一種準單晶矽錠生長方法
2023-08-02 21:06:26
一種準單晶矽錠生長方法
【專利摘要】本發明公開了一種準單晶矽錠生長方法，包括如下步驟：a)在石英坩堝內將多晶矽料加熱熔化形成矽熔液；b)對籽晶預熱後，將籽晶由上向下移動浸入矽熔液內；c)控制籽晶的旋轉速度並緩慢提升籽晶，從籽晶和矽熔液的接觸面向下及四周生長形成準單晶錠；d）當準單晶錠的生長比重達到預設閾值時，結束晶體生長，降溫至退火溫度，冷卻出爐。本發明提供的準單晶矽錠生長方法，將籽晶由上向下浸入矽熔液內，通過控制籽晶的旋轉和向上提升，使得準單晶錠在生長時與石英坩堝壁之間存在液態矽，有效避免準單晶矽錠與坩堝壁直接接觸，從而具有單晶率高，位錯率低的優點；且無坩堝接觸汙染，無需去除邊皮層。
【專利說明】一種準單晶矽錠生長方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於太陽能電池的矽錠製備方法，尤其涉及一種準單晶矽錠生長方法。
【背景技術】
[0002]隨著太陽能發電產業的不斷發展，矽太陽能電池由於價格低廉，工藝相對成熟，成為民用市場的主流產品。單晶矽製備的太陽能電池效率高，但是一般單晶矽採用直拉法(Czochralski)製得，成本較高，而多晶矽採用熱交換的辦法進行鑄錠，成本較低，但是其製成的電池效率相對較低。
[0003]由此可見，發展利用多晶矽鑄錠的辦法進行準單晶的生長成為一種新興的技術。一般情況下準單晶鑄錠採用底部鋪設籽晶的辦法，在底部籽晶半熔融的狀態下，開始進行鑄錠。此方法生長的準單晶，其單晶率只有60%左右，在與坩堝壁接觸的矽錠區域存在大量多晶與單晶共存的高位錯區域，此區域切片後製備的電池效率與普通多晶電池相比仍較低，導致準單晶鑄錠的利 用率降低。現有準單晶矽鑄錠技術與多晶矽鑄錠相比並未表現出明顯的優勢。
[0004]因此，有必要提供一種新型的準單晶鑄錠的方法，以減少或避免準單晶矽錠中多晶與單晶共存的高位錯區域的存在，從而既能保持準單晶鑄錠效率優勢，又能進一步降低矽太陽能電池的成本。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種準單晶矽錠生長方法，單晶率高，位錯率低；且無坩堝接觸汙染，無需去除邊皮層。
[0006]本發明為解決上述技術問題而採用的技術方案是提供一種準單晶矽錠生長方法，包括如下步驟:a)在石英坩堝內將多晶矽料加熱熔化形成矽熔液；b)對籽晶預熱後，將籽晶由上向下移動浸入矽熔液內；c)控制籽晶的旋轉速度並緩慢提升籽晶，從籽晶和矽熔液的接觸面向下及四周生長形成準單晶錠；d)當準單晶錠的生長比重達到預設閾值時，結束晶體生長，降溫至退火溫度，冷卻出爐。
[0007]上述的準單晶矽錠生長方法，其中，所述步驟a)在鑄造爐內採用四周側面和底部加熱的方式將石英坩堝內的多晶矽料加熱到1450°C熔化，待矽料完全熔化後，緩慢將矽熔液溫度調整至1420°C左右。
[0008]上述的準單晶矽錠生長方法，其中，所述鑄造爐內溫度由上往下依次升高，溫度梯度變化值為I~2°C /cm。
[0009]上述的準單晶矽錠生長方法，其中，所述步驟b)中的籽晶為矽單晶棒，所述矽單晶棒的頂部和冷卻器相連，底端預熱到1370~1390°C。
[0010]上述的準單晶矽錠生長方法，其中，所述矽單晶棒的晶向為[100]，直徑為5~15cm,長度為 20cm。[0011]上述的準單晶矽錠生長方法，其中，所述步驟c)中籽晶的旋轉速度範圍為0.5~2轉/分，所述籽晶的提升高度為I~5cm，且生長形成的準單晶錠頂部的高度不高於石英坩堝側壁的高度。
[0012]上述的準單晶矽錠生長方法，其中，所述步驟b)中籽晶浸入矽熔液內5cm深度，先控制籽晶旋轉速度保持在I轉/分；隨著準單晶錠的不斷生長，將籽晶緩慢向上提升約2cm，當總重量60%以上的矽熔液定向凝固後，持續降低石英坩堝壁的溫度至1405°C，並控制準單晶錠的旋轉速度至2轉/分；當總重量80%以上的矽熔液持續長晶凝固成準單晶後，結束晶體生長。
[0013]上述的準單晶矽錠生長方法，其中，所述步驟d)中長晶結束後，先將加熱溫度緩慢降低至退火溫度1350°C並保溫2小時；然後以不高於150°C /小時的降溫速率，緩慢降溫至300°C以下的出爐溫度，將鑄造爐腔內壓力調整至大氣壓後出爐。
[0014]本發明對比現有技術有如下的有益效果:本發明提供的準單晶矽錠生長方法，將籽晶由上向下浸入矽熔液內 ，通過控制籽晶的旋轉和向上提升，使得晶體由液面籽晶處開始由上向下及四周生長，準單晶錠在生長時與石英坩堝壁之間存在液態矽，有效避免準單晶矽錠與坩堝壁直接接觸，從而具有單晶率高，位錯率低的優點；且無坩堝接觸汙染，無需去除邊皮層。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明使用的準單晶矽鑄錠爐的結構示意圖； [0016]圖2為本發明準單晶矽錠生長控制流程示意圖。
[0017]圖中:
[0018]I冷卻器 2籽晶 3石英坩堝
[0019]4矽熔液 5加熱器
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。
[0021]圖1為本發明使用的準單晶矽鑄錠爐的結構示意圖；圖2為本發明準單晶矽錠生長控制流程示意圖。
[0022]請參見圖1和圖2，本發明提供的準單晶矽錠生長方法，帶有冷卻器I的籽晶2從頂部浸入矽熔液，進行準單晶生長的方法。熱量主要由帶有冷卻器I的籽晶2和惰性氣體氣流帶走；帶有冷卻器的籽晶連接有動力機構，能夠實現籽晶旋轉和提升。多晶娃料放入帶有氮化矽塗層的石英坩堝3中進行熔化，採用四周側面和底部的加熱器5進行加熱。具體包括如下步驟:
[0023]步驟S1:在石英坩堝內3將多晶矽料加熱熔化形成矽熔液4 ;如在鑄造爐內採用四周側面和底部加熱的方式將石英坩堝內的多晶矽料加熱到1450°C熔化，待矽料完全熔化後，緩慢將矽熔液溫度調整至1420°C左右；鑄造爐內溫度由上往下依次升高，溫度梯度變化值為I~2°C /cm ;
[0024]步驟S2:對籽晶2預熱後，籽晶底端溫度範圍為1370~1390°C，將籽晶由上向下移動浸入矽熔液4內；[0025]步驟S3:控制籽晶2的旋轉速度並緩慢提升籽晶，從籽晶2和矽熔液4的接觸面向下及四周生長形成準單晶錠；籽晶2的旋轉速度範圍優選為0.5~2轉/分，緩慢提升籽晶，並保證矽錠與矽熔液均勻的接觸面，生長的準單晶錠的提升高度不高於石英坩堝側壁高度，以保證準單晶錠處於加熱區域內；
[0026]步驟S4:當準單晶錠的生長比重達到預設閾值時，比如待準單晶錠的生長比重達到原矽熔液的80%以上，結束晶體生長，降溫至退火溫度，冷卻出爐。
[0027]本發明中優選的籽晶晶向為[100]，當控制晶體生長的方向的溫度梯度在I~
1.5V /cm時，晶體生長外形為方形，當溫度梯度在3~4°C /cm時，晶體形狀為圓柱形。本發明中生長的準 單晶由於生長的準單晶錠與石英坩堝之間有矽熔液存在，不直接接觸，熱應力小，所以此方法生長的準單晶錠，整體單晶率較高，外層沒有多晶區域存在，位錯密度較低。同時，由於沒有與坩堝接觸的區域，沒有坩堝內雜質的汙染，無需去皮處理，利用率高。從而解決了現有準單晶鑄錠後，單晶率低，矽錠與石英坩堝壁接觸導致的多晶與單晶共存，位錯密度高的問題。
[0028]下面以晶向為[100]，直徑為5~15cm，長度約20cm的矽單晶棒作為籽晶2，頂部與預先做好的冷卻器I相連。
[0029]選擇一石英方型?甘禍尺寸為550mm*550mm*550mm,用氮化娃對?甘禍內壁塗層並燒結，裝入多晶矽料約150kg，在鑄錠爐內採用側面四面加熱和底部加熱的方式加熱到1450°C熔化，待矽料完全熔化後，緩慢將矽熔液溫度調整至1420°C左右(此處以檢測溫度1408°C作為常壓下娃的熔點),靜置一小時。
[0030]將帶有冷卻器的籽晶頂端進行預熱，加熱到1385°C左右後，浸入坩堝中心的矽熔液面內，深度為5cm。熱量經籽晶傳導由冷卻器帶走。準單晶矽由頂部向下，由中心向四周開始生長，解決普通準單晶鑄錠過程中籽晶需在半熔融狀態下保持的問題。籽晶初始旋轉速度保持在I轉/分，隨著準單晶錠的不斷生長，籽晶均勻緩慢向上提升約2cm至晶體生長結束，保證矽熔液與矽錠均勻穩定的接觸面。
[0031]待佔總重量60%以上的矽熔液凝固後，持續降低石英坩堝壁的溫度至1405°C，準單晶錠的旋轉速度至2轉/分，持續長晶至佔總重量80%以上的矽熔液凝固成準單晶，長晶時間約30小時。
[0032]長晶完畢後，將加熱溫度緩慢降低至退火溫度1350°C，通過側面及底面加熱器對石英坩堝進行加熱，準單晶錠溫度在1350°C保溫2小時。
[0033]緩慢降溫至出爐溫度300°C以下，降溫速率不高於150°C /小時，將爐腔內壓力調整至大氣壓後出爐。
[0034]雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然其並非用以限定本發明，任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的修改和完善，因此本發明的保護範圍當以權利要求書所界定的為準。
【權利要求】
1.一種準單晶矽錠生長方法，其特徵在於，包括如下步驟: a)在石英坩堝內將多晶矽料加熱熔化形成矽熔液； b)對籽晶預熱後，將籽晶由上向下移動浸入矽熔液內； c)控制籽晶的旋轉速度並緩慢提升籽晶，從籽晶和矽熔液的接觸面向下及四周生長形成準單晶錠； d)當準單晶錠的生長比重達到預設閾值時，結束晶體生長，降溫至退火溫度，冷卻出爐。
2.如權利要求1所述的準單晶矽錠生長方法，其特徵在於，所述步驟a)在鑄造爐內採用四周側面和底部加熱的方式將石英坩堝內的多晶矽料加熱到1450°C熔化，待矽料完全熔化後，緩慢將矽熔液溫度調整至1420°C左右。
3.如權利要求2所述的準單晶矽錠生長方法，其特徵在於，所述鑄造爐內溫度由上往下依次升高，溫度梯度變化值為I~2V /cm。
4.如權利要求1所述的準單晶矽錠生長方法，其特徵在於，所述步驟b)中的籽晶為矽單晶棒，所述矽單晶棒的頂部和冷卻器相連，底端預熱到1370~1390°C。
5.如權利要求4所述的準單晶矽錠生長方法，其特徵在於，所述矽單晶棒的晶向為 [100]，直徑為5~15cm,長度為20cm。
6.如權利要求1所述的準單晶矽錠生長方法，其特徵在於，所述步驟c)中籽晶的旋轉速度範圍為0.5~2轉/分，所述籽晶的提升高度為I~5cm，且生長形成的準單晶錠頂部的高度不高於石英坩堝側壁的高度。
7.如權利要求6所述的準單晶矽錠生長方法，其特徵在於，所述步驟b)中籽晶浸入矽熔液內5cm深度，先控制籽晶旋轉速度保持在I轉/分；隨著準單晶錠的不斷生長，將籽晶緩慢向上提升約2cm，當總重量60%以上的矽熔液定向凝固後，持續降低石英坩堝壁的溫度至1405°C，並控制準單晶錠的旋轉速度至2轉/分；當總重量80%以上的矽熔液持續長晶凝固成準單晶後，結束晶體生長。
8.如權利要求2所述的準單晶矽錠生長方法，其特徵在於，所述步驟d)中長晶結束後，先將加熱溫度緩慢降低至退火溫度1350°C並保溫2小時；然後以不高於150°C /小時的降溫速率，緩慢降溫至300°C以下的出爐溫度，將鑄造爐腔內壓力調整至大氣壓後出爐。
【文檔編號】C30B29/06GK103966660SQ201410214862
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月20日 優先權日:2014年5月20日
【發明者】高文秀, 李帥, 趙百通 申請人:江蘇盎華光伏工程技術研究中心有限公司