一種生長大晶粒鑄造多晶矽的方法
2023-10-05 17:34:14 1
專利名稱：一種生長大晶粒鑄造多晶矽的方法
—種生長大晶粒鑄造多晶矽的方法
技術領域：
本發明屬於太陽能光伏技術領域，尤其是涉及一種生長大晶粒鑄造多晶矽的方法。背景技術：
太陽能光伏發電是目前發展最快的可持續能源利用的形式之一，近些年來在各國都得到了迅速的發展。在光伏行業中，提高光電轉化效率和降低生產成本一直是兩個重要的目標。相對於直拉單晶矽，鑄造多晶矽太陽電池的效率要低1%左右，其主要原因是由於鑄造多晶矽中存在著大量的晶界和位錯，成為少數載流子的複合中心，降低了光電轉換效率。通過控制多晶矽中的位錯，可進一步提高多晶矽電池的光電轉換效率。
目前，中國專利申請200910152970.2所公開的大晶粒鑄造多晶矽方法中使用的是〈100〉晶向的籽晶，籽晶與籽晶之間周期性排列，晶向鄰接一致，造成所製備的晶體中基本不存在晶界。開始長晶時籽晶接縫處存在位錯，並且在晶體生長過程中熱應力也會產生大量位錯。由於這些位錯沒有晶界的阻攔並且也不會滑移到晶體外，隨著長晶過程的進行， 位錯不斷增殖，在大晶粒鑄造多晶矽的頂部就產生了非常高的位錯密度，嚴重影響了多晶矽太陽能電池的光電轉換效率。
發明內容
基於此，有必要提供一種生長低位錯密度的大晶粒鑄造多晶娃的方法。
一種生長大晶粒鑄造多晶矽的方法，包括如下步驟
步驟一、將多個單晶矽塊作為籽晶，平鋪在坩堝底部；所述多個籽晶的晶向相同；
步驟二、將多晶矽料和摻雜劑置於坩堝中；
步驟三、加熱，控制溫度使所述多晶矽料和所述摻雜劑完全融化，同時籽晶不完全熔化；及
步驟四、降低與籽晶接觸的熔融矽液的溫度，使矽液沿不完全熔化的籽晶定向凝固生長，得到與籽晶的晶向相同的大晶粒鑄造多晶矽。
在優選的實施例中，步驟一中，籽晶與籽晶之間緊密地排列。
在優選的實施例中，步驟一中，籽晶為多邊形。
在優選的實施例中，多邊形籽晶的相鄰接觸晶面之間形成大於0度且小於180度的夾角。
在優選的實施例中，籽晶的厚度為0. 5 6cm。
在優選的實施例中，籽晶的厚度為0. 5 2cm。
在優選的實施例中，步驟三至步驟四是在真空或惰性氣氛下進行。
上述生長大晶粒鑄造多晶娃的方法可定向引入晶界，在大晶粒鑄造多晶娃的生長過程中，位錯在晶界處聚積，抑制了位錯的不斷增殖，降低了位錯密度，提高了多晶矽太陽能電池的光電轉換效率。
圖I為一實施方式的生長大晶粒鑄造多晶矽的方法的流程圖2為一實施方式的在坩堝內鋪設籽晶的示意圖。
具體實施方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明。但是本發明能夠以很多不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似改進，因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。
請參閱圖1，一實施方式的生長大晶粒鑄造多晶矽的方法包括如下步驟
步驟S110、將多個單晶矽塊作為籽晶，平鋪在坩堝底部。
所述多個單晶矽塊是從單晶矽錠或者鑄造大晶粒矽錠上切下的片狀或者平板狀晶塊。每個籽晶的晶向都是相同的，優選為〈111〉。每個籽晶的大小、尺寸、形狀優選都是相同的。多個籽晶平鋪在坩堝底部時，優選的覆蓋坩堝底部面積的60%以上，且使籽晶與籽晶之間緊密地排列。另外，在鋪設籽晶時，儘量將多個籽晶背向坩堝底壁的一側處於同一平面上，以利於後期長晶。籽晶的形狀優選的為多邊形，例如可以為正方形，長方形或六邊形。這些形狀易於截取和鋪排，能將它們邊對邊地緊密鋪排在坩堝底部，同時籽晶的形狀和截面尺寸與將要得到的多晶矽片的截面尺寸和形狀相等或相近。當然，籽晶也可以是其他不規則的形狀。優選的，多邊形單晶籽晶的相鄰接觸晶面之間形成大於0度且小於I 80度的夾角。圖2為在坩堝的底壁上鋪設多個籽晶的示意圖。在本實施例中，籽晶的形狀為正方形，一個籽晶與其他四個籽晶相接觸。每個籽晶在其與相鄰籽晶的接觸晶面之間形成30° 角。上述生長大晶粒鑄造多晶矽的方法可定向引入晶界，在籽晶的相鄰晶面之間形成小角晶界、大角晶界或孿晶界，在大晶粒鑄造多晶矽的生長過程中，位錯在晶界處聚積，抑制了位錯的不斷增殖，降低了位錯密度，提高了多晶矽太陽能電池的光電轉換效率。
籽晶的厚度為0. 5 6cm,優選為0. 5 2cm。
步驟S120、將多晶矽料和摻雜劑置於坩堝中。
可將多晶矽料和摻雜劑(例如硼、鎵、磷、砷及銻等)放置在坩堝內的籽晶上。
步驟S130、加熱，控制溫度使所述多晶矽料和所述摻雜劑完全融化，同時籽晶不完全熔化。
加熱前優選將鑄錠爐室內抽真空或充入惰性氣體，例如氬氣等，來作為保護氣體， 防止矽液氧化。
加熱過程中，通過調節保溫罩的位置，可以將多晶矽料和摻雜劑完全熔化，同時確保位於坩堝底部的籽晶部分地熔化，例如熔化總量的10% 90%。籽晶的熔化狀況可以採用石英杆來進行輔助測量。
步驟S140、降低與籽晶接觸的熔融矽液的溫度，使矽液沿不完全熔化的籽晶定向凝固生長，得到與籽晶的晶向相同的大晶粒鑄造多晶矽。
通過冷卻坩堝的底部，使矽液在剩餘的未被熔化的籽晶的誘導下沿籽晶定向凝固生長，最後經退火冷卻後形成與籽晶的晶向相同的大晶粒鑄造多晶矽。冷卻過程可以通過在坩堝底部通入冷卻氣體或冷卻水、調節坩堝位置或調節保溫罩位置等方法來實現。定向凝固時，形成單方向的熱流(晶體的生長方向垂直向上，熱流方向垂直向下)，在固-液界面處存在一定的軸向溫度梯度，而在橫向的溫度梯度較小，從而實現從下至上的這種柱狀大晶粒多晶娃的生長。
根據上述方法，截取的單晶矽塊作為籽晶緊密地平鋪在坩堝底部。籽晶鋪排後，在籽晶的邊界面處發生周期錯排，籽晶與籽晶的鄰接處的晶面形成一定的角度，引入晶界。籽晶熔化10% 90%後，通過降低矽液的溫度，使矽熔液沿單晶籽晶方向定向凝固生長，經退火冷卻後得到大晶粒的鑄造多晶矽。在晶體生長過程中，缺陷位錯在籽晶交界處聚積，被籽晶之間的晶界所俘獲，無法進一步增殖，降低了晶粒內部的位錯密度，提高了多晶矽太陽能電池的光電轉換效率。
以下通過具體實施例來進一步說明。
實施例I
選取多個晶向一致無位錯的〈111〉單晶矽塊為籽晶。單晶矽塊的形狀為正方形， 厚度為0.5cm。然後將25塊截面尺寸為156X 156mm的單晶矽塊按5X5的方式平鋪在坩堝底部，單晶矽塊之間緊密接觸。再將原生多晶矽料450KG放置在籽晶上方，並放入摻雜劑硼0. 12KG,使摻雜後的目標電阻率為I. 70 Q cm。將裝好料的坩堝放置於鑄錠爐中抽真空，加熱階段爐內用氬氣充滿，保護矽料避免氧化。熔化階段，加熱器溫度至1560°C，此時多晶矽完全熔化，通過石英杆輔助測量，單晶籽晶熔化30%時，進入長晶階段。在長晶過程中，首先加熱器溫度由1560°C快速降至1430°C，隨後側隔熱籠打開5cm，然後加熱器溫度逐級降至1410°C，同時側隔熱籠打開10cm，此時為穩定長晶階段。矽液完全凝固後，經退火冷卻得到大晶粒的鑄造多晶娃。該工藝所得的鑄造多晶娃的晶粒晶向為〈111〉，少子壽命在5 微秒以上。使用該鑄造多晶矽製成的太陽能電池片的轉換效率與對比文獻方法相比，可提0.2% o
實施例2
選取多個晶向一致無位錯的〈111〉單晶矽塊為籽晶。單晶矽塊的形狀為長方形， 厚度為2cm，然後將15塊截面尺寸為150X250mm的單晶矽塊按5X3的方式平鋪在坩堝底部，單晶矽塊之間緊密接觸。再將原生多晶矽料430KG放置在籽晶上方，並放入摻雜劑硼0.11KG，使摻雜後的目標電阻率為I. 70 Q -cm.將裝好料的坩堝放置於鑄錠爐中抽真空，加熱階段爐內用氬氣充滿，保護矽料避免氧化。熔化階段，加熱器溫度至1560°C，此時多晶矽完全熔化，通過石英杆輔助測量，單晶籽晶熔化60%時，進入長晶階段。在長晶過程中，首先加熱器溫度由1560°C快速降至1430°C，隨後側隔熱籠打開5cm，然後加熱器溫度逐級降至1410°C，同時側隔熱籠打開10cm，此時為穩定長晶階段。矽液完全凝固後，經退火冷卻得到大晶粒的鑄造多晶娃。該工藝所得的鑄造多晶娃的晶粒晶向為〈111〉，少子壽命在5微秒以上。使用該鑄造多晶矽製成的太陽能電池片的轉換效率與對比文獻方法相比，可提高0.3%。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種生長大晶粒鑄造多晶矽的方法，其特徵在於，包括如下步驟步驟一、將多個單晶矽塊作為籽晶，平鋪在坩堝底部；所述多個籽晶的晶向相同；步驟二、將多晶矽料和摻雜劑置於坩堝中；步驟三、加熱，控制溫度使所述多晶矽料和所述摻雜劑完全融化，同時籽晶不完全熔化；及步驟四、降低與籽晶接觸的熔融矽液的溫度，使所述矽液沿不完全熔化的籽晶定向凝固生長，得到與所述籽晶的晶向相同的大晶粒鑄造多晶矽。
2.根據權利要求I所述的生長大晶粒鑄造多晶矽的方法，其特徵在於步驟一中，籽晶與籽晶之間緊密地排列。
3.根據權利要求I所述的生長大晶粒鑄造多晶矽的方法，其特徵在於步驟一中，籽晶為多邊形。
4.根據權利要求3所述的生長大晶粒鑄造多晶矽的方法，其特徵在於所述多邊形籽晶的相鄰接觸晶面之間形成大於0度且小於180度的夾角。
5.根據權利要求I所述的生長大晶粒鑄造多晶矽的方法，其特徵在於所述籽晶的厚度為0. 5 6cm。
6.根據權利要求5所述的生長大晶粒鑄造多晶矽的方法，其特徵在於所述籽晶的厚度為0. 5 2cm。
7.根據權利要求I所述的生長大晶粒鑄造多晶矽的方法，其特徵在於步驟三至步驟四是在真空或惰性氣氛下進行。
全文摘要
一種生長大晶粒鑄造多晶矽的方法，包括如下步驟步驟一、將多個單晶矽塊作為籽晶，平鋪在坩堝底部；所述多個籽晶的晶向相同；步驟二、將多晶矽料和摻雜劑置於坩堝中；步驟三、加熱，控制溫度使所述多晶矽料和所述摻雜劑完全融化，同時籽晶不完全熔化；及步驟四、降低與籽晶接觸的熔融矽液的溫度，使所述矽液沿不完全熔化的籽晶定向凝固生長，得到與所述籽晶的晶向相同的大晶粒鑄造多晶矽。在大晶粒鑄造多晶矽的生長過程中，通過定向引入晶界，可使位錯在晶界處聚積，抑制了位錯的不斷增殖，降低了位錯密度，提高了多晶矽太陽能電池的光電轉換效率。
文檔編號C30B29/06GK102534772SQ20121004795
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月28日 優先權日2012年2月28日
發明者楊曉琴, 武鵬, 遊達, 胡亞蘭, 陳偉 申請人:江蘇協鑫矽材料科技發展有限公司