一种缓冲式多晶硅籽晶铸锭熔化结晶工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种缓冲式多晶硅籽晶铸锭熔化结晶工艺，包括如下步骤：(1)多晶硅籽晶装料阶段；(2)多晶硅籽晶铸锭熔化阶段；(3)多晶硅籽晶长晶阶段。本发明专利技术通过对不同硅锭降温速率工艺进行了研究，探索了低缺陷密度硅锭制备工艺。同时，为了减少籽晶层局部过熔对硅锭性能的影响，减少硅锭的红区体积，降低硅片生产成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于多晶硅的制备领域，具体涉及一种缓冲式多晶硅籽晶铸锭熔化结晶工艺。
技术介绍
多晶硅是目前应用最为广泛的太阳能材料。近年来，多晶硅材料制备技术的进步已经使得标准多晶硅工艺制备的量产高效多晶硅电池的转换效率达到了17.8％-18％。但是，多晶硅电池的转换效率还不能满足人们对电池转换效率和成本的要求，这对多晶硅硅片材料提出了更高的要求：降低硅片的缺陷密度来提高硅片质量，降低硅片生产成本。热应力是产生缺陷的重要因素之一，过快的晶体凝固速率将导致晶体中大量的热应力无法释放，这不仅仅导致硅锭中产生大量的晶体缺陷，而且这些缺陷会成为杂质的吸附中心，这进一步了降低硅片中载流子寿命。因此，需要对硅锭制备技术进行研究，降低硅锭缺陷密度。降低硅片成本方法之一是提高硅锭的有效切片数量。硅锭中的红区是指在硅锭制备过程中形成的少子寿命低于2μs的区域。红区是硅锭中的无效区域，必须被去除，因此，红区的体积影响了硅锭的有效切片数，这是决定硅片生产成本高低的重要因素之一。研究降低红区体积的硅锭制备技术显得十分重要。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种缓冲式多晶硅籽晶铸锭熔化结晶工艺。技术方案：一种缓冲式多晶硅籽晶铸锭熔化结晶工艺，包括如下步骤：(1)多晶硅籽晶装料阶段：步骤a、在坩埚底部铺设一层多晶硅块作为定向凝铸半熔工艺的籽晶层；步骤b、在籽晶层上码放小颗粒原生多晶硅料和细小多晶硅碎片，作为缓冲层；步骤c、在缓冲层上交错叠加放置多层多晶硅晶砖，作为阻挡层，所述阻挡层的中心处共使用25块晶砖，边侧各用晶砖填满；步骤d、使用小颗粒原生多晶硅料将上述步骤中的交错叠加放置的多层多晶硅晶砖中的缝隙填满；步骤e、在阻挡层上逐层码放如下硅料：菜籽料、原生多晶硅料、头尾及边皮料，直至堆放硅料高出坩埚100-120mm；(2)多晶硅籽晶铸锭熔化阶段：装料完成后，首先将炉腔抽真空到腔体压力降至0.008mbar以下，然后开始加热熔化硅料，熔料过程采取功率控制的方式，快速将炉内的温度升至1150℃-1250℃，去除附着在硅料内的水分及油脂后，继续将硅料熔化温度提升至1500℃-1600℃，进行硅料熔化，熔料过程的时间为1200-1300分钟，使用石英棒测量熔化高度，直至籽晶呈现半熔状态；熔化结束后，缓慢向上提升隔热笼，进入长晶阶段；(3)多晶硅籽晶长晶阶段：设定所用铸锭炉的硅锭底部最终长晶温度为930℃-1050℃，降温速率α为0.146-0.186，即可开始进入长晶阶段，随着温度的下降，晶体硅自下而上地生长成柱状晶，直至柱状晶体完成生长。作为优化：所述步骤a中的籽晶层厚度为12-18mm。作为优化：所述步骤b中的缓冲层的填充高度为100-150mm。作为优化：所述步骤c中多晶硅晶砖的长、宽、高分别为156mm、156mm、30-40mm。作为优化：所述坩埚内侧壁上设有多晶硅晶砖作为保护层。有益效果：本专利技术通过对不同硅锭降温速率工艺进行了研究，探索了低缺陷密度硅锭制备工艺。同时，为了减少籽晶层局部过熔对硅锭性能的影响，减少硅锭的红区体积，降低硅片生产成本。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；其中：1籽晶层，2缓冲层，3阻挡层，4硅料，5保护层，6坩埚；图2是本专利技术中的不同结晶降温速率工艺曲线示意图；图3是本专利技术为硅锭剖面的少子寿命与不同α的关系示意图，其中：(a)α1＝0.507；(b)α2＝0.369；(c)α3＝0.166；图4是本专利技术为不同α值对硅锭缺陷密度的影响示意图；图5是本专利技术中的不同α值对应硅锭制备的太阳能电池转换效率分布与比例关系图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。具体实施例如图1所示，一种缓冲式多晶硅籽晶铸锭熔化结晶工艺，包括如下步骤：(1)多晶硅籽晶装料阶段：步骤a、在坩埚6底部铺设一层多晶硅块作为定向凝铸半熔工艺的籽晶层1，籽晶层1厚度为12-18mm；步骤b、在籽晶层1上码放小颗粒原生多晶硅料和细小多晶硅碎片，作为缓冲层2，缓冲层2的填充高度为100-150mm；步骤c、在缓冲层2上交错叠加放置多层多晶硅晶砖，作为阻挡层3，所述阻挡层3的中心处共使用25块晶砖，边侧各用晶砖填满；所述多晶硅晶砖的长、宽、高分别为156mm、156mm、30-40mm；步骤d、使用小颗粒原生多晶硅料将上述步骤中的交错叠加放置的多层多晶硅晶砖中的缝隙填满；步骤e、在阻挡层3上逐层码放如下硅料4：菜籽料、原生多晶硅料、头尾及边皮料，直至堆放硅料高出坩埚100-120mm；所述坩埚6内侧壁上设有多晶硅晶砖作为保护层5。(2)多晶硅籽晶铸锭熔化阶段：装料完成后，首先将炉腔抽真空到腔体压力降至0.008mbar以下，然后开始加热熔化硅料，熔料过程采取功率控制的方式，快速将炉内的温度升至1150℃-1250℃，去除附着在硅料内的水分及油脂后，继续将硅料熔化温度提升至1500℃-1600℃，进行硅料熔化，熔料过程的时间为1200-1300分钟，使用石英棒测量熔化高度，直至籽晶呈现半熔状态；熔化结束后，缓慢向上提升隔热笼，进入长晶阶段；(3)多晶硅籽晶长晶阶段：设定所用铸锭炉的硅锭底部最终长晶温度为930℃-1050℃，降温速率α为0.146-0.186，即可开始进入长晶阶段，随着温度的下降，晶体硅自下而上地生长成柱状晶，直至柱状晶体完成生长。(4)得到晶柱的主要性能参数的测定与分析：硅锭开方后，得到36个晶柱，测定晶柱性能的主要测试参数，具体包括：缺陷密度、少子寿命、红外扫描；其中，缺陷密度由光致发光测试(PL)得到，采用的是匈牙利Semilab的PLI-200PL测试仪；少子寿命采用匈牙利SemilabWT2000测试仪；红外扫描采用美国IRB50红外探伤测试仪；对上述性能参数进行研究分析。本专利技术研究了降温速率对硅锭性能的影响。根据晶体结晶的原理，晶体生长过程中结晶温度基本保持恒定，因此，实际铸锭过程中，硅锭的固液面处熔体一侧的温度可以看作是一个恒定值(Tm)。凝固速度与熔体和固体中的温度梯度有关，由于多晶铸锭炉顶部温度一般保持恒定，所以对于多晶硅铸锭过程来说，在某个时刻，当硅锭底部温度发生变化时，熔体温度梯度可以看作不变。因此，温度降低引起凝固速度的改变可以看作是由固体的温度梯度变化引起的。由于结晶速度较慢，每个单一时刻晶体的生长速度有限，因此，为了方便研究晶体的生长过程中降温速率对于晶体生长的影响。本文研究了长晶降温平均速率对硅锭生长质量的影响，设硅锭平均降温速率为α：其中Ts为硅锭开始降温时底部温度，Te为硅锭晶体生长完成时底部温度，t为硅锭长晶时间。图2所示为不同结晶降温速率工艺曲线示意图。硅锭底部长晶最终温度为930℃、980℃和1050℃，硅锭长晶总时长分别为2337分钟、2465分钟、2250分钟。根据降温工艺曲线计算得到降温速率α分别为0.5069，0.3691，0.1656；α越小，硅锭降温速率越慢。少子寿命是衡量硅锭结晶质量的重要指标之一。少子寿命是指少数载流子浓度降低到1/e浓度所需要的时间，是标志太阳能电池优劣的重要指标，少子寿命低意味着太阳能电池的转换效率低。因此，通常制锭完成后，会对硅锭的少子寿命进行测试，定义出硅锭的顶部和底部的红区，所谓红区是指在硅锭底部和顶部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种缓冲式多晶硅籽晶铸锭熔化结晶工艺，其特征在于：包括如下步骤：(1)多晶硅籽晶装料阶段：步骤a、在坩埚(6)底部铺设一层多晶硅块作为定向凝铸半熔工艺的籽晶层(1)；步骤b、在籽晶层(1)上码放小颗粒原生多晶硅料和细小多晶硅碎片，作为缓冲层(2)；步骤c、在缓冲层(2)上交错叠加放置多层多晶硅晶砖，作为阻挡层(3)，所述阻挡层(3)的中心处共使用25块晶砖，边侧各用晶砖填满；步骤d、使用小颗粒原生多晶硅料将上述步骤中的交错叠加放置的多层多晶硅晶砖中的缝隙填满；步骤e、在阻挡层(3)上逐层码放如下硅料(4)：菜籽料、原生多晶硅料、头尾及边皮料，直至堆放硅料高出坩埚100‑120mm；(2)多晶硅籽晶铸锭熔化阶段：装料完成后，首先将炉腔抽真空到腔体压力降至0.008mbar以下，然后开始加热熔化硅料，熔料过程采取功率控制的方式，快速将炉内的温度升至1150℃‑1250℃，去除附着在硅料内的水分及油脂后，继续将硅料熔化温度提升至1500℃‑1600℃，进行硅料熔化，熔料过程的时间为1200‑1300分钟，使用石英棒测量熔化高度，直至籽晶呈现半熔状态；熔化结束后，缓慢向上提升隔热笼，进入长晶阶段；(3)多晶硅籽晶长晶阶段：设定所用铸锭炉的硅锭底部最终长晶温度为930℃‑1050℃，降温速率α为0.146‑0.186，即可开始进入长晶阶段，随着温度的下降，晶体硅自下而上地生长成柱状晶，直至柱状晶体完成生长。...

【技术特征摘要】
1.一种缓冲式多晶硅籽晶铸锭熔化结晶工艺，其特征在于：包括如下步骤：(1)多晶硅籽晶装料阶段：步骤a、在坩埚(6)底部铺设一层多晶硅块作为定向凝铸半熔工艺的籽晶层(1)；步骤b、在籽晶层(1)上码放小颗粒原生多晶硅料和细小多晶硅碎片，作为缓冲层(2)；步骤c、在缓冲层(2)上交错叠加放置多层多晶硅晶砖，作为阻挡层(3)，所述阻挡层(3)的中心处共使用25块晶砖，边侧各用晶砖填满；步骤d、使用小颗粒原生多晶硅料将上述步骤中的交错叠加放置的多层多晶硅晶砖中的缝隙填满；步骤e、在阻挡层(3)上逐层码放如下硅料(4)：菜籽料、原生多晶硅料、头尾及边皮料，直至堆放硅料高出坩埚100-120mm；(2)多晶硅籽晶铸锭熔化阶段：装料完成后，首先将炉腔抽真空到腔体压力降至0.008mbar以下，然后开始加热熔化硅料，熔料过程采取功率控制的方式，快速将炉内的温度升至1150℃-1250℃，去除附着在硅料内的水分及油脂后，继续将硅料熔化温度提升至1500℃-1600℃，进行硅料熔...

【专利技术属性】
技术研发人员：王强，林凡，邓洁，陈云，朱海峰，章国安，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32