且不影响铸锭生长过程等优点。
本发明所用基片需经经标准RCA清洗、酸洗、水洗、干燥等预处理后使用。作为优选，酸洗过程中所用的酸为5～10％的稀氢氟酸。
所述阻挡层通过粘结剂粘结在氮化硅涂层上，作为优选，所述的粘结剂为硅溶胶。进一步优选为高纯硅溶胶。
所述阻挡层与所述铸锭用坩埚底部相适配，可根据铸锭用坩埚底部形状灵活调整。
本发明提供的铸锭用坩埚底部设置的阻挡层能够有效阻隔铸锭容器中的杂质向硅锭/硅熔体中输送，降低硅锭的红区宽度，提供准单晶硅锭的少子寿命，提高准单晶硅锭的利用率。
为便于铸锭脱模，铸锭坩埚底部设置阻挡层前可预先再设置一层氮化硅涂层。所述氮化硅涂层以喷涂方式涂覆于坩埚的底部内表面。
通过本发明提供的铸锭坩埚铸造的准单晶铸锭，其底部红区宽度低，少子寿命高。将本发明提供的准单晶锭切割成硅片，硅片中的杂质浓度较低，硅片的少子寿命较高，制成电池后的效率较高，其平均转换效率为18％～18.5％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
将本发明提供的铸锭坩埚用于准单晶铸锭的铸造，高效降低硅锭底部红区宽度，红区宽度可限制到约5mm左右，铸锭的少子寿命大于2μs；有效提高了准单晶硅锭的利用率。将其切片制成电池后的效率较高，其平均转换效率为18％～18.5％。
附图说明
图1为本发明实施例1中的使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚的结构示意图；
其中，1为坩埚本体，2为氮化硅涂层，3为阻挡层。
图2为本发明实施例2中制得的准单晶硅锭的少子寿命图。
具体实施方式
以下所述是本发明的优选实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理下，可以做出各种改进和变形，这些改进和变形也视为本发明的保护范围。
实施例1
(1)提供内径为175*175mm，高度为190mm的坩埚，在坩埚内底部涂氮化硅涂层，所述氮化硅涂层的厚度为40μm；
(2)在一块厚度0.2mm，规格为170*170mm的太阳能级单晶硅片；
(3)在上述太阳能级单晶硅片上ALD法在150℃下沉积Al2O3薄膜，并通过高纯硅溶胶粘贴在坩埚内底部；
ALD法的工艺参数为：沉积温度为150℃、氮气压力为0.15torr，其中TMA脉冲时间为0.02s；水蒸汽脉冲时间为0.015s；沉积循环125次；
所述Al2O3薄膜的厚度为15nm；
(4)然后在所述带有阻隔层坩埚内底部阻挡层上设置籽晶，再在籽晶上设置硅料后，经加热、熔化、长晶、退火、冷却得准单晶硅铸锭。
本实施例中坩埚的氮化硅涂层、阻挡层、籽晶及硅料的设置情况示意图如图1所所示。
本实施例所制得的准单晶硅锭的底部区域少子寿命大于2μs，红区宽度10mm。将本实施例制得的准单晶锭经一系列工序制得太阳电池的平均转换效率为18％。
实施例2
(1)提供内径为175*175mm，高度为190mm的坩埚，在坩埚内底部涂氮化硅涂层，所述氮化硅涂层的厚度为80μm；
(2)在一块厚度0.2mm，规格为170*170mm的太阳能级单晶硅片；
(3)在上述太阳能级单晶硅片上通过ALD法在200℃下沉积Al2O3薄膜，并通过高纯硅溶胶粘贴在坩埚内底部；
ALD法的工艺参数为：沉积温度为200℃、氮气压力为0.2torr，其中TMA脉冲时间为0.025s；水蒸汽脉冲时间为0.02s；沉积循环209次；
所述Al2O3薄膜的厚度为25nm；
(4)然后在所述带有阻隔层坩埚内底部阻挡层上设置籽晶，再在籽晶上设置硅料后，经加热、熔化、长晶、退火、冷却得160*160*131mm准单晶硅铸锭。
切除没有阻隔层保护的坩埚侧壁四周边皮及多晶区后的准单晶硅铸锭(80*80*131mm)的少子寿命图如图2所示，由图2可知，本实施例所制得的准单晶硅锭的底部区域少子寿命大于2μs，红区宽度5mm。将本实施例制得的准单晶锭经一系列工序制得太阳电池的平均转换效率为18.5％。
实施例3
(1)提供内径为175*175mm，高度为190mm的坩埚，在坩埚内底部涂氮化硅涂层，所述氮化硅涂层的厚度为40μm；
(2)在一块厚度0.2mm，规格为170*170mm的太阳能级单晶硅片；
(3)在上述太阳能级单晶硅片上通过ALD法在200℃下沉积Al2O3薄膜，并通过高纯硅溶胶粘贴在坩埚内底部；
ALD法的工艺参数为：沉积温度为200℃、氮气压力为0.15torr，其中TMA脉冲时间为0.02s；水蒸汽脉冲时间为0.015s；沉积循环167次；
所述Al2O3薄膜的厚度为20nm；
(4)然后在所述带有阻隔层坩埚内底部阻挡层上设置籽晶，再在籽晶上设置硅料后，经加热、熔化、长晶、退火、冷却得准单晶硅铸锭。
本实施例所制得的准单晶硅锭的底部区域少子寿命大于2μs，红区宽度5mm。将本实施例制得的准单晶锭经一系列工序制得太阳电池的平均转换效率为18.3％。

Claims (8)

1.一种使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚，其特征在于，所述坩埚的底座部内表面设有氮化硅涂层，氮化硅涂层上设有阻挡层，所述阻挡层为表面沉积有Al2O3薄膜的基片。
2.根据权利要求1所述的使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚，其特征在于，所述阻挡层的制备方法为：在基片上通过原子层沉积法沉积Al2O3薄膜，反应源为三甲基铝和水，原子层沉积法的工艺参数为：沉积温度为150～200℃、惰性气体压力为0.15～0.2torr，反应源的脉冲时间为0.015～0.025秒，沉积循环次数为100～300次。
3.根据权利要求1所述的使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚，其特征在于，所述Al2O3薄膜的厚度为15～25nm。
4.根据权利要求1所述的使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚，其特征在于，所述基片为太阳能级单晶硅片。
5.根据权利要求1所述的使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚，其特征在于，所述阻挡层通过粘结剂粘结在氮化硅涂层上。
6.根据权利要求5所述的使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚，其特征在于，所述的粘结剂为硅溶胶。
7.根据权利要求1所述的使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚，其特征在于，所述阻挡层与所述铸锭用坩埚底部相适配。
8.根据权利要求1所述的使用氧化铝薄膜作为阻挡层的准单晶硅铸锭用坩埚，其特征在于，所述氮化硅涂层以喷涂方式涂覆于坩埚底部内表面。
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