一种准单晶硅的铸锭方法技术

一种准单晶硅的铸锭方法，含以下步骤：（１）选取籽晶铺设在石英坩埚底部，在籽晶上面添加硅料并加入掺杂剂；（２）将装有上述原料的坩埚进行抽真空并加热，分段升温使上部的硅料熔化，至熔化后期籽晶开始熔化时，控制加热器温度、坩埚底部温度及其升温速率，使籽晶部分熔化，然后进入长晶阶段；（３）在长晶阶段，将加热器温度分段降温，使硅晶体沿未熔化的籽晶方向生长，待硅晶体长成后，经退火冷却得到大晶粒硅锭；（４）将大晶粒硅锭经后续处理得准单晶硅。该方法熔化、长晶等在同一设备同一坩埚中完成，通过坩埚底部温度和加热器升温速率控制籽晶熔化，成本低、易操作，适合规模化生产；制备的准单晶硅转换效率高，籽晶可重复利用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能电池领域，具体涉及一种准单体硅的铸锭方法。
技术介绍
在快速发展的光伏产业中，高效率及低成本一直是两个主要竞争点，晶体硅作为 当前最主要的太阳能电池材料，凭借其电池的高效稳定一直占据着绝对的优势。单晶硅一般采用直拉法(CZ法)制得，用特定晶向的单晶籽晶进行引晶，经过旋转 提拉得到目标晶向的单晶硅棒，所得产品仅含一个晶粒，具有低缺陷、高转换效率等特点， 特别是碱制绒方法的广泛应用使得单晶硅电池片更具优势，该方法形成的金字塔型织构化 表面大大加强了光的吸收，提高了转换效率。目前，单晶硅电池片大规模生产的转换效率已 达18%。但是该方法对原料及操作要求高，且单次投料少，产品成本较高。对于掺硼单晶， 由于单晶坩埚中0的引入，使得单晶太阳能电池衰减较大。多晶硅主要是采用定向凝固方法制得，单次投料量大，具有易操作、低成体等特 点，并且石英坩埚内表面氮化硅涂层具有隔离作用，所得的硅锭0含量相对较低，电池片衰 减比单晶硅片小很多；但在传统的铸锭条件下，坩埚底部冷却后会出现大量形核点，很难 得到超大晶粒，所以在铸锭多晶中往往含有大量晶界及缺陷，且由于各晶粒晶向不一，不能 采用各向异性的碱制绒方法进行表面处理，而各向同性的酸制绒方式则很难达到同样的效 果，使得多晶硅太阳能电池的转换效率较单晶硅电池约低1. 5 2%。所以，将市场中现有的单晶硅及多晶硅的优势相结合是提高产品竞争力的一个 有效途径。美国的BP SOLAR公司围绕这一主题做了较多工作，其专利US2007/0169684A1 报道了多种方法，其中有一种方法是将籽晶与硅料分开放置，将熔融硅液倒入铺有籽晶 的容器中进行长晶，由于分开两个容器，过程较为复杂，不易操作；另外，中国专利申请 200910152970. 2也公布了类似的大晶粒铸造多晶硅的制备方法，但其以完全的某一特定晶 向的单晶作为籽晶，增加了铸锭成本，不适合大规模生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种单晶硅的铸锭方法，该方法将熔化、长晶等所有过程 在同一设备同一坩埚中完成，通过坩埚底部温度和加热器升温速率控制籽晶熔化，该方法 成本低、易于操作，适合规模化生产；制备的单晶硅转换效率高，且可作为籽晶重复利用。为达到上述目的，本专利技术提供的单晶硅的铸锭方法，包含以下步骤(1)选取籽晶铺设在石英坩埚底部，在籽晶上面添加硅料，并根据目标电阻率加入 掺杂剂；(2)将装有上述原料的坩埚置于铸锭炉中进行抽真空并加热，分段升温使上部的 硅料熔化，至熔化后期，籽晶开始熔化时，控制加热器温度、坩埚底部温度及坩埚底部的升 温速率，使籽晶部分熔化，然后进入长晶阶段；(3)在长晶阶段，将加热器温度分段降温，使硅晶体沿着未熔化的籽晶方向稳定生长，待硅晶体长成后，经退火、冷却得到大晶粒硅锭；(4)将大晶粒硅锭经后续处理得到用于制作太阳能电池的准单晶硅。在上述步骤中步骤(1)中所述的籽晶 至少一个面平整，可稳定与石英坩埚内底面相接触。步骤(1)中所述的籽晶还可以为可相互拼接的一块或一块以上的与目标晶体状 态相近或相同的单晶块或多晶块。步骤(1)中所述的籽晶还可以为开方后的多晶硅小方锭经截断制成的多晶硅块 或开方后的单晶棒经截断制成的单晶硅块，其厚度为5 50mm。步骤(1)中所述的籽晶还可以为(100)晶向的单晶块或是以(100)为主要晶向的多晶硅块。步骤(2)中籽晶开始熔化时，控制加热器温度为1410 1600°C，同时调节坩埚底 部温度为1200 1410°C，且坩埚底部升温速率为0. 01 0. 5°C /min，使籽晶部分熔化，并 根据籽晶所需高度结束熔化进入长晶阶段。步骤(3)中所述的分段降温的过程为将加热器温度先快速降至1410 1500°C， 同时将隔热笼或隔热板以选定速率打开，底部散热实现定向凝固，待界面生长平稳后，再继 续分段降温，并以选定速率打开隔热笼或隔热板，使硅晶体沿着未熔化的籽晶方向稳定生长。步骤(4)中的后续处理含以下工序开方、检测、去头尾、研磨、倒角和切片。上述经去头尾处理后所得的硅块经挑选、清洗后可作为籽晶重新利用。步骤(4)所述的准单晶硅中某一晶向的晶粒面积占整个硅片面积的50%以上。本专利技术提供的上述准单晶硅的铸锭方法的具体工艺流程如附图1所示。本专利技术的有益效果是利用低成本的铸锭技术生长超大晶粒的准单晶硅，所得电 池片具有低成本、高效率等特点；可根据不同的需要灵活选择籽晶，且余料可作为籽晶重复 利用，整个工艺在传统或改进铸锭炉中进行，易操作，较容易实现产业化。附图说明图1是本专利技术的工艺流程图；图2a和图2b是实施例1中籽晶的装料方式图；图3a和图3b是实施例1中单晶籽晶引晶的长晶的过程效果图；图4a和图4b是实施例3中单晶籽晶引晶获得的准单晶片的形貌图。具体实施例方式实施例1将直拉法得到的(100)晶向单晶棒进行开方，得到断面尺寸为156X 156mm的方 柱，将其切成40 50mm厚的块状作为籽晶。选择标准的450kg型石英坩埚，即内部尺寸 为840 X 840 X 400mm,依照以上标准选择25块156 X 156mm籽晶，按5 X 5方式紧密地平铺 在坩埚底部，放置时尽量使籽晶居中，即周边籽晶的最边沿面距坩埚内壁尺寸相近。籽晶上 面再放置原生多晶，包括籽晶在内共装料430kg，籽晶的具体排列方式和籽晶、硅料及掺杂 剂的填装方式如附图2a、2b所示，掺杂剂为硼、稼或磷，掺杂后目标晶体的电阻率为1.50 2. O Ω . cm ο将装有上述原料的坩埚置于铸锭炉中进行抽真空并加热，铸锭炉为传统铸锭炉 或经改进的铸锭炉如热场改进后的JJL500型铸锭炉等，控制功率进行加热至1000 1400°C ；进入熔化阶段后，采用温度控制分段加温，到熔化最后一步将加热器控制温度调节 至1550°C，保持至籽晶熔化阶段，待坩埚底部温度1280°C，且调整升温速率在0. 3°C /mini 下时，结束熔化步骤，跳转至长晶阶段。进入长晶阶段，快速将温度由1550°C降至1500°C， 随后30min内将隔热板打开至10cm，底部散热实现定向凝固，待界面生长平稳后，再分段将 温度降至1416°C，隔热板打开速度先后按1. 5cm/h、0. 8cm/h的速度打开，直至最大，达到稳 定长晶，长晶的效果和长晶过程如附图3a和附图3b所示。将上述长成后的硅晶体，经退火、冷却得到大晶粒硅锭，所得硅锭开方得25块小 方锭，从底部可观察到未熔化完全的籽晶，籽晶剩余约30 35mm，后续生长晶体顺延籽 晶向上长，底部5cm以下全为单晶，之后单晶晶粒开始分裂，小锭中部仍保持较大晶粒，至 20cm以上则转变为小晶粒，再将开方后小方锭经检测、去头尾、切片等工序得单晶硅片，准 单晶片的(硅片内(100)晶向的晶粒面积占硅片总面积的50%以上)比例为68%，其中 15%的硅片为超大晶粒片(硅片内(100)晶向的晶粒面积占硅片总面积的90%以上)。硅 锭开方后，去头尾的部分可作为籽晶重复利用。实施例2将直拉法得到的(100)晶向单晶棒进行开方，得到断面尺寸为156X156mm、 长约160mm和310mm的硅棒，然后沿径向进行切断，得到尺寸为156 X 310 X 30mm、 156 X 160 X 30mm的籽晶。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种准单晶硅的铸锭方法，其特征在于：包含以下步骤：（１）选取籽晶铺设在石英坩埚底部，在籽晶上面添加硅料，并根据目标电阻率加入掺杂剂；（２）将装有上述原料的坩埚置于铸锭炉中进行抽真空并加热，分段升温使上部的硅料熔化，至熔化后期，籽晶开始熔化时，控制加热器温度、坩埚底部温度及坩埚底部的升温速率，使籽晶部分熔化，然后进入长晶阶段；（３）在长晶阶段，将加热器温度分段降温，使硅晶体沿着未熔化的籽晶方向稳定生长，待硅晶体长成后，经退火、冷却得到大晶粒硅锭；（４）将大晶粒硅锭经后续处理得到用于制作太阳能电池的准单晶硅。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄新明，钟根香，赵波，徐芳华，
申请(专利权)人：晶海洋半导体材料东海有限公司，绍兴县精功机电研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]