CN109161965A - 铸造类单晶制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铸造类单晶制备方法。上述铸造类单晶制备方法，制备时，先在坩埚底部均匀铺设一层含磷的掺杂剂，以形成掺杂剂层；然后在所述掺杂剂层上铺设一层类单晶籽晶，以形成引晶层，再将硅料和母合金依次填入所述坩埚内；最后将坩埚加热至预设温度，以使所述类单晶籽晶部分熔化，在熔化和长晶过程中，控制坩埚的温度，使引晶层的类单晶籽晶部分熔化，其中，在长晶过程中，坩埚底部的掺杂剂中的磷通过扩散进入长晶过程中底部已经长好的晶体中，拉低了铸造类单晶尾部的电阻率，使得铸造N型类铸造类单晶中的头部和尾部电阻率偏差不大，头尾电阻率分布更加均匀。

Description

铸造类单晶制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏技术领域，特别涉及一种铸造类单晶制备方法。

背景技术

铸造多晶硅是制备太阳能电池的主要材料之一，目前约占光伏市场的50％左右。传统的太阳能光伏技术中，掺硼的P型铸造多晶硅被广泛地应用于太阳能电池的制备。硼的分凝系数接近于1，所以电阻率分布较为均匀，且循环料容易处理使用。但掺硼硅片由于硼氧复合体的存在会在电池片后续使用中产生光致衰减。

这种光致衰减现象会导致太阳能电池的光电转换效率降低1-2％，这对太阳能电池光伏发电是非常不利的。通过磷取代硼制备的N型铸造多晶硅，可以避免硼氧复合体的生成，抑制光衰减现象。此外，N型铸造多晶硅对铁等过渡金属的耐受性比P型铸造多晶硅要好，所以一般情况下，N型铸造多晶硅具有更高的少数载流子寿命，这对制备高转换效率太阳能电池是非常有利的。

但是，在N型类铸造类单晶在铸锭过程中，在装料过程中，将N型母合金放入硅料中，进行熔化、铸锭，由于N型母合金中的P在硅中的分凝系数为0.35，这个分凝系数远小于1，使得N型类铸造类单晶的电阻率分布范围较广、离散度较大，导致在有效电阻率范围内的占比较小，N型类铸造类单晶的利用率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种铸造类单晶制备方法，以提供解决因现有的N型类铸造类单晶因电阻率分布范围较广、离散度较大，而N型类铸造类单晶的利用率低的问题。

一种铸造类单晶制备方法，包括：在坩埚底部均匀铺设一层含磷的掺杂剂，以形成一掺杂剂层；在所述掺杂剂层上铺设一层类单晶籽晶，以形成一引晶层；将硅料和母合金依次填入所述坩埚内；将坩埚加热至预设温度，以使所述类单晶籽晶部分熔化。

进一步地，所述掺杂剂包括磷粉和/或N型母合金。

进一步地，所述在坩埚底部铺设一层含磷的掺杂剂的步骤之前，所述方法还包括：在所述坩埚的内壁喷涂一层氮化硅涂层。

进一步地，所述将坩埚加热至预设温度的步骤之后，所述方法还包括：持续对所述坩埚加热并通过一个散热装置对其散热，使其保持所述预设温度。

进一步地，所述将硅料和母合金依次填入所述坩埚内的步骤包括：将所述坩埚三分之二的容积填入所述硅料后，再将所述母合金填入所述硅料的上端，所述母合金装填完成后，将剩余所述硅料继续装入所述坩埚中。

进一步地，所述将硅料和母合金依次填入所述坩埚内的步骤之前，所述方法包括：在所述坩埚内部标记填充位置。

进一步地，铺设的所述类单晶籽晶的宽度小于所述坩埚底部的宽度，且铺设的所述掺杂剂的宽度小于铺设的所述类单晶籽晶的宽度。

进一步地，所述类单晶籽晶平整铺设于所述坩埚的底部，且相邻两类单晶籽晶之间具有接缝，所述掺杂剂铺设于所述接缝中，以形成所述掺杂剂层。

上述铸造类单晶制备方法，制备时，先在坩埚底部均匀铺设一层含磷的掺杂剂，以形成掺杂剂层；然后在所述掺杂剂层上铺设一层类单晶籽晶，以形成引晶层，再将硅料和母合金依次填入所述坩埚内；最后将坩埚加热至预设温度，以使所述类单晶籽晶部分熔化，在熔化和长晶过程中，控制坩埚的温度，使引晶层的类单晶籽晶部分熔化，其中，在长晶过程中，坩埚底部的掺杂剂中的磷通过扩散进入长晶过程中底部已经长好的晶体中，拉低了铸造类单晶尾部的电阻率，使得铸造N型类铸造类单晶中的头部和尾部电阻率偏差不大，头尾电阻率分布更加均匀。

附图说明

图1为本发明第一实施例中的铸造类单晶制备方法的流程图；

图2为图2中的铸造类单晶制备方法的所使用的装置的剖面结构示意图；

图3为为本发明第二实施例中的铸造类单晶制备方法的流程图；

图4为现有的铸造类单晶的电阻率分布图；

图5为本发明的铸造类单晶制备方法制备的铸造类单晶的电阻率分布图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干个实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，利用半导体材料的光电转换特性，制备成太阳能电池，可以将太阳能转变为电能。在最近的十年中，太阳能电池的产量以每年30-40％的速度增长，太阳能产业成为目前市场上发展最快的产业之一。

铸造多晶硅是制备太阳能电池的主要材料之一，目前约占光伏市场的50％左右。传统的太阳能光伏技术中，掺硼的P型铸造多晶硅被广泛地应用于太阳能电池的制备。硼的分凝系数接近于1，所以电阻率分布较为均匀，且循环料容易处理使用。但掺硼硅片由于硼氧复合体的存在会在电池片后续使用中产生光致衰减。这种光致衰减现象会导致太阳能电池的光电转换效率降低1-2％，这对太阳能电池光伏发电是非常不利的。通过磷取代硼制备的N型铸造多晶硅，可以避免硼氧复合体的生成，抑制光衰减现象。此外，N型铸造多晶硅对铁等过渡金属的耐受性比P型铸造多晶硅要好，所以一般情况下，N型铸造多晶硅具有更高的少数载流子寿命，这对制备高转换效率太阳能电池是非常有利的。

在定向凝固法生长N型类单晶铸造时，由于磷的分凝系数是0.35，远小于1，所以在多晶硅铸锭生长完成以后，电阻率沿着硅锭生长方向分布离散度大(头部电阻率低，尾部电阻率高)。对于整个类铸造类单晶锭来说，在有效电阻率范围内的硅块较少，合格硅锭的比例较低。因此在进行N型类铸造类单晶在铸锭过程中，需要控制类单晶的纵向电阻率分布均匀，同时使头尾电阻率均处于有效电阻率范围内，以便提高铸造N型类单晶中的利用率。

请参阅图1和图2，本发明第一实施例提供的一种铸造类单晶制备方法，包括步骤S01至步骤S04。

步骤S01，在坩埚10底部均匀铺设一层含磷的掺杂剂，以形成掺杂剂层20。

具体的，在本实施例中，需要制备一种N型铸造类单晶，故使用含磷的掺杂剂，可以理解的，所述掺杂剂包括磷粉和/或N型母合金当中的任意一种。

步骤S02，在所述掺杂剂层20上铺设一层类单晶籽晶，以形成引晶层30。

可以理解的，类单晶籽晶起到常规的引晶作用，使熔化后的硅料按类单晶籽晶的结构重新排列。

步骤S03，将硅料和母合金依次填入所述坩埚10内。

具体的，将生产铸造类单晶的硅块的原料放入坩埚中，然后将母合金铺设在硅料上端，其中，母合金的类型为含磷的N型母合金，其中，所述将硅料和母合金依次填入所述坩埚内的步骤包括：将所述坩埚三分之二的容积填入所述硅料后，再将母合金填入所述硅料的上端，所述母合金装填完成后，将剩余所述硅料继续装入所述坩埚10中，实现基本的铸锭。

步骤S04，将坩埚10加热至预设温度，以使所述类单晶籽晶部分熔化。

具体的，将坩埚加热至1550摄氏度左右，以使坩埚内的硅料热熔，进而在类单晶籽晶的引导下重新结晶，其中，因为硅的熔点都是一样的，只是要控制坩埚10内的温度梯度，加上熔化测量，确保类单晶籽晶部分被熔化。当确认类单晶籽晶部分被熔化后，由熔化跳转长晶阶段，在未被熔化的类单晶籽晶之上进行长晶，完成铸造类单晶的制备。

上述铸造类单晶制备方法，制备时，先在坩埚10底部均匀铺设一层含磷的掺杂剂；然后在所述掺杂剂层20上铺设一层类单晶籽晶，再将硅料和母合金依次填入所述坩埚内；最后将坩埚10加热至预设温度，以使所述类单晶籽晶部分熔化，在熔化和长晶过程中，控制底部籽晶部分熔化，其中，在长晶过程中，坩埚10底部的掺杂剂中的磷通过扩散进入长晶过程中底部已经长好的晶体中，拉低了铸造类单晶尾部的电阻率，硅料上端的母合金融化后扩散进入硅料的上端，使得铸造N型类铸造类单晶中的头部和尾部电阻率偏差不大，头尾电阻率分布更加均匀，进而提高了铸造类单晶的利用率。

具体的，在本实施例中，所述在坩埚10底部铺设一层含磷的掺杂剂的步骤之前，所述方法还包括：在所述坩埚10的内壁喷涂一层氮化硅涂层，以将坩埚10的本体与硅料、掺杂剂层、类单晶籽晶、母合金等材料隔绝。

在本发明的一个实施方式中，可以在所述将硅料和母合金依次填入所述坩埚内的步骤之前，在所述坩埚内部标记填充位置，例如刻度标记，所述填充位置从所述坩埚10的开口处竖直延伸至所述坩埚10内部，以便作业人员把控装填硅料和母合金的位置，且通过将填充位置设置在坩埚10内部的上侧，硅料和母合金加热后熔化，并向下沉积，沾染填充位置的标记，进而避免损坏填充位置的标记。

具体的，所述引晶层30的宽度小于所述坩埚10底部的宽度，且所述掺杂剂层30的宽度小于所述引晶层30的宽度，以满足引晶要求。

请参阅图3，本发明第二实施例提供的铸造类单晶制备方法，包括步骤S101至步骤S105。

步骤S101，在坩埚10底部均匀铺设一层含磷的掺杂剂，以形成掺杂剂层20。

步骤S102，在所述掺杂剂层20上铺设一层类单晶籽晶，以形成引晶层30。

步骤S103，将硅料和母合金依次填入所述坩埚10内。

步骤S104，将坩埚10加热至预设温度，以使所述类单晶籽晶部分熔化。

步骤S105，持续对所述坩埚10加热并通过一个散热装置对其散热，使其保持所述预设温度。

具体的，可以通过一个温控组件使坩埚10保持预设温度，避免类单晶籽晶继续熔化，所述温控组件包括温度检测元件和散热元件，具体的，温度检测元件可以为测温热电偶，散热元件可以为隔热笼，通过控制隔热笼是的提升和下降，实现坩埚10内的梯度加热，进而实现类单晶籽晶的部分熔化，通过上述方法，使类单晶籽晶层(引晶层30)不会完全熔化，避免掺杂剂层20的掺杂剂直接与硅料接触，影响引晶效果。

在本发明的一个实施方式中，还可以将所述类单晶籽晶平铺设于所述坩埚10的底部，相邻两类单晶籽晶之间具有接缝，所述掺杂剂铺设于接缝中，以形成所述掺杂剂层20，通过上述结构设计，在制备铸造类单晶时，掺杂剂层20可以通过接缝快速渗入硅料中。

请参阅图4和图5，通过以上实验方案进行实验，对N型铸造类单晶的电阻率进行实测，实验前，电阻率尾部最高为1.5Ωcm，而通过该专利的方案进行实验，电阻率尾部最高为1.25Ωcm，本专利的实验结果，使得铸造类单晶的头尾电阻率分布更加均匀。

可以根据实验设计及对硅片的电阻率需求，可以设计不同的电阻率，不一定只局限于1.25Ωcm。

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本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 (8)

1.一种铸造类单晶制备方法，其特征在于，包括：

在坩埚底部铺设一层含磷的掺杂剂，以形成一掺杂剂层；

在所述掺杂剂层上铺设一层类单晶籽晶，以形成一引晶层；

将硅料和母合金依次填入所述坩埚内；

将坩埚加热至预设温度，以使所述类单晶籽晶部分熔化。

2.根据权利要求1所述的铸造类单晶制备方法，其特征在于，所述掺杂剂包括磷粉和/或N型母合金。

3.根据权利要求1所述的铸造类单晶制备方法，其特征在于，所述在坩埚底部铺设一层含磷的掺杂剂的步骤之前，所述方法还包括：在所述坩埚的内壁喷涂一层氮化硅涂层。

4.根据权利要求1所述的铸造类单晶制备方法，其特征在于，所述将坩埚加热至预设温度的步骤之后，所述方法还包括：持续对所述坩埚加热并通过一个散热装置对其散热，使其保持所述预设温度。

5.根据权利要求1所述的铸造类单晶制备方法，其特征在于，所述将硅料和母合金依次填入所述坩埚内的步骤包括：将所述坩埚三分之二的容积填入所述硅料后，再将所述母合金填入所述硅料的上端，所述母合金装填完成后，将剩余所述硅料继续装入所述坩埚中。

6.根据权利要求1所述的铸造类单晶制备方法，其特征在于，所述将硅料和母合金依次填入所述坩埚内的步骤之前，所述方法包括：在所述坩埚内部标记填充位置，所述填充位置从所述坩埚的开口处竖直延伸至所述坩埚内部。

7.根据权利要求1所述的铸造类单晶制备方法，其特征在于，铺设的所述类单晶籽晶的宽度小于所述坩埚底部的宽度，且铺设的所述掺杂剂的宽度小于铺设的所述类单晶籽晶的宽度。

8.根据权利要求1所述的铸造类单晶制备方法，其特征在于，所述类单晶籽晶平整铺设于所述坩埚的底部，且相邻两类单晶籽晶之间具有接缝，所述掺杂剂铺设于所述接缝中，以形成所述掺杂剂层。