專利名稱：硅錠的鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏產(chǎn)品制造領(lǐng)域，特別是涉及一種硅錠的鑄造方法。
背景技術(shù)：
太陽能電池的主要原料為硅晶體，包括單晶硅和多晶硅。單晶硅主要采用直拉法制備，其特點(diǎn)是晶體結(jié)構(gòu)完整，晶體缺陷數(shù)量低，制備的硅電池光電轉(zhuǎn)換效率高。但是采用該方法制備的硅電池成本較高，生產(chǎn)效率較低。由于其生產(chǎn)技術(shù)特點(diǎn)，直拉法生產(chǎn)的單晶硅錠呈圓柱形，在切割成方形電池片的過程中，材料的利用率較低。多晶硅一般采用定向凝固的方法制備，采用方形坩堝，生產(chǎn)效率高，材料利用率高。其缺點(diǎn)是生產(chǎn)出的硅晶體含大量的晶界、位錯(cuò)等缺陷，導(dǎo)致其制備的硅電池光晶轉(zhuǎn)換效·率明顯低于單晶硅電池。采用鑄造的方法生產(chǎn)出單晶硅電池是一種很有效的解決硅電池成本與轉(zhuǎn)換效率之間的矛盾的方法。美國專利US20070169684和中國專利2010101981425都公開了一種利用坩堝底部放置籽晶即單晶硅誘導(dǎo)液態(tài)硅結(jié)晶成單晶硅的方法，具有較廣闊的應(yīng)用前景。但是由于固態(tài)硅的密度低于液態(tài)硅，放置于坩堝底部的固態(tài)硅在與液態(tài)硅接觸潤濕后，可能會(huì)發(fā)生上浮，導(dǎo)致誘導(dǎo)長晶失敗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種硅錠的鑄造方法，能提高硅錠的晶粒尺寸、提高由娃錠制成的娃電池片的光電轉(zhuǎn)換效率，能降低生產(chǎn)成本。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的硅錠的鑄造方法，包含以下幾個(gè)步驟步驟一、在坩堝中進(jìn)行裝料首先、在坩堝的底部表面鋪設(shè)底層原料，所述底層原料包括多晶硅粉；其次、在所述底層原料上鋪設(shè)中間層原料，所述中間層原料由多塊單晶硅片拼接而成；再次、在所述中間層原料上填充上層原料，所述上層原料由多晶硅料組成；所述多晶硅料經(jīng)過提純并且根據(jù)將要形成的硅錠的目標(biāo)電阻率添加了摻雜劑。步驟二、將裝料后的所述坩堝置于鑄錠爐中、并對所述鑄錠爐抽真空；對所述坩堝的底部進(jìn)行加熱并到達(dá)一定溫度，該溫度使所述坩堝底部的所述多晶硅粉燒結(jié)、并形成燒結(jié)層；所述燒結(jié)層上面與所述單晶硅片粘結(jié)、所述燒結(jié)層的下面與所述坩堝底部粘結(jié)，從而固定住所述單晶硅片。步驟三、保持所述底層原料的所述多晶硅粉為固態(tài)，使所述單晶硅片的上部部分熔化，并使所述上層原料的所述多晶硅料熔化。步驟四、控制所述鑄錠爐的爐內(nèi)的垂直溫度梯度，使晶粒沿著未熔化的所述單晶硅片向上生長，最后得到與所述單晶硅片相同尺寸的硅錠。進(jìn)一步的改進(jìn)是，步驟一中所述多晶硅粉的粒度為500目 5000目，所述底層原料的厚度為O. I毫米 5毫米。進(jìn)一步的改進(jìn)是，步驟一所述底層原料還包括添加劑粉，所述添加劑粉為硅溶膠，或所述添加劑粉為氟硅酸和二氧化硅的混合物，所述添加劑粉的粒度為1000目 20000目、純度為99. 999%以上。進(jìn)一步的改進(jìn)是，步驟一中所述單晶硅片為從單晶硅棒上截取形成的，所述單晶硅片的尺寸為6寸、8寸或12寸，所述單晶硅片的厚度為5毫米 30毫米。進(jìn)一步的改進(jìn)是，步驟二中所述抽真空的真空度為KT1Pa IO5Pa,對所述坩堝底部的所述多晶硅粉進(jìn)行燒結(jié)的溫度為1380°C 1405°C。進(jìn)一步的改進(jìn)是，步驟三中對所述單晶硅片進(jìn)行加熱的溫度為1380°C 1415°C，所述單晶硅片的上部熔化的部分的厚度為所述單晶硅片的熔化前的總厚度的10 90%。本發(fā)明的有益效果為 I、本發(fā)明方法通過在坩堝底部形成一燒結(jié)層將作為籽晶的單晶硅片固定住，使晶粒生長過程中單晶硅片不上浮，能夠消除現(xiàn)有鑄造方法形成硅錠的長晶過程中單晶硅片會(huì)上浮而使長晶失敗的缺陷，從而能夠采用鑄造的方法制備出由超大晶粒組成的硅錠，使晶粒的尺寸大大增加。2、本發(fā)明所述添加劑粉在坩堝底部受熱過程中有利于底層原料的燒結(jié)，從而更有效的固定作為籽晶的單晶硅片。3、由于硅錠的晶粒增大且硅錠中的多晶硅得到減少，將硅錠按采用的籽晶即單晶硅片尺寸切方制成硅電池片，能得到接近或完全的單晶硅電池片，最后制成的硅電池片的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到平均17. 5% 18%，比現(xiàn)有采用定向凝固的方法形成的多晶硅電池片提高I 2%，等同于采用現(xiàn)有直拉法形成的單晶硅電池片的效率。4、本發(fā)明方法的生產(chǎn)成本與現(xiàn)有采用定向凝固的方法制備多晶硅電池片的成本接近，但要大大低于采用現(xiàn)有直拉法形成的單晶硅電池片的成本。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明圖I是本發(fā)明實(shí)施例方法的流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例方法的步驟一中在坩堝中裝料后的坩堝示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例方法的步驟一中在坩堝中裝料后的中間層的拼接圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，是本發(fā)明實(shí)施例方法的流程圖，本發(fā)明實(shí)施例硅錠的鑄造方法包含以下幾個(gè)步驟步驟一、如圖2所示，在坩堝100中進(jìn)行裝料首先、在坩堝100的底部表面鋪設(shè)底層原料101，所述底層原料101包括純凈的多晶硅粉和添加劑粉。所述多晶硅粉的粒度為500目 5000目，所述底層原料101的厚度為
O.I毫米 5毫米。所述添加劑粉為硅溶膠，或所述添加劑粉為氟硅酸和二氧化硅的混合物，所述添加劑粉的粒度為1000目 20000目、純度為99. 999%以上。其次、在所述底層原料101上鋪設(shè)中間層原料102，所述中間層原料102由多塊單晶硅片102a拼接而成，如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例方法的中間層原料102的多塊所述單晶硅片102a的拼接圖。所述單晶硅片102a為從單晶硅棒上截取形成的，所述單晶硅片102a的尺寸選用現(xiàn)有市面上常見的單晶硅電池片的尺寸如6寸、8寸或12寸等，所述單晶硅片102a的厚度為5毫米 30毫米。再次、在所述中間層原料102上填充上層原料103，所述上層原料103由多晶硅料組成；所述多晶硅料經(jīng)過提純并且根據(jù)將要形成的硅錠的目標(biāo)電阻率添加了摻雜劑。步驟二、將裝料后的所述坩堝100置于鑄錠爐中、并對所述鑄錠爐抽真空，所述抽真空達(dá)到的真空度為KT1Pa 105Pa。對所述坩堝100的底部進(jìn)行加熱并到達(dá)一定溫度，該溫度為1380°C 1405°C、能使所述坩堝100底部的所述多晶硅粉燒結(jié)、并形成燒結(jié)層；所述燒結(jié)層上面與所述單晶硅片102a粘結(jié)、所述燒結(jié)層的下面與所述坩堝100底部粘結(jié)，從而固定住所述單晶硅片102a。所述添加劑粉在所述坩堝100的底部受熱過程中有利于所述多晶硅粉的燒結(jié)。步驟三、控制所述鑄錠爐的爐內(nèi)的垂直溫度梯度，保持所述底層原料101的所述多晶硅粉為固態(tài)，使所述單晶硅片的上部部分熔化，并使所述上層原料的所述多晶硅料熔 化。所述鑄錠爐的爐內(nèi)的對所述單晶硅片102a進(jìn)行加熱的溫度為1380°C 1415°C，加熱使所述單晶硅片102a的上部部分熔化、且所述單晶硅片102a的上部熔化的部分的厚度為所述單晶硅片102a的熔化前的總厚度的10 90%。步驟四、控制所述鑄錠爐的爐內(nèi)的垂直溫度梯度，使晶粒沿著未熔化的所述單晶硅片102a向上生長，最后得到與所述單晶硅片102a相同尺寸的硅錠。本發(fā)明第一較佳實(shí)施例本發(fā)明第一較佳實(shí)施例硅錠的鑄造方法包含以下幾個(gè)步驟步驟一、如圖2所示，在坩堝100中進(jìn)行裝料，所述坩堝100采用市售內(nèi)徑為840X840X420毫米的坩堝，裝料步驟為首先、在坩堝100的底部表面鋪設(shè)底層原料101，所述底層原料101包括多晶硅粉。所述多晶硅粉的粒度為500目，所述底層原料101的厚度為2毫米。其次、在所述底層原料101上鋪設(shè)中間層原料102，所述中間層原料102由多塊單晶硅片102a拼接而成。所述單晶硅片102a為從單晶硅棒上截取形成的，所述單晶硅片102a的尺寸選用6寸，所述單晶硅片102a的厚度為30毫米。再次、在所述中間層原料102上填充上層原料103，所述上層原料103由多晶硅料組成；所述多晶硅料經(jīng)過提純并且根據(jù)將要形成的硅錠的目標(biāo)電阻率添加了摻雜劑。步驟二、將裝料后的所述坩堝100置于鑄錠爐中、并對所述鑄錠爐抽真空，所述抽真空達(dá)到的真空度為K^Pa。對所述坩堝100的底部進(jìn)行加熱并到達(dá)一定溫度，該溫度為1350°C 1405°C、能使所述坩堝100底部的所述多晶硅粉燒結(jié)、并形成燒結(jié)層；所述燒結(jié)層上面與所述單晶硅片102a粘結(jié)、所述燒結(jié)層的下面與所述坩堝100底部粘結(jié)，從而固定住所述單晶硅片102a。在所述多晶硅粉的燒結(jié)過程中，所述添加劑粉有利于所述多晶硅粉的
紅彡口 步驟三、控制所述鑄錠爐的爐內(nèi)的垂直溫度梯度，保持所述底層原料101的所述多晶硅粉為固態(tài)，使所述單晶硅片的上部部分熔化，并使所述上層原料的所述多晶硅料熔化。其中，對所述單晶硅片102a進(jìn)行加熱的溫度為1380°C 1415°C，加熱使所述單晶硅片102a的上部部分熔化、且所述單晶硅片102a的上部熔化的部分的厚度為所述單晶硅片102a的熔化前的總厚度的10 90%。
步驟四、控制所述鑄錠爐的爐內(nèi)的垂直溫度梯度，使晶粒沿著未熔化的所述單晶硅片102a向上生長，最后得到與所述單晶硅片102a相同尺寸的硅錠。將上述方法得到的所述硅錠經(jīng)退火、冷卻，去除頭、尾料，得到所述硅錠高度為253毫米，依所用單晶硅片的尺寸開方觀察其組織，發(fā)現(xiàn)由所述硅錠的底部向上形成所述硅錠的晶粒具有如下特點(diǎn)1、0暈米 75暈米厚度范圍內(nèi)的晶體組織的晶粒最大、為超大晶粒，該厚度范圍內(nèi)中的最大晶粒占整個(gè)橫截面的90%以上。2、75毫米 220毫米厚度范圍內(nèi)的晶體組織的晶粒要縮小一些、為大晶粒，該厚度范圍內(nèi)中的最大晶粒占整個(gè)橫截面的50%以上。3、剩余厚度范圍內(nèi)中的最大晶粒占整個(gè)橫截面的30%以上。
本發(fā)明第二較佳實(shí)施例本發(fā)明第二較佳實(shí)施例硅錠的鑄造方法包含以下幾個(gè)步驟步驟一、如圖2所示，在坩堝100中進(jìn)行裝料，所述坩堝100采用市售內(nèi)徑為840X840X580毫米的坩堝，裝料步驟為首先、在坩堝100的底部表面鋪設(shè)底層原料101，所述底層原料101包括多晶硅粉和添加劑粉。所述多晶硅粉的粒度為800目，所述底層原料101的厚度為3毫米。所述添加劑粉為硅溶膠，所述添加劑粉的粒度為1000目 20000目、純度為99. 999%以上。其次、在所述底層原料101上鋪設(shè)中間層原料102，所述中間層原料102由多塊單晶硅片102a拼接而成。所述單晶硅片102a為從單晶硅棒上截取形成的，所述單晶硅片102a的尺寸選用6寸，所述單晶硅片102a的厚度為15毫米。再次、在所述中間層原料102上填充上層原料103，所述上層原料103由多晶硅料組成；所述多晶硅料經(jīng)過提純并且根據(jù)將要形成的硅錠的目標(biāo)電阻率添加了摻雜劑。步驟二、將裝料后的所述坩堝100置于鑄錠爐中、并對所述鑄錠爐抽真空，所述抽真空達(dá)到的真空度為10Pa。對所述坩堝100的底部進(jìn)行加熱并到達(dá)一定溫度，該溫度為1350°C 1405°C、能使所述坩堝100底部的所述多晶硅粉燒結(jié)、并形成燒結(jié)層；所述燒結(jié)層上面與所述單晶硅片102a粘結(jié)、所述燒結(jié)層的下面與所述坩堝100底部粘結(jié)，從而固定住所述單晶硅片102a。在所述多晶硅粉的燒結(jié)過程中，所述添加劑粉有利于所述多晶硅粉的
紅彡口 步驟三、控制所述鑄錠爐的爐內(nèi)的垂直溫度梯度，保持所述底層原料101的所述多晶硅粉為固態(tài)，使所述單晶硅片的上部部分熔化，并使所述上層原料的所述多晶硅料熔化。其中，對所述單晶硅片102a進(jìn)行加熱的溫度為1380°C 1415°C，加熱使所述單晶硅片102a的上部部分熔化、且所述單晶硅片102a的上部熔化的部分的厚度為所述單晶硅片102a的熔化前的總厚度的10 90%。步驟四、控制所述鑄錠爐的爐內(nèi)的垂直溫度梯度，使晶粒沿著未熔化的所述單晶硅片102a向上生長，最后得到與所述單晶硅片102a相同尺寸的硅錠。將上述方法得到的所述硅錠經(jīng)退火、冷卻，去除頭、尾料，得到所述硅錠高度為310毫米，依所用單晶硅片的尺寸開方觀察其組織，發(fā)現(xiàn)由所述硅錠的底部向上形成所述硅錠的晶粒具有如下特點(diǎn)1、0毫米 136毫米厚度范圍內(nèi)的晶體組織的晶粒最大、為超大晶粒，該厚度范圍內(nèi)中的最大晶粒占整個(gè)橫截面的90%以上。2、136毫米 285毫米厚度范圍內(nèi)的晶體組織的晶粒要縮小一些、為大晶粒，該厚度范圍內(nèi)中的最大晶粒占整個(gè)橫截面的50%以上。3、剩余厚度范圍內(nèi)中的最大晶粒占整個(gè)橫截面的30%以上。本發(fā)明第三較佳實(shí)施例本發(fā)明第三較佳實(shí)施例硅錠的鑄造方法包含以下幾個(gè)步驟步驟一、如圖2所示，在坩堝100中進(jìn)行裝料，所述坩堝100采用市 售內(nèi)徑為1020X1020X500毫米的坩堝，裝料步驟為首先、在坩堝100的底部表面鋪設(shè)底層原料101，所述底層原料101包括多晶硅粉和添加劑粉。所述多晶硅粉的粒度為1000目，所述底層原料101的厚度為I毫米。所述添加劑粉為氟硅酸和二氧化硅的混合物，所述添加劑粉的粒度為1000目 20000目、純度為99. 999% 以上。其次、在所述底層原料101上鋪設(shè)中間層原料102，所述中間層原料102由多塊單晶硅片102a拼接而成。所述單晶硅片102a為從單晶硅棒上截取形成的，所述單晶硅片102a的尺寸選用6寸，所述單晶硅片102a的厚度為15毫米。再次、在所述中間層原料102上填充上層原料103，所述上層原料103由多晶硅料組成；所述多晶硅料經(jīng)過提純并且根據(jù)將要形成的硅錠的目標(biāo)電阻率添加了摻雜劑。步驟二、將裝料后的所述坩堝100置于鑄錠爐中、并對所述鑄錠爐抽真空，所述抽真空達(dá)到的真空度為KT1Pa 105Pa。對所述坩堝100的底部進(jìn)行加熱并到達(dá)一定溫度，該溫度為1350°C 1405°C、能使所述坩堝100底部的所述多晶硅粉燒結(jié)、并形成燒結(jié)層；所述燒結(jié)層上面與所述單晶硅片102a粘結(jié)、所述燒結(jié)層的下面與所述坩堝100底部粘結(jié)，從而固定住所述單晶硅片102a。在所述多晶硅粉的燒結(jié)過程中，所述添加劑粉有利于所述多晶硅粉的燒結(jié)。步驟三、控制所述鑄錠爐的爐內(nèi)的垂直溫度梯度，保持所述底層原料101的所述多晶硅粉為固態(tài)，使所述單晶硅片的上部部分熔化，并使所述上層原料的所述多晶硅料熔化。其中，對所述單晶硅片102a進(jìn)行加熱的溫度為1380°C 1415°C，加熱使所述單晶硅片102a的上部部分熔化、且所述單晶硅片102a的上部熔化的部分的厚度為所述單晶硅片102a的熔化前的總厚度的10 90%。步驟四、控制所述鑄錠爐的爐內(nèi)的垂直溫度梯度，使晶粒沿著未熔化的所述單晶硅片102a向上生長，最后得到與所述單晶硅片102a相同尺寸的硅錠。將上述方法得到的所述硅錠經(jīng)退火、冷卻，去除頭、尾料，得到所述硅錠高度為285毫米，依所用單晶硅片102a的尺寸開方觀察其組織，發(fā)現(xiàn)由所述硅錠的底部向上形成所述娃錠的晶粒具有如下特點(diǎn)1、0暈米 112暈米厚度范圍內(nèi)的晶體組織的晶粒最大、為超大晶粒,該厚度范圍內(nèi)中的最大晶粒占整個(gè)橫截面的90%以上。2、112毫米 240毫米厚度范圍內(nèi)的晶體組織的晶粒要縮小一些、為大晶粒，該厚度范圍內(nèi)中的最大晶粒占整個(gè)橫截面的50%以上。3、剩余厚度范圍內(nèi)中的最大晶粒占整個(gè)橫截面的30%以上。以上通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但這些并非構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可做出許多變形和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保 護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種硅錠的鑄造方法，其特征在于，包含以下幾個(gè)步驟 步驟一、在坩堝中進(jìn)行裝料首先、在坩堝的底部表面鋪設(shè)底層原料，所述底層原料包括多晶硅粉；其次、在所述底層原料上鋪設(shè)中間層原料，所述中間層原料由多塊單晶硅片拼接而成；再次、在所述中間層原料上填充上層原料，所述上層原料由多晶硅料組成；所述多晶硅料經(jīng)過提純并且根據(jù)將要形成的硅錠的目標(biāo)電阻率添加了摻雜劑； 步驟二、將裝料后的所述坩堝置于鑄錠爐中、并對所述鑄錠爐抽真空；對所述坩堝的底部進(jìn)行加熱并到達(dá)一定溫度，該溫度使所述坩堝底部的所述多晶硅粉燒結(jié)、并形成燒結(jié)層；所述燒結(jié)層上面與所述單晶硅片粘結(jié)、所述燒結(jié)層的下面與所述坩堝底部粘結(jié)，從而固定住所述單晶硅片； 步驟三、控制所述鑄錠爐的爐內(nèi)的垂直溫度梯度，保持所述底層原料的所述多晶硅粉為固態(tài)，使所述單晶硅片的上部部分熔化，并使所述上層原料的所述多晶硅料熔化； 步驟四、控制所述鑄錠爐的爐內(nèi)的垂直溫度梯度，使晶粒沿著未熔化的所述單晶硅片向上生長，最后得到與所述單晶硅片相同尺寸的硅錠。
2.如權(quán)利要求I所述硅錠的鑄造方法，其特征在于步驟一中所述多晶硅粉的粒度為500目 5000目，所述底層原料的厚度為O. I毫米 5毫米。
3.如權(quán)利要求I所述硅錠的鑄造方法，其特征在于步驟一所述底層原料還包括添加劑粉，所述添加劑粉為硅溶膠，或所述添加劑粉為氟硅酸和二氧化硅的混合物，所述添加劑粉的粒度為1000目 20000目、純度為99. 999%以上。
4.如權(quán)利要求I所述硅錠的鑄造方法，其特征在于步驟一中所述單晶硅片為從單晶硅棒上截取形成的，所述單晶硅片的尺寸為6寸、8寸或12寸，所述單晶硅片的厚度為5毫米 30毫米。
5.如權(quán)利要求I所述硅錠的鑄造方法，其特征在于步驟二中所述抽真空的真空度為KT1Pa IO5Pa,對所述坩堝底部的所述多晶硅粉進(jìn)行燒結(jié)的溫度為1380°C 1405°C。
6.如權(quán)利要求I所述硅錠的鑄造方法，其特征在于步驟三中對所述單晶硅片進(jìn)行加熱的溫度為1380°C 1415°C，所述單晶硅片的上部熔化的部分的厚度為所述單晶硅片的熔化前的總厚度的10 90%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅錠的鑄造方法，包括步驟在坩堝中進(jìn)行裝料，底層原料包括多晶硅粉、中間層原料由單晶硅片拼接而成、上層原料為多晶硅料；將坩堝置于鑄錠爐中并抽真空，將多晶硅粉燒結(jié)使單晶硅片固定；控制爐內(nèi)的垂直溫度梯度，使單晶硅片的上部部分熔化、并使多晶硅料熔化；控制爐內(nèi)的垂直溫度梯度，使晶粒沿著未熔化的單晶硅片向上生長并得到硅錠。本發(fā)明能提高硅錠的晶粒尺寸、提高由硅錠制成的硅電池片的光電轉(zhuǎn)換效率，能降低生產(chǎn)成本。
文檔編號C30B29/06GK102953117SQ20111025434
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者史珺, 孫文彬 申請人:上海普羅新能源有限公司