一種多晶矽片的製備方法
2023-09-16 23:18:50 2
一種多晶矽片的製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種多晶矽片的製備方法，該方法先在石英坩堝底部鋪設一層顆粒料或其他晶矽碎料，厚度約10～40mm，再將矽料和母合金放入石英坩堝中，進料，抽真空，加熱使矽料熔化；熔化過程中，加熱器溫度控制1530-1550℃，隔熱籠提升至開度a為5～80mm，並控制TC2熔化階段溫度不超過1370℃，控制底部顆粒料層剩餘10—30mm，進入降溫階段，梯度慢慢降溫同時慢慢打開隔熱籠；最後長晶，形成晶粒小且均勻的多晶矽。採用本發明方法製成的多晶矽片，晶粒均勻，電池效率比一般高效多晶矽片要高0.1-0.2%，整錠矽片的平均電池效率達到17.8%以上，效率17.6%以上矽片比例大於80%。
【專利說明】—種多晶矽片的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及太陽能電池領域，尤其是一種多晶矽片的製備方法。
【背景技術】
[0002]多晶矽鑄錠技術是生產太陽能晶矽材料的主流技術之一。矽片效率已成為太陽能行業競爭的最有分量的砝碼之一。多晶矽鑄錠因其投料量大，操作簡單，成本低，在很大程度上已超越了直拉法生產的單晶矽。同時相較直拉單晶，多晶矽電池片電池轉換效率低、壽命較短。通過對鑄錠爐熱場結構的改造和優化，以及多晶矽鑄錠工藝的優化，生產出低缺陷密度高品質的多晶矽片，是提升行業競爭水平的重要手段。
[0003]目前，行業內已經有利用在石英坩堝底部鋪設單晶籽晶進行鑄造準單晶的方法，該方法的關鍵點在於如何控制底部籽晶的熔化。公開資料顯示，類單晶技術在2006年由BPSolar研製成功，隨後國內晶澳、LDK、韓華新能源、鳳凰光伏等廠家相繼發布其類單晶研究進展。該技術採用1mm~20mm厚的單晶塊作為籽晶，將單晶置於噴好氮化矽塗層的石英坩堝底部，然後再裝矽料。化料時通過調整工藝參數，控制化料結束時固液界面在單晶籽晶處，並使單晶熔化掉一部分，剩餘未熔化的一部分單晶作為籽晶，從籽晶處開始形核長晶，最後得到類單晶矽錠。專利201310391320.X中描述的是一種介於全熔鑄錠和半熔鑄錠工藝之間的工藝方法，其溫度控制要求非常精確，工藝條件比較苛刻，形核效果並不理想。現有多晶矽鑄錠爐的型號為DSS680kgR13680-l/UM。
【發明內容】
[0004]本發明旨在克服現有技術的不足，提供一種多晶矽片的製備方法。
[0005]為了達到上述目的，本發明提供的技術方案為:
所述多晶矽片的製備方法包括如下步驟:
(1)在噴塗好的石英i甘禍底部鋪設粒徑為2mm—5mm的碎料,形成1mm—40mm厚度的顆粒料層；鋪底完成後，將矽料和母合金裝入石英坩堝中，然後將石英坩堝裝入鑄錠爐內，閉合上下爐體，抽真空，再關閉隔熱籠，加熱使矽料進入熔化階段；所述母合金的加入比例根據國家標準的目標電阻值計算得到；
(2)進入熔化階段後，控制加熱溫度為1530°C—1550°C，隔熱籠提升至開度a為5mm—80mm，所述開度a是指隔熱籠底部與鑄錠爐爐腔底部保溫層之間的距離，並控制熔化階段TC2溫度不超過1380°C，當石英坩堝底部顆粒料層高度為1mm — 30mm時，進入如下步驟(3)至(5)所述的降溫階段；熔化過程中利用石英棒來測量顆粒層的熔化程度，確保底部顆粒料層不被完全熔化；
(3)控制加熱器溫度為1490°C—1530°C，在1min— 20min內將隔熱籠提升至開度a為10 mm——30mm ；
(4)控制加熱器溫度為1450°C—1480°C，在1min— 30min內將隔熱籠提升至開度a為10 mm——50mm ；(5)控制加熱器溫度為1420°C—1440°C，在1min— 50min內將隔熱籠提升至開度a為10 mm——80mm ；；
其中，步驟(4)中隔熱籠開度a大於第(3)步中隔熱籠開度a;步驟(5)中隔熱籠開度a大於等於步驟(4)中隔熱籠開度a ;步驟(3)至(5)所述的熔化階段結束後進入如下步驟(6)至(7)所述的長晶階段；
(6)長晶初期控制加熱溫度為1425°C— 1440°C，隔熱籠提升速度為4 mm/h — 8mm/h，使得石英坩堝底部顆粒料層中的碎多晶形成一層均勻的小晶粒籽晶；
(7)長晶中後期控制隔熱籠的提升速度為Omm/h—4mm/h,控制加熱器的降溫速率為10C /h-2V /h，保持微凸的固液界面，豎直向上定向凝固生成晶粒均勻的多晶矽。
[0006]優選地，步驟(1)所述碎料為顆粒料、多晶矽、單晶矽或準單晶矽的碎片料中的一種或多種。步驟(4)是在1min—30min內隔熱籠提升至開度a為30 mm—50mm。步驟(5)是在40min—50min內隔熱籠提升至開度a為50 mm一80_。
[0007]下面對本發明做進一步的解釋和說明本發明的原理是:
本發明利用坩堝底層鋪10—40mm厚度的粒徑為2—5mm的顆粒料，形成顆粒料籽晶層，利用熔化打開隔熱籠控制坩堝底部溫度，精準控制籽晶熔化，減少多晶矽晶體原始缺陷的生成，提高矽片電池轉換效率。
[0008]本發明中坩堝底部鋪設顆粒料籽晶，目的在於在晶體形核期，矽熔體直接與熔融態顆粒料接觸，發明中矽熔體形核是在顆粒料層上形核的。
[0009]本發明步驟(6)中，長晶初期控制加熱器溫度優選為1425-1440°C，隔熱籠打開緩慢，打開速度優選為4-8mm/h。
[0010]本發明步驟(7)中，長晶中後期隔熱籠的打開速度優選為0-4mm/h，加熱器的降溫速率優選為1-2 °C /h。
[0011]本發明使用的鑄錠爐是本領域常規鑄錠爐DSS680kgR13680-l/UM，其包括加熱器1，隔熱籠體2，保溫帶3，石英坩堝4，石墨護板5，石墨DS塊6，當隔熱籠閉合時，開度a為O0
[0012]與現有技術相比，本發明的優勢在於:
本發明中使用的坩堝不再需要預處理，節省了成本，簡化了工藝；本發明中使用的碎料優化為形核更加完美的顆粒料(小圓球狀)；本發明中石英坩堝底部顆粒層是不能完全熔化的，一般控制籽晶剩餘高度10 — 30mm。總之，本發明利用顆粒料或者其他碎料作為籽晶來鑄造多晶矽錠，並且利用熔化打開隔熱籠控制坩堝底部溫度，精準控制籽晶熔化，減少多晶矽晶體原始缺陷的生成，提高矽片電池轉換效率。本發明是一種半熔鑄錠工藝，其特點就是利用開籠熔化控制底部顆粒層不被完全熔化，並且以底部顆粒料層為籽晶，製備的矽片位錯密度小，晶粒均勻，電池轉換效率高。採用本發明方法製成的多晶矽片，晶粒均勻，電池效率比普通多晶矽要高0.1—0.2%，整錠矽片的平均電池效率達到17.7%以上，效率17.6%以上矽片比例大於75.0%。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是實施例1中製備的多晶矽片的宏觀照片；圖2是實施例1中製備的多晶電池片的效率正態分布圖；
圖3是實施例中鑄錠爐未閉合時的結構示意圖，其中:1是加熱器，2是隔熱籠體，3是保溫帶，4是石英坩堝，5是石墨護板，6是石墨DS塊，a是指隔熱籠的開度，當隔熱籠閉合時，開度a為O。
【具體實施方式】
[0014]實施例1
所述多晶矽片的製備方法包括如下步驟:
(I)在預處理過的石英坩堝底部鋪30kg碎料，將矽料(共600kg)和矽硼合金99g裝入石英坩堝中，進料，在680型G5多晶矽鑄錠爐中抽真空，加熱使矽料進入熔化階段；其中母合金的摻雜量是根據摻硼摻磷矽單晶電阻率與摻雜劑濃度換算規程GB-T 13389-1992標準來計算的。
[0015](2)熔化時加熱器溫度控制1540°C，隔熱籠提升至開度a為28mm，並控制TC2溫度不超過1360°C，使得底部顆粒料層高度剩餘25mm，進入降溫階段；
(3)加熱器溫度控制在1500°C,15min內隔熱籠提升至開度a為30mm,
(4)加熱器溫度控制在 1460°C,30min內隔熱籠提升至開度a為40mm；
(5)加熱器溫度控制在1432°C，50min內隔熱籠提升至開度a為60mm，熔化階段結束；
(6)長晶初期控制加熱器溫度為1432°C，緩慢提升隔熱籠(lmm/h)，未熔化完的顆粒料層在坩堝底部形成一個均勻的多晶晶粒層；
(7)長晶中後期控制固液相的溫度梯度(1°C/h),以坩堝底部均勻的多晶晶粒層為基礎，保持微凸的固液界面，豎直向上定向凝固生成晶粒均勻的多晶矽。豎直向上實現定向生長，經退火、冷卻後得到多晶矽錠。
[0016]實施例1中獲得的矽錠經過開方後成為25個矽棒，矽棒再經過切段、去頭尾、平磨、倒角、切片等環節得到多晶矽片。矽片晶花較小，晶粒分布均勻，矽片端面宏觀圖片如圖1所示。矽片製作成電池片，測得其平均效率達到17.7%以上，效率大於17.6%矽片比例高達80%。電池效率正態分布圖如圖2所示。
[0017]實施例中使用的鑄錠爐為DSS680kgR13680_l/UM。
[0018]實施例2
所述多晶矽片的製備方法包括如下步驟:
Cl)在預處理過的石英坩堝底部鋪35kg碎片料，將矽料(共600kg)和矽硼合金10g裝入石英坩堝中，進料，在680型G5多晶矽鑄錠爐中抽真空，加熱使矽料進入熔化階段；其中母合金的摻雜量是根據摻硼摻磷矽單晶電阻率與摻雜劑濃度換算規程GB-T 13389-1992標準來計算的。
[0019](2)熔化時加熱器溫度控制1550°C，隔熱籠提升至開度a為20mm，並控制TC2溫度不超過1370°C，使得底部顆粒料層高度剩餘29_，進入降溫階段；
(3)加熱器溫度控制在1500°C,15min內隔熱籠提升至開度a為30mm,
(4)加熱器溫度控制在1450°C,30min內隔熱籠提升至開度a為50mm;
(5)加熱器溫度控制在1432°C，40min內隔熱籠提升至開度a為80mm，熔化階段結束；
(6)長晶初期控制加熱器溫度為1432°C，緩慢提升隔熱籠(lmm/h)，未熔化完的顆粒料層在坩堝底部形成一個均勻的多晶晶粒層；
(7)長晶中後期控制固液相的溫度梯度(1°C /h),以坩堝底部均勻的多晶晶粒層為基礎，保持微凸的固液界面，豎直向上定向凝固生成晶粒均勻的多晶矽。豎直向上實現定向生長，經退火、冷卻後得到多晶矽錠。
[0020]實施例2中獲得的矽錠經過開方後成為25個矽棒，矽棒再經過切段、去頭尾、平磨、倒角、切片等環節得到多晶矽片。矽片製作成電池片，測得其平均效率達到17.8%以上，效率大於17.6%矽片比例高達75%。
[0021]實施例中使用的鑄錠爐為DSS680kgR13680_l/UM。
【權利要求】
1.一種多晶矽片的製備方法，採用多晶矽鑄錠爐，其特徵在於，所述方法包括如下步驟: (1)在噴塗好的石英i甘禍底部鋪設粒徑為2mm—5mm的碎料,形成1mm—40mm厚度的顆粒料層；鋪底完成後，將矽料和母合金裝入石英坩堝中，然後將石英坩堝裝入鑄錠爐內，閉合上下爐體，抽真空，再關閉隔熱籠，加熱使矽料進入熔化階段；所述母合金的加入比例根據目標電阻值計算得到； (2)進入熔化階段後，控制加熱溫度為1530°C— 1550°C，隔熱籠提升至開度(a)為5 mm — 80mm，並控制熔化階段TC2溫度不超過1380°C，當石英坩堝底部顆粒料層高度為10mm— 30mm時，進入如下步驟(3 )至(5 )所述的降溫階段； (3)控制加熱器溫度為1490°C— 1530°C，在1min — 20min內將隔熱籠提升至開度(a)為 10 mm一30mm ; (4)控制加熱器溫度為1450°C— 1480°C，在1min — 30min內將隔熱籠提升至開度(a)為 10 mm—50mm ； (5)控制加熱器溫度為1420°C— 1440°C，在1min — 50min內將隔熱籠提升至開度(a)為 10 mm—80mm ；； 其中，步驟(4)中隔熱籠開度(a)大於第(3)步中隔熱籠開度(a);步驟(5)中隔熱籠開度(a)大於等於步驟(4)中隔熱籠開度(a);步驟(3)至(5)所述的熔化階段結束後進入如下步驟(6)至(7)所述的長晶階段； (6)長晶初期控制加熱溫度為1425°C— 1440°C，隔熱籠提升速度為4 mm/h — 8mm/h，使得石英坩堝底部顆粒料層中的碎多晶形成一層均勻的小晶粒籽晶； (7)長晶中後期控制隔熱籠的提升速度為Omm/h—4mm/h,控制加熱器的降溫速率為10C /h-2V /h，保持微凸的固液界面，豎直向上定向凝固生成晶粒均勻的多晶矽。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(1)所述碎料為顆粒料、多晶矽、單晶矽或準單晶矽的碎片料中的一種或多種。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(4)是在1min—30min內隔熱籠提升至開度(a)為 30 mm一50mm。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(5)是在40min—50min內隔熱籠提升至開度(a)為 50 mm一80mm。
【文檔編號】C30B28/06GK104131339SQ201410342919
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2014年7月18日
【發明者】段金剛, 明亮, 譚曉松, 黃 俊, 瞿海斌, 陳國紅, 楊曉生 申請人:中國電子科技集團公司第四十八研究所