一种高成品率铸造单晶硅生长方法和热场结构技术

本发明专利技术公开了一种高成品率的铸造单晶硅生长方法：将籽晶固定于籽晶夹持机构上，对热场中的硅料加热熔化，保持籽晶和顶部塑型加热器的高度位于硅料溶体液面以上；硅料熔化完成后，籽晶夹持架构引导籽晶籽晶浸入硅料熔体液面以下；当硅料熔体液面下籽晶部分熔化，形成新的固液界面后籽晶夹持机构向上提拉，硅料熔体从籽晶面向下结晶形成晶锭；在籽晶夹持机构向上提拉过程中，热场的顶部散热门向两边打开，顶部塑型加热器随硅料熔体液面下移；结晶过程完成后，保持顶部散热门为最大开口，分离籽晶，取出晶锭。本发明专利技术还公开了一种采用上述方法的热场结构。该方法和热场结构可以减少铸造单晶硅晶锭头、尾及边片的低少子红区截断量，提高产品合格率。

A Growth Method and Thermal Field Structure of High Yield Cast Monocrystalline Silicon

【技术实现步骤摘要】
一种高成品率铸造单晶硅生长方法和热场结构
本专利技术涉及一种太阳能硅材料的
，特别是一种高成品率铸造单晶硅生长方法和热场结构。
技术介绍
太阳能资源丰富、分布广泛，是最具发展潜力的可再生能源。太阳能光伏发电因其环境友好、转换高效、安装便利等优点成为最重要的太阳能利用方式之一。且在中国光伏行业的共同努力下，近十年光伏发电的度电成本已经基本接近传统火力的上网电价。在可以预见的将来，光伏发电的应用市场将进一步快速扩张。单晶硅片和多晶硅片是光伏电池制作的两种基本载体。由提拉法(Cz)生长、切割而来的单晶硅片由于晶体缺陷少、少子寿命高、品质稳定而备受高效电池工艺产线的青睐。多晶硅片，尽管晶体品质比单晶硅片低，但由于晶锭产能大、单位能耗低、对硅料的要求不高，硅片性价比高等特点，在过去的几年中，一直占据一半以上的市场份额，是最主要的光伏电池基地材料。为缩小多晶硅片与单晶硅片的性能差异，在过去几年，通过热场和工艺的调整，开发出铸锭半熔工艺，其工艺特点是在坩埚底部首先铺设用于引导晶体生长的籽晶，在投入其它硅料到坩埚中。在硅料熔化阶段，通过热场和工艺保持籽晶部分熔化，之后晶体自籽晶上从下而上完成定向凝固。使用颗粒料作籽晶则生产以小晶粒为特征的高效多晶工艺，以单晶硅块作籽晶生长则生长外观类似单晶的铸造单晶硅。以小晶粒为特征的高效多晶，自大批量应用至今，中间虽经历热场尺寸的不断发展(G5升级至目前的G8)，整体性能基本稳定，与单晶硅片的电池转换效率始终有1％～1.5％(绝对值)的差距，难以突破。集合了铸锭和Cz单晶的铸造单晶硅工艺，其中的部分硅片，由于缺陷密度低，晶向一致可采用和Cz单晶硅片一样的碱制绒电池工艺，取得与Cz单晶基本相当的电池转换效率(差别<0.5％)，因而采用Cz单晶诱导生长的铸造单晶硅工艺被认为是下一代太阳能硅材料最为重要的发展方向。相比较同样采用半熔工艺的高效多晶来说，铸造单晶硅工艺的难点在于：1)在熔化阶段通过热场和工艺设计，使得籽晶(Cz单晶)的部分熔化；2)通过热场的优化设计，减少固液界面中心和边缘的差值，减少Cz单晶的使用量以降低成本；3)籽晶处理基础，减少籽晶拼缝处晶体缺陷的产生和增殖；4)热场结构的优化，减少坩埚壁晶粒形核以及向晶体内部的生长，破坏类单晶的晶体结构，降低铸造单晶硅的合格率；5)铸造单晶硅生长过程中，晶体内部缺陷的产生与增殖控制；6)晶锭底部、头部、边缘低少子红区的截断而对产品合格率的降低。为得到100％外观为类单晶的硅片，厂家通常采用大坩埚，增加晶锭边缘的截除量的方案，这进一步造成铸造单晶硅成品率的下降。根据测算，不考虑晶体生长过程中由于缺陷造成的晶体成品率下降，铸造单晶硅产品合格率也仅介于45％～60％区间，较普通高效多晶降低10％～20％，使得铸造单晶硅的加工成本显著上升，是制约铸造单晶硅工艺的大批量应用的重要原因之一。专利CN102732947B在传统铸造单晶硅半熔工艺所采用的热场结构基础上，提出增加移动时侧加热器的结构设计，目的在于抑制坩埚壁面新晶核的形成和晶体向内的生长。在铸造单晶硅生长过程中，减少了晶锭侧边的截断量，提高晶锭的收益。但对质量占总装料量25％左右的晶锭头部和尾部低少子红区无法做出改善，这也是传统法铸锭工艺无法避免的技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高成品率的铸造单晶硅生长方法和热场结构，可以减少铸造单晶硅晶锭头、尾及边片的低少子红区截断量，提高铸造单晶硅的产品合格率(或成品率)。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案为：一种高成品率的铸造单晶硅生长方法，所述铸造单晶硅生长方法包括以下步骤：(1)将籽晶固定于籽晶夹持机构上，对热场中的硅料加热熔化，在加热熔化阶段，保持籽晶和顶部塑型加热器的高度位于硅料溶体液面以上；(2)硅料熔化完成后，籽晶夹持架构引导籽晶接触熔体液面，使籽晶浸入硅料熔体液面以下；当硅料熔体液面下籽晶部分熔化，形成新的固液界面后籽晶夹持机构向上提拉，硅料熔体从籽晶面向下结晶形成晶锭；在籽晶夹持机构向上提拉过程中，热场的顶部散热门向两边打开，顶部塑型加热器随硅料熔体液面下移并位于硅料熔体液面以下；(3)结晶过程完成后，保持顶部散热门为最大开口，分离籽晶夹持夹持机构与籽晶，取出晶锭。在步骤(1)中，所述对热场中的硅料加热熔化的方式为程序升温，并通入保护气体。在本专利技术中，籽晶固定在籽晶夹持机构上，在步骤(1)中，即，硅料熔化过程中，籽晶不与坩埚内的硅料或硅料熔体接触。在步骤(2)中，即，结晶过程中，坩埚内的硅料熔化完成后，籽晶夹持机构可带动籽晶下移与熔体液面接触；籽晶部分熔化后，顶部散热门逐步打开，在热场中形成上冷、下热的温度梯度分布，在籽晶的诱导下，坩埚内熔体沿籽晶开始自上向下的定向结晶；在结晶过程中，晶体在籽晶夹持机构的带动下，向上提拉，最终熔体全部结晶并承载在籽晶夹持机构的下部，并且形成的晶体始终不与坩埚接触；在结晶过程中，顶部塑型加热器随熔体液面下降而下降，并维持在熔体液面以下，最终熔体全部凝固或仅保留少部分高金属杂质锅底料。在整个晶锭生长过程中，晶锭不与坩埚接触，避免坩埚内金属杂质向晶锭内扩散而影响晶锭质量。在步骤(2)中，所述籽晶浸入硅料熔体液面5mm以下。在步骤(2)中，经过10～30分钟，硅料熔体液面下籽晶部分熔化，形成新的固液界面。在步骤(2)中，所述籽晶夹持机构向上提拉的速度为5～25mm/h。籽晶夹持机构向上提拉的速度为硅料熔体的结晶速度。在步骤(2)中，所述顶部塑型加热器与硅料熔体液面的距离为20～50mm。通过控制顶部塑型加热器的位置与加热功率，可以控制晶锭向四周的生长趋势。所述籽晶采用Cz单晶加工而来的单晶硅块构成，籽晶块的形状可以是正方体或长方体，垂直方向的晶向为<100>方向。籽晶拼接成正方形结构，固定在籽晶夹持机构上，各籽晶块间无缝连接。所述籽晶由直拉法单晶切割拼接而成，厚度为20～30mm，横截面为正方形，边长为500～1500mm。综合考虑成本以及实际操作，单晶硅块厚度选择为20mm～30mm。优选的，所述边长为960mm*960mm(G6)。本专利技术还提供一种高成品率的铸造单晶硅生长方法的热场结构，所述热场结构包括炉体，所述炉体内设有坩埚、位于坩埚正上方的可上下移动的籽晶夹持机构和可横向移动的顶部散热门；所述坩埚的侧部和底部的外侧设有加热器和保温框，所述加热器位于坩埚和保温框之间；所述籽晶夹持机构四周设有可上下移动的顶部塑型加热器，所述顶部散热门位于籽晶夹持机构的两侧；所述保温框和顶部散热门形成密闭空间。所述炉体采用上炉盖打开方式，以进行物料的装载和卸载工作。在本专利技术提供的热场结构中，所述籽晶夹持机构是可以上下移动的运动部件，在坩埚中的硅料的熔化过程中，使籽晶脱离液面。在结晶过程中：首先进行引晶，带动籽晶部分浸润在高温硅料熔体液面下，籽晶部分熔化后，再打开顶部散热门，晶体从籽晶面向下生长，籽晶夹持机构缓慢向上提拉，最终保持坩埚内熔体全部凝固或仅剩余少量高浓度金属杂质锅底料。所述坩埚的侧部和底部的外侧设有的加热器以及顶部塑型加热器分别采用独立的温度控制和电源单元。所述坩埚的尺寸为1200mm*1200mm*540mm(G7)或1350mm*1350mm*540mm(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高成品率的铸造单晶硅生长方法，其特征在于，所述铸造单晶硅生长方法包括以下步骤：(1)将籽晶固定于籽晶夹持机构上，对热场中的硅料加热熔化，在加热熔化阶段，保持籽晶和顶部塑型加热器的高度位于硅料溶体液面以上；(2)硅料熔化完成后，籽晶夹持架构引导籽晶接触熔体液面，使籽晶浸入硅料熔体液面以下；当硅料熔体液面下籽晶部分熔化，形成新的固液界面后籽晶夹持机构向上提拉，硅料熔体从籽晶面向下结晶形成晶锭；在籽晶夹持机构向上提拉过程中，热场的顶部散热门向两边打开，顶部塑型加热器随硅料熔体液面下移并位于硅料熔体液面以下；(3)结晶过程完成后，保持顶部散热门为最大开口，分离籽晶夹持夹持机构与籽晶，取出晶锭。

【技术特征摘要】
1.一种高成品率的铸造单晶硅生长方法，其特征在于，所述铸造单晶硅生长方法包括以下步骤：(1)将籽晶固定于籽晶夹持机构上，对热场中的硅料加热熔化，在加热熔化阶段，保持籽晶和顶部塑型加热器的高度位于硅料溶体液面以上；(2)硅料熔化完成后，籽晶夹持架构引导籽晶接触熔体液面，使籽晶浸入硅料熔体液面以下；当硅料熔体液面下籽晶部分熔化，形成新的固液界面后籽晶夹持机构向上提拉，硅料熔体从籽晶面向下结晶形成晶锭；在籽晶夹持机构向上提拉过程中，热场的顶部散热门向两边打开，顶部塑型加热器随硅料熔体液面下移并位于硅料熔体液面以下；(3)结晶过程完成后，保持顶部散热门为最大开口，分离籽晶夹持夹持机构与籽晶，取出晶锭。2.根据权利要求1所述的高成品率的铸造单晶硅生长方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述籽晶浸入硅料熔体液面5mm以下。3.根据权利要求1所述的高成品率的铸造单晶硅生长方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述籽晶夹持机构向上提拉的速度为5～25mm/h。4.根据权利要求1所述的高成品率的铸造单晶硅生长方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述顶部塑型加...

【专利技术属性】
技术研发人员：余学功，张志强，杨德仁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33