一種準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，包括如下步驟：a)在石英坩堝內(nèi)將多晶硅料加熱熔化形成硅熔液；b)對(duì)籽晶預(yù)熱后，將籽晶由上向下移動(dòng)浸入硅熔液內(nèi)；c)控制籽晶的旋轉(zhuǎn)速度并緩慢提升籽晶，從籽晶和硅熔液的接觸面向下及四周生長(zhǎng)形成準(zhǔn)單晶錠；d）當(dāng)準(zhǔn)單晶錠的生長(zhǎng)比重達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，結(jié)束晶體生長(zhǎng)，降溫至退火溫度，冷卻出爐。本發(fā)明提供的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，將籽晶由上向下浸入硅熔液內(nèi)，通過(guò)控制籽晶的旋轉(zhuǎn)和向上提升，使得準(zhǔn)單晶錠在生長(zhǎng)時(shí)與石英坩堝壁之間存在液態(tài)硅，有效避免準(zhǔn)單晶硅錠與坩堝壁直接接觸，從而具有單晶率高，位錯(cuò)率低的優(yōu)點(diǎn)；且無(wú)坩堝接觸污染，無(wú)需去除邊皮層。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于太陽(yáng)能電池的硅錠制備方法，尤其涉及一種準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，硅太陽(yáng)能電池由于價(jià)格低廉，工藝相對(duì)成熟，成為民用市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。單晶硅制備的太陽(yáng)能電池效率高，但是一般單晶硅采用直拉法(Czochralski)制得，成本較高，而多晶硅采用熱交換的辦法進(jìn)行鑄錠，成本較低，但是其制成的電池效率相對(duì)較低。
[0003]由此可見(jiàn)，發(fā)展利用多晶硅鑄錠的辦法進(jìn)行準(zhǔn)單晶的生長(zhǎng)成為一種新興的技術(shù)。一般情況下準(zhǔn)單晶鑄錠采用底部鋪設(shè)籽晶的辦法，在底部籽晶半熔融的狀態(tài)下，開(kāi)始進(jìn)行鑄錠。此方法生長(zhǎng)的準(zhǔn)單晶，其單晶率只有60%左右，在與坩堝壁接觸的硅錠區(qū)域存在大量多晶與單晶共存的高位錯(cuò)區(qū)域，此區(qū)域切片后制備的電池效率與普通多晶電池相比仍較低，導(dǎo)致準(zhǔn)單晶鑄錠的利 用率降低?，F(xiàn)有準(zhǔn)單晶硅鑄錠技術(shù)與多晶硅鑄錠相比并未表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。
[0004]因此，有必要提供一種新型的準(zhǔn)單晶鑄錠的方法，以減少或避免準(zhǔn)單晶硅錠中多晶與單晶共存的高位錯(cuò)區(qū)域的存在，從而既能保持準(zhǔn)單晶鑄錠效率優(yōu)勢(shì)，又能進(jìn)一步降低硅太陽(yáng)能電池的成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，單晶率高，位錯(cuò)率低；且無(wú)坩堝接觸污染，無(wú)需去除邊皮層。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而采用的技術(shù)方案是提供一種準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，包括如下步驟:a)在石英坩堝內(nèi)將多晶硅料加熱熔化形成硅熔液；b)對(duì)籽晶預(yù)熱后，將籽晶由上向下移動(dòng)浸入硅熔液內(nèi)；c)控制籽晶的旋轉(zhuǎn)速度并緩慢提升籽晶，從籽晶和硅熔液的接觸面向下及四周生長(zhǎng)形成準(zhǔn)單晶錠；d)當(dāng)準(zhǔn)單晶錠的生長(zhǎng)比重達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，結(jié)束晶體生長(zhǎng)，降溫至退火溫度，冷卻出爐。
[0007]上述的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其中，所述步驟a)在鑄造爐內(nèi)采用四周側(cè)面和底部加熱的方式將石英坩堝內(nèi)的多晶硅料加熱到1450°C熔化，待硅料完全熔化后，緩慢將硅熔液溫度調(diào)整至1420°C左右。
[0008]上述的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其中，所述鑄造爐內(nèi)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(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其中，所述步驟b)中的籽晶為硅單晶棒，所述硅單晶棒的頂部和冷卻器相連，底端預(yù)熱到1370~1390°C。
[0010]上述的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其中，所述硅單晶棒的晶向?yàn)閇100]，直徑為5~15cm,長(zhǎng)度為 20cm。[0011]上述的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其中，所述步驟c)中籽晶的旋轉(zhuǎn)速度范圍為0.5~2轉(zhuǎn)/分，所述籽晶的提升高度為I~5cm，且生長(zhǎng)形成的準(zhǔn)單晶錠頂部的高度不高于石英坩堝側(cè)壁的高度。
[0012]上述的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其中，所述步驟b)中籽晶浸入硅熔液內(nèi)5cm深度，先控制籽晶旋轉(zhuǎn)速度保持在I轉(zhuǎn)/分；隨著準(zhǔn)單晶錠的不斷生長(zhǎng)，將籽晶緩慢向上提升約2cm，當(dāng)總重量60%以上的硅熔液定向凝固后，持續(xù)降低石英坩堝壁的溫度至1405°C，并控制準(zhǔn)單晶錠的旋轉(zhuǎn)速度至2轉(zhuǎn)/分；當(dāng)總重量80%以上的硅熔液持續(xù)長(zhǎng)晶凝固成準(zhǔn)單晶后，結(jié)束晶體生長(zhǎng)。
[0013]上述的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其中，所述步驟d)中長(zhǎng)晶結(jié)束后，先將加熱溫度緩慢降低至退火溫度1350°C并保溫2小時(shí)；然后以不高于150°C /小時(shí)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(nèi)壓力調(diào)整至大氣壓后出爐。
[0014]本發(fā)明對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果:本發(fā)明提供的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，將籽晶由上向下浸入硅熔液內(nèi) ，通過(guò)控制籽晶的旋轉(zhuǎn)和向上提升，使得晶體由液面籽晶處開(kāi)始由上向下及四周生長(zhǎng)，準(zhǔn)單晶錠在生長(zhǎng)時(shí)與石英坩堝壁之間存在液態(tài)硅，有效避免準(zhǔn)單晶硅錠與坩堝壁直接接觸，從而具有單晶率高，位錯(cuò)率低的優(yōu)點(diǎn)；且無(wú)坩堝接觸污染，無(wú)需去除邊皮層。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明使用的準(zhǔn)單晶硅鑄錠爐的結(jié)構(gòu)示意圖； [0016]圖2為本發(fā)明準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)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硅熔液 5加熱器
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0021]圖1為本發(fā)明使用的準(zhǔn)單晶硅鑄錠爐的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)控制流程示意圖。
[0022]請(qǐng)參見(jiàn)圖1和圖2，本發(fā)明提供的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，帶有冷卻器I的籽晶2從頂部浸入硅熔液，進(jìn)行準(zhǔn)單晶生長(zhǎng)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(dòng)力機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)籽晶旋轉(zhuǎn)和提升。多晶娃料放入帶有氮化硅涂層的石英坩堝3中進(jìn)行熔化，采用四周側(cè)面和底部的加熱器5進(jìn)行加熱。具體包括如下步驟:
[0023]步驟S1:在石英坩堝內(nèi)3將多晶硅料加熱熔化形成硅熔液4 ;如在鑄造爐內(nèi)采用四周側(cè)面和底部加熱的方式將石英坩堝內(nèi)的多晶硅料加熱到1450°C熔化，待硅料完全熔化后，緩慢將硅熔液溫度調(diào)整至1420°C左右；鑄造爐內(nèi)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(duì)籽晶2預(yù)熱后，籽晶底端溫度范圍為1370~1390°C，將籽晶由上向下移動(dòng)浸入硅熔液4內(nèi)；[0025]步驟S3:控制籽晶2的旋轉(zhuǎn)速度并緩慢提升籽晶，從籽晶2和硅熔液4的接觸面向下及四周生長(zhǎng)形成準(zhǔn)單晶錠；籽晶2的旋轉(zhuǎn)速度范圍優(yōu)選為0.5~2轉(zhuǎn)/分，緩慢提升籽晶，并保證硅錠與硅熔液均勻的接觸面，生長(zhǎng)的準(zhǔn)單晶錠的提升高度不高于石英坩堝側(cè)壁高度，以保證準(zhǔn)單晶錠處于加熱區(qū)域內(nèi)；
[0026]步驟S4:當(dāng)準(zhǔn)單晶錠的生長(zhǎng)比重達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，比如待準(zhǔn)單晶錠的生長(zhǎng)比重達(dá)到原硅熔液的80%以上，結(jié)束晶體生長(zhǎng)，降溫至退火溫度，冷卻出爐。
[0027]本發(fā)明中優(yōu)選的籽晶晶向?yàn)閇100]，當(dāng)控制晶體生長(zhǎng)的方向的溫度梯度在I~
1.5V /cm時(shí)，晶體生長(zhǎng)外形為方形，當(dāng)溫度梯度在3~4°C /cm時(shí)，晶體形狀為圓柱形。本發(fā)明中生長(zhǎng)的準(zhǔn) 單晶由于生長(zhǎng)的準(zhǔn)單晶錠與石英坩堝之間有硅熔液存在，不直接接觸，熱應(yīng)力小，所以此方法生長(zhǎng)的準(zhǔn)單晶錠，整體單晶率較高，外層沒(méi)有多晶區(qū)域存在，位錯(cuò)密度較低。同時(shí)，由于沒(méi)有與坩堝接觸的區(qū)域，沒(méi)有坩堝內(nèi)雜質(zhì)的污染，無(wú)需去皮處理，利用率高。從而解決了現(xiàn)有準(zhǔn)單晶鑄錠后，單晶率低，硅錠與石英坩堝壁接觸導(dǎo)致的多晶與單晶共存，位錯(cuò)密度高的問(wèn)題。
[0028]下面以晶向?yàn)閇100]，直徑為5~15cm，長(zhǎng)度約20cm的硅單晶棒作為籽晶2，頂部與預(yù)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(duì)?甘禍內(nèi)壁涂層并燒結(jié)，裝入多晶硅料約150kg，在鑄錠爐內(nèi)采用側(cè)面四面加熱和底部加熱的方式加熱到1450°C熔化，待硅料完全熔化后，緩慢將硅熔液溫度調(diào)整至1420°C左右(此處以檢測(cè)溫度1408°C作為常壓下娃的熔點(diǎn)),靜置一小時(shí)。
[0030]將帶有冷卻器的籽晶頂端進(jìn)行預(yù)熱，加熱到1385°C左右后，浸入坩堝中心的硅熔液面內(nèi)，深度為5cm。熱量經(jīng)籽晶傳導(dǎo)由冷卻器帶走。準(zhǔn)單晶硅由頂部向下，由中心向四周開(kāi)始生長(zhǎng)，解決普通準(zhǔn)單晶鑄錠過(guò)程中籽晶需在半熔融狀態(tài)下保持的問(wèn)題。籽晶初始旋轉(zhuǎn)速度保持在I轉(zhuǎn)/分，隨著準(zhǔn)單晶錠的不斷生長(zhǎng)，籽晶均勻緩慢向上提升約2cm至晶體生長(zhǎng)結(jié)束，保證硅熔液與硅錠均勻穩(wěn)定的接觸面。
[0031]待占總重量60%以上的硅熔液凝固后，持續(xù)降低石英坩堝壁的溫度至1405°C，準(zhǔn)單晶錠的旋轉(zhuǎn)速度至2轉(zhuǎn)/分，持續(xù)長(zhǎng)晶至占總重量80%以上的硅熔液凝固成準(zhǔn)單晶，長(zhǎng)晶時(shí)間約30小時(shí)。
[0032]長(zhǎng)晶完畢后，將加熱溫度緩慢降低至退火溫度1350°C，通過(guò)側(cè)面及底面加熱器對(duì)石英坩堝進(jìn)行加熱，準(zhǔn)單晶錠溫度在1350°C保溫2小時(shí)。
[0033]緩慢降溫至出爐溫度300°C以下，降溫速率不高于150°C /小時(shí)，將爐腔內(nèi)壓力調(diào)整至大氣壓后出爐。
[0034]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書(shū)所界定的為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其特征在于，包括如下步驟: a)在石英坩堝內(nèi)將多晶硅料加熱熔化形成硅熔液； b)對(duì)籽晶預(yù)熱后，將籽晶由上向下移動(dòng)浸入硅熔液內(nèi)； c)控制籽晶的旋轉(zhuǎn)速度并緩慢提升籽晶，從籽晶和硅熔液的接觸面向下及四周生長(zhǎng)形成準(zhǔn)單晶錠； d)當(dāng)準(zhǔn)單晶錠的生長(zhǎng)比重達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，結(jié)束晶體生長(zhǎng)，降溫至退火溫度，冷卻出爐。
2.如權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述步驟a)在鑄造爐內(nèi)采用四周側(cè)面和底部加熱的方式將石英坩堝內(nèi)的多晶硅料加熱到1450°C熔化，待硅料完全熔化后，緩慢將硅熔液溫度調(diào)整至1420°C左右。
3.如權(quán)利要求2所述的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述鑄造爐內(nèi)溫度由上往下依次升高，溫度梯度變化值為I~2V /cm。
4.如權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述步驟b)中的籽晶為硅單晶棒，所述硅單晶棒的頂部和冷卻器相連，底端預(yù)熱到1370~1390°C。
5.如權(quán)利要求4所述的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述硅單晶棒的晶向?yàn)?[100]，直徑為5~15cm,長(zhǎng)度為20cm。
6.如權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述步驟c)中籽晶的旋轉(zhuǎn)速度范圍為0.5~2轉(zhuǎn)/分，所述籽晶的提升高度為I~5cm，且生長(zhǎng)形成的準(zhǔn)單晶錠頂部的高度不高于石英坩堝側(cè)壁的高度。
7.如權(quán)利要求6所述的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述步驟b)中籽晶浸入硅熔液內(nèi)5cm深度，先控制籽晶旋轉(zhuǎn)速度保持在I轉(zhuǎn)/分；隨著準(zhǔn)單晶錠的不斷生長(zhǎng)，將籽晶緩慢向上提升約2cm，當(dāng)總重量60%以上的硅熔液定向凝固后，持續(xù)降低石英坩堝壁的溫度至1405°C，并控制準(zhǔn)單晶錠的旋轉(zhuǎn)速度至2轉(zhuǎn)/分；當(dāng)總重量80%以上的硅熔液持續(xù)長(zhǎng)晶凝固成準(zhǔn)單晶后，結(jié)束晶體生長(zhǎng)。
8.如權(quán)利要求2所述的準(zhǔn)單晶硅錠生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述步驟d)中長(zhǎng)晶結(jié)束后，先將加熱溫度緩慢降低至退火溫度1350°C并保溫2小時(shí)；然后以不高于150°C /小時(shí)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(nèi)壓力調(diào)整至大氣壓后出爐。
【文檔編號(hào)】C30B29/06GK103966660SQ201410214862
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】高文秀, 李帥, 趙百通 申請(qǐng)人:江蘇盎華光伏工程技術(shù)研究中心有限公司