TWI785254B - 矽晶碇及其製造方法與鋰電池的負極材料 - Google Patents

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Abstract

一種矽晶碇及其製造方法與鋰電池的負極材料。所述矽晶碇的製造方法包括以下步驟。於加熱裝置中排列多個矽晶種，其中每一所述矽晶種的缺陷比例大於或等於1%。於所述矽晶種上放置矽原料。對所述矽晶種與所述矽原料進行加熱，直到所述矽原料熔化為矽熔體。對所述矽熔體進行降溫，以使所述矽熔體固化為矽晶碇。

Description

矽晶碇及其製造方法與鋰電池的負極材料
本發明是有關於一種矽晶碇及其製造方法與鋰電池的負極材料。
目前半導體或太陽能產業所需的矽晶錠通常需要具有良好的品質（低缺陷比例），以利於半導體元件或太陽能電池的製造。矽晶錠的製造方法一般是先將矽晶種鋪設於坩鍋中，再將矽原料鋪設於矽晶種上。然後，進行加熱，以使坩鍋中的矽原料熔化而形成矽熔體（或可稱為矽熔湯）。之後，對矽熔體進行降溫，以使矽熔體自下部往上固化而形成為矽晶錠。
為了形成具有良好品質的矽晶錠，通常會將低缺陷比例（小於1%）的矽晶種鋪設於坩鍋中，並且使矽晶種之間的晶界（boundary）數量盡可能減少（通常使晶界數量小於4）。如此一來，後續所形成的矽晶錠即可具有相當低的缺陷比例。然而，當此種低缺陷比例的矽晶錠研磨為矽顆粒來作為鋰電池的負極材料時，由於其本身的材料特性，在充放電時會發生大幅度的體積變化，導致矽顆粒內部的應力無法釋放而導致破裂，使其喪失續電能力，因此難以作為鋰電池的負極材料。
本發明提供一種矽晶碇的製造方法，其使用缺陷比例大於或等於1%的矽晶種。
本發明提供一種矽晶碇，其由上述的製造方法所製造。
本發明提供一種鋰電池的負極材料，其包括由上述的矽晶碇製造的矽顆粒。
本發明的矽晶碇的製造方法包括以下步驟。於加熱裝置中排列多個矽晶種，其中每一所述矽晶種的缺陷比例大於或等於1%。於所述矽晶種上放置矽原料。對所述矽晶種與所述矽原料進行加熱，直到所述矽原料熔化為矽熔體。對所述矽熔體進行降溫，以使所述矽熔體固化為矽晶碇。
在本發明的矽晶碇的製造方法的一實施例中，相鄰的兩個所述矽晶種的晶向夾角大於0度且小於或等於5度。
在本發明的矽晶碇的製造方法的一實施例中，相鄰的兩個所述矽晶種之間具有晶界，且在所述排列之後產生數量大於或等於4的晶界。
在本發明的矽晶碇的製造方法的一實施例中，每一所述矽晶種的形狀為多邊形。
在本發明的矽晶碇的製造方法的一實施例中，每一所述矽晶種的形狀為四邊形。
在本發明的矽晶碇的製造方法的一實施例中，每一所述矽晶種的每一邊長大於或等於5公分。
在本發明的矽晶碇的製造方法的一實施例中，所述矽晶種的材料包括單晶矽、多晶矽或類單晶矽。
本發明的矽晶碇包括由上述矽晶碇的製造方法所製造。
本發明的鋰電池的負極材料包括由上述矽晶碇製造的多個矽顆粒。
在本發明的鋰電池的負極材料的一實施例中，所述多個矽顆粒的缺陷比例大於或等於5%。
基於上述，本發明使用缺陷比例大於或等於1%的矽晶種來製造矽晶碇，因此所形成的矽晶碇可具有較高的缺陷比例。此外，由於上述的矽晶碇具有較高的缺陷比例，因此適於作為鋰電池的負極材料。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
下文列舉實施例並配合所附圖式來進行詳細地說明，但所提供的實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為了方便理解，在下述說明中相同的元件將以相同的符號標示來說明。另外，關於文中所使用「包含」、「包括」、「具有」等等用語，均為開放性的用語，也就是指「包含但不限於」。再者，文中所提到的方向性用語，例如「上」、「下」等，僅是用以參考圖式的方向，並非用來限制本發明。
圖1為依照本發明實施例的矽晶碇的製造方法的流程圖。在本實施例中，所提及的數量與形狀僅用以具體地說明本發明以便於了解其內容，而非用以限定本發明。
在本發明中，藉由於加熱裝置中鋪設缺陷比例大於或等於1%的矽晶種，可形成具有較高缺陷比例的矽晶碇。上述的矽晶碇可藉由將這些缺陷作為緩衝區域而具有可承受體積膨脹收縮特性，以適於作為鋰電池的負極材料。此外，本發明亦可進一步藉由特定的矽晶種排列方式來使得所形成的矽晶碇具有較高缺陷比例。
首先，在步驟100中，提供具有缺陷比例大於或等於1%的矽晶種。在本實施例中，缺陷比例是指在矽晶種中具有缺陷的面積占矽晶種的總面積的比例。此外，在本實施例中，「缺陷」是指矽晶種本質上的缺陷，亦即晶格排列所造成的差排（dislocation），並非外觀上的破損、空穴等缺陷。另外，在本實施例中，矽晶種的材料可以是單晶矽、多晶矽或類單晶矽，本發明不對此作特別限定。在本實施例中，矽晶種的形狀為多邊形，例如三角形、四邊形等，本發明不對此作特別限定。
特別一提的是，為了避免本實施例所使用的矽晶種與一般的碎料混淆，本實施例的矽晶種具有一定長度的邊長。舉例來說，每一個矽晶種的每一邊長例如為5公分或大於5公分。
接著，在步驟102中，將上述矽晶種排列於加熱裝置中。加熱裝置例如是一般矽晶碇製程中所使用的坩鍋。在本實施例中，將矽晶種以陣列的方式排列於坩鍋的底部。詳細地說，如圖2所示，將四邊形（例如正方形）的矽晶種200以6×6的方式鋪設於坩鍋的底部。此外，相鄰的兩個矽晶種200之間具有晶界202，且因此圖2所示的排列方式產生了60個晶界。另外，相鄰的兩個矽晶種200的晶向夾角大於0度且小於或等於5度。
在上述的排列方式中，由於以相鄰的兩個矽晶種的晶向夾角大於0度且小於或等於5度的方來進行排列且產生了數量大於或等於4的晶界，因此可使得後續所形成的矽晶碇具有較高缺陷比例。詳細地說，當相鄰的兩個矽晶種的晶向夾角大於0度且小於或等於5度時，可使得所形成的矽晶碇具有因差排而造成的缺陷。此外，當在鋪設矽晶種之後產生數量大於或等於4的晶界時，可藉由晶界間的應力而使得得所形成的矽晶碇具有較高的缺陷比例。
換句話說，在本發明中，只要所使用的矽晶種具有大於或等於1%的缺陷比例即可形成具有較高缺陷比例的矽晶碇，且在排列矽晶種時只要晶向夾角與晶界數量符合上述條件即可進一步地提高所形成的矽晶碇的缺陷比例。
然後，進行一般熟知的後續製程步驟。舉例來說，在步驟104中，於矽晶種上放置所需量的矽原料。在步驟106中，對坩鍋中的矽晶種與矽原料進行加熱，直到矽原料熔化為矽熔體。在此步驟中，可控制為僅有矽原料全部熔化，或是控制為矽原料全部熔化而矽晶種部分熔化或全部熔化。在步驟108中，對矽熔體進行降溫，以使矽熔體自下部往上固化為矽晶碇。如此一來，即可形成本發明的具有較高缺陷比例的矽晶碇。此外，由於矽熔體自下部往上固化為矽晶碇，因此所形成的矽晶碇自下部往上具有增加的缺陷比例。上述步驟106與步驟108為本領域技術人員所熟知的技術手段，於此不另外進行詳細說明。
以下將以實驗例與比較例來製造矽晶碇並作說明，且相關數據呈現於表1中。
實驗例1：以6×6的方式排列缺陷比例大於或等於1%的矽晶種（單晶矽，晶向為(100)，相鄰晶種的晶向夾角大於0度且小於1度，邊長為15.6公分的正方形形狀，缺陷比例為10%）。
比較例1：採用高效多晶製程（使用邊長小於1公分的細碎料作為晶種，進行加熱製程以使晶種呈半熔狀態）。
比較例2：採用傳統多晶製程（使用任意邊長的矽原料，進行加熱製程以使矽原料呈全熔狀態）。
比較例3：採用類單晶製程（使用邊長大於5公分且缺陷比例小於1%的單晶矽晶種，進行加熱製程以使晶種呈半熔狀態）。
表1
  矽晶碇的晶體高度 （mm） 20 60 100 140 180 210 250
比較例1 矽晶碇的缺陷比例 （%） 1 2 3 4 7 9 11
比較例2 1 5 10 18 22 28 30
比較例3 1 3 8 22 30 35 40
實驗例1 10 16 22 30 40 45 50
由表1可以看出，相較於以一般方式製造的矽晶碇（比較例1、比較例2、比較例3），以本發明的製造方法所形成的矽晶碇（實驗例1）在不同的高度區域中皆具有明顯較高的缺陷比例。
本發明使用缺陷比例大於或等於1%的矽晶種來製造矽晶碇，因此所形成的矽晶碇可具有較高的缺陷比例。由於矽晶碇中的這些缺陷可作為緩衝區域而使得矽晶碇在膨脹收縮時不會損壞甚至破裂，因此可應用於需要具有可承受體積膨脹收縮特性的材料的元件中，例如作為鋰電池的負極材料。
此外，對於一般因缺陷比例過高而報廢的矽晶種或矽晶碇來說，本發明可以回收使用這些報廢材料，以達到降低成本以及解決庫存堆積的效果。
另外，作為鋰電池的負極材料，通常須採用具有可承受體積膨脹收縮特性的材料，以避免鋰電池的負極在充放電的過程中因體積膨脹收縮而損壞。因此，本發明的矽晶碇適於作為鋰電池的負極材料。
在形成本發明的矽晶碇之後，將矽晶碇研磨為粒徑界於0.1 μm至50 μm的矽顆粒。由於矽顆粒的缺陷比例與矽晶碇的缺陷比例呈正比，因此這些矽顆粒的缺陷比例可大於或等於5%。之後，將這些矽顆粒應用於鋰電池的負極材料並採用一般的鋰電池負極製程，以形成具有高可靠度的鋰電池負極。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、102、104、106、108:步驟 200:矽晶種 202:晶界
圖1為依照本發明實施例的矽晶碇的製造方法的流程圖。 圖2為鋪設於坩鍋底部的矽晶種的上是示意圖。
200:矽晶種
202:晶界

Claims (7)

  1. 一種矽晶碇的製造方法，包括：於加熱裝置中排列多個矽晶種，其中每一所述矽晶種的缺陷比例大於或等於1%；於所述矽晶種上放置矽原料；對所述矽晶種與所述矽原料進行加熱，直到所述矽原料熔化為矽熔體；對所述矽熔體進行降溫，以使所述矽熔體固化為矽晶碇，其中所述矽晶錠的缺陷比例大於或等於10%。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的矽晶碇的製造方法，其中相鄰的兩個所述矽晶種的晶向夾角大於0度且小於或等於5度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的矽晶碇的製造方法，其中相鄰的兩個所述矽晶種之間具有晶界，且在所述排列之後產生數量大於或等於4的晶界。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的矽晶碇的製造方法，其中每一所述矽晶種的形狀為多邊形。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的矽晶碇的製造方法，其中每一所述矽晶種的形狀為四邊形。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的矽晶碇的製造方法，其中每一所述矽晶種的每一邊長大於或等於5公分。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的矽晶碇的製造方法，其中所述矽晶種的材料包括單晶矽、多晶矽或類單晶矽。
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