多晶硅錠的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種多晶硅錠的制備方法，其包括以下步驟：S1、提供一坩堝，并在坩堝內(nèi)壁上涂敷氮化硅涂層，在氮化硅涂層上涂敷晶態(tài)硅粉涂層；S2、在上述涂敷后的坩堝內(nèi)側(cè)的底部鋪設(shè)一定厚度的隔離層，并在隔離層上鋪設(shè)一層碎硅料，然后放入多晶硅原料；S3、將裝有多晶硅原料的坩堝放置于一定向凝固鑄錠爐中抽真空，然后加熱使所述多晶硅料熔化進(jìn)入長晶階段；S4、進(jìn)入長晶階段后調(diào)節(jié)控溫?zé)犭娕嫉臏囟群蛡?cè)部隔熱籠向上移動的速率，使熱量向下輻射而使熔硅在豎直向上的溫度梯度下自下向上生長；S5、待所述熔硅結(jié)晶完后經(jīng)退火和冷卻形成多晶硅錠。
【專利說明】多晶硅錠的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能光伏發(fā)電硅片制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種雜質(zhì)含量較低的多晶硅錠的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，提升太陽能電池效率的研究多集中在電池制作工藝的改良及高效電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計，前者如BSF技術(shù),后者如三洋的HIT(Hetero junction with intrinsic Thinlayer結(jié)構(gòu)，即在P型氫化非晶娃和η型氫化非晶娃與η型娃襯底之間增加一層非摻雜(本征)氫化非晶硅薄膜)結(jié)構(gòu)電池，盡管可以制作出效率高出一般商用化產(chǎn)品的電池，但因制程過于復(fù)雜、成本過高，而難以大規(guī)模推廣。如何以較低的成本制備出高效率的太陽能電池成為行業(yè)研究的熱點。
[0003]除電池工藝因素外，傳統(tǒng)多晶硅片的雜質(zhì)含量較高，也是限制多晶硅電池片效率低下的原因之一。在目前的多晶硅鑄造的加工過程中，硅錠在石英坩堝內(nèi)完成熔化及長晶的整個過程需要持續(xù)40小時以上，由于坩堝內(nèi)的雜質(zhì)含量是硅料內(nèi)雜質(zhì)含量的1000倍以上，即使進(jìn)行加工的坩堝內(nèi)壁上涂敷有高純氮化硅涂層以進(jìn)行隔離，坩堝的雜質(zhì)尤其是快擴(kuò)散雜質(zhì)仍會在鑄錠過程中大量進(jìn)入硅錠內(nèi)，從而對硅錠造成污染，進(jìn)而限制多晶硅電池片的轉(zhuǎn)換效率。
[0004]因此，有必要提供一種改進(jìn)的多晶硅錠的制備方法以解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種雜質(zhì)含量較低的高品質(zhì)多晶硅錠的制備方法。
[0006]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種多晶硅錠的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:S1、提供一坩堝，并在坩堝內(nèi)壁上涂敷氮化硅涂層，在氮化硅涂層上涂敷晶態(tài)硅粉涂層；S2、在上述涂敷后的坩堝內(nèi)側(cè)的底部鋪設(shè)一定厚度的隔離層，并在隔離層上鋪設(shè)一層碎硅料，然后放入多晶硅原料；S3、將裝有多晶硅原料的坩堝放置于一定向凝固鑄錠爐中抽真空，然后加熱使所述多晶硅料熔化進(jìn)入長晶階段；S4、進(jìn)入長晶階段后調(diào)節(jié)控溫?zé)犭娕嫉臏囟群蛡?cè)部隔熱籠向上移動的速率，使熱量向下輻射而使熔硅在豎直向上的溫度梯度下自下向上生長；S5、待所述熔硅結(jié)晶完后經(jīng)退火和冷卻形成多晶硅錠。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟SI中所述的氮化硅涂層的厚度為50_70um，純度大于99.9%。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟SI中所述的晶態(tài)硅粉涂層的厚度為40-50um。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的晶態(tài)硅粉涂層的原材料為晶態(tài)硅粉，該晶態(tài)硅粉的平均粒徑為10-15um，純度大于99.9%。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟S2中所述的隔離層采用純度大于99.9%的致密塊狀材料均勻鋪設(shè)形成，且該隔離層的厚度為15-25mm。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述致密塊狀材料為硅塊、或碳化硅、或氮化硅、或氮化鋁、或石英材料。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟S2中所述的碎硅料為以下硅料中的一種或幾種:尺寸小于6_的原生多晶碎料，太陽能級多晶或單晶碎硅片、電子級單晶碎硅片、尺寸小于6mm的硅烷法制備的顆粒硅、以及尺寸小于5cm的多晶硅塊。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟S3中所述多晶硅原料熔化的溫度控制在1500-1550°C。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟S4中所述控溫?zé)犭娕嫉臏囟日{(diào)節(jié)范圍為1400-1430°C。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟S4中所述側(cè)部隔熱籠向上移動的速率為
0.5-0.6cm/h，并且所述側(cè)部隔熱籠的最高移動距離為17cm。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的多晶硅錠的制備方法一方面在坩堝內(nèi)壁的氮化硅涂層上進(jìn)一步涂敷了晶態(tài)硅粉涂層，可有效減少坩堝向硅錠內(nèi)擴(kuò)散的雜質(zhì)，同時可防止氮化硅涂層脫落而對熔硅造成污染；另一方面在坩堝底部設(shè)置隔離層，由于坩堝底部與熔硅接觸的時間最長，在坩堝底部放置隔離層后可大大降低坩堝雜質(zhì)向硅錠內(nèi)部的擴(kuò)散；由以上兩個方面可使得本發(fā)明的制備方法能夠有效隔離坩堝對硅錠的污染，使得采用本發(fā)明制備方法制成的多晶硅錠內(nèi)部的雜質(zhì)含量大大降低，品質(zhì)大大提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明多晶硅錠的制備方法的流程圖；
圖2是本發(fā)明制備多晶硅錠用坩堝裝料后的示意圖；
圖3是本發(fā)明制備多晶硅錠用坩堝裝上隔離層后的俯視圖。
【具體實施方式】
[0018]以下將結(jié)合附圖所示的【具體實施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。但這些實施方式并不限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0019]參圖1所示為本發(fā)明多晶硅錠的制備方法的一【具體實施方式】。在本實施方式中，該方法包括以下步驟:
S1、提供一坩堝，并在坩堝內(nèi)壁上涂敷氮化硅涂層，在氮化硅涂層上涂敷晶態(tài)硅粉涂層；其中，所述坩堝為石英坩堝，所述的氮化硅涂層的厚度為50-70um，純度大于99.9%，優(yōu)選純度為99.999的聞純氣化娃；所述的晶態(tài)娃粉涂層的涂敷原料為晶態(tài)娃粉，該晶態(tài)娃粉的平均粒徑為10-15um，純度大于99.9%，優(yōu)選純度為99.9999的高純晶態(tài)硅粉，形成的所述晶態(tài)硅粉涂層的厚度為40-50um。
[0020]S2、在上述涂敷后的坩堝內(nèi)側(cè)的底部鋪設(shè)一定厚度的隔離層，并在隔離層上鋪設(shè)一層碎硅料，然后放入多晶硅原料；其中，所述隔離層和碎硅料均為均勻鋪設(shè)，所述的隔離層采用純度大于99.9%的致密塊狀材料均勻鋪設(shè)形成，該致密塊狀材料為硅塊、或碳化硅、或氮化硅、或氮化鋁、或石英等高純材料，并且該隔離層的厚度為15-25_。所述的碎硅料為以下硅料中的一種或幾種:尺寸小于6mm的原生多晶碎料，太陽能級多晶或單晶碎硅片、電子級單晶碎硅片、尺寸小于6mm的硅烷法制備的顆粒硅、以及尺寸小于5cm的多晶硅塊。[0021]S3、將裝有多晶硅原料的坩堝放置于一定向凝固鑄錠爐中抽真空，然后加熱使所述多晶硅料熔化進(jìn)入長晶階段；
具體為:將上述裝有多晶硅原料硅料的坩堝置于一定向凝固鑄錠爐中抽真空，然后加熱至一定溫度后向上打開定向凝固鑄錠爐側(cè)部隔熱籠至一定位置，保持坩堝底部溫度低于碎硅料的熔點，且坩堝上下具有較大溫差，從而可使得多晶硅原料具有明顯的熔化界面并緩慢向下推進(jìn)，再通過調(diào)節(jié)控溫?zé)犭娕伎刂乒枇先刍缑娴耐七M(jìn)速度，待碎硅料部分熔化后進(jìn)入長晶階段；其中所述的加熱到一定溫度是指加熱到1200-1500°C;所述的向上打開定向凝固鑄錠爐側(cè)部隔熱籠的位置為6-6.5cm ;所述的坩堝底部溫度為1300-1330°C ;所述的較大溫差為180-200°C ;所述多晶硅原料熔化的溫度即控溫?zé)犭娕嫉臏囟日{(diào)節(jié)范圍控制在1500-1550°C。
[0022]S4、進(jìn)入長晶階段后調(diào)節(jié)控溫?zé)犭娕嫉臏囟群蛡?cè)部隔熱籠向上移動的速率，使熱量向下輻射而使熔硅在豎直向上的溫度梯度下自下向上生長；其中，所述側(cè)部隔熱籠向上移動的速率為0.5-0.6cm/h,同時，為了降低多晶硅錠內(nèi)部的應(yīng)力，所述側(cè)部隔熱籠的最高移動距離為17cm，在此過程中，控溫?zé)犭娕嫉目刂茰囟日{(diào)節(jié)范圍為1400-1430°C。需要說明的是，本實施方式中所提到“向上”是以多晶硅錠結(jié)晶的方向為參照。[0023]S5、待所述溶娃結(jié)晶完后經(jīng)退火和冷卻形成雜質(zhì)含量較低的聞品質(zhì)多晶娃淀。
[0024]結(jié)合圖2及圖3所示，以下以一具體實施例介紹本發(fā)明多晶硅錠的制備方法，具體包括以下步驟:
首先，選用商用G5-480鑄錠石英坩堝I,并在坩堝內(nèi)壁上通過噴涂5-7遍而形成50-70um厚度的高純氮化硅涂層2，在氮化硅涂層2上通過噴涂或涂敷的方法制備一層40-50um厚的高純晶態(tài)硅粉涂層3 ；
其次，在上述涂敷后的坩堝I底部放置25塊厚度為20mm邊長為156mm的正方形多晶硅塊4，形成所述的隔離層，以防止雜質(zhì)侵入坩堝I內(nèi)部；并在硅塊4上方均勻放置30Kg的顆粒硅5，然后放入480-500Kg的其他多晶硅原料6，并根據(jù)所需電阻率加入摻雜劑，所述多晶娃原料6包括原生多晶及復(fù)溶料等；
再次，將上述裝有多晶硅原料6的坩堝I置于一定向凝固鑄錠爐中抽真空，然后加熱至一定溫度后向上打開定向凝固鑄錠爐側(cè)部隔熱籠至一定位置，保持坩堝I底部溫度低于碎硅料，即上述顆粒硅5的熔點，且坩堝I上下具有較大溫差，從而可使得多晶硅原料6具有明顯的熔化界面并緩慢向下推進(jìn)，再通過調(diào)節(jié)控溫?zé)犭娕伎刂乒枇先刍缑娴耐七M(jìn)速度，待顆粒硅5部分熔化后進(jìn)入長晶階段；其中在本實施方式中，所述的加熱到一定溫度是指加熱到1200°C ;所述的向上打開定向凝固鑄錠爐側(cè)部隔熱籠的位置為6-6.5cm ;所述的坩堝底部溫度為1300-1330°C ;所述的較大溫差為180-200°C ;所述的控溫?zé)犭娕嫉臏囟日{(diào)節(jié)范圍為 1500-1530°C ；
然后，進(jìn)入長晶階段后，調(diào)節(jié)控溫?zé)犭娕嫉臏囟群蛡?cè)部隔熱籠向上移動的速率，使熱量向下輻射而使熔硅在未熔化的顆粒硅5上迅速成核，形成均勻的小晶粒，這些小晶粒在豎直向上的溫度梯度下自下向上豎直生長；其中所述的側(cè)部隔熱籠提升速率為0.5-0.6cm/h;并且為了防止晶體在生長過程中豎直的柱狀晶之間擠壓產(chǎn)生位錯等缺陷，在該長晶階段隔熱籠不能提升過聞，其最聞提升距尚為17cm;
最后，待熔硅結(jié)晶完后經(jīng)退火和冷卻形成晶粒小且均勻的多晶硅錠。將形成的所述多晶硅錠經(jīng)過剖方、線切后即可得到用于制作太陽能電池的多晶硅片。
[0025]由以上可知，本發(fā)明上述制備高品質(zhì)多晶硅錠的方法具有如下有益效果:
本發(fā)明一方面在坩堝內(nèi)壁的氮化硅涂層上進(jìn)一步涂敷了晶態(tài)硅粉涂層，從而可有效減
少坩堝向硅錠內(nèi)擴(kuò)散的雜質(zhì)，同時可防止氮化硅涂層脫落而對熔硅造成污染；另一方面在坩堝底部設(shè)置隔離層，由于坩堝底部與熔硅接觸的時間最長，在坩堝底部放置隔離層后可大大降低坩堝雜質(zhì)向硅錠內(nèi)部的擴(kuò)散；由以上兩個方面可使得本發(fā)明的制備方法能夠有效隔離坩堝對硅錠的污染，使得采用本發(fā)明制備方法制成的多晶硅錠內(nèi)部的雜質(zhì)含量大大降低，品質(zhì)大大提聞。
[0026]另外，在本實施例中，作為隔離層使用的高純硅塊的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于坩堝的導(dǎo)熱系數(shù)，其作為晶體生長的承載物，還可起到消除橫向溫度偏差，調(diào)平固液界面的作用，可降低鑄錠內(nèi)部的應(yīng)力。
[0027]綜上，采用本發(fā)明制備的多晶硅錠剖切形成的硅片制備的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率較目前的高效多晶可提升0.1-0.2%，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17.7%以上，同時制程碎片及暗電流比例也有一定幅度的下降，有效降低多晶光伏組件的發(fā)電成本。
[0028]應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施方式中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。 [0029]上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實施方式的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多晶硅錠的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: S1、提供一坩堝，并在坩堝內(nèi)壁上涂敷氮化硅涂層，在氮化硅涂層上涂敷晶態(tài)硅粉涂層； S2、在上述涂敷后的坩堝內(nèi)側(cè)的底部鋪設(shè)一定厚度的隔離層，并在隔離層上鋪設(shè)一層碎硅料，然后放入多晶硅原料； S3、將裝有多晶硅原料的坩堝放置于一定向凝固鑄錠爐中抽真空，然后加熱使所述多晶硅料熔化進(jìn)入長晶階段； S4、進(jìn)入長晶階段后調(diào)節(jié)控溫?zé)犭娕嫉臏囟群蛡?cè)部隔熱籠向上移動的速率，使熱量向下輻射而使熔硅在豎直向上的溫度梯度下自下向上生長； S5、待所述熔硅結(jié)晶完后經(jīng)退火和冷卻形成多晶硅錠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟SI中所述的氮化硅涂層的厚度為50-70um，純度大于99.9%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟SI中所述的晶態(tài)硅粉涂層的厚度為 40_50um。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述的晶態(tài)硅粉涂層的原材料為晶態(tài)娃粉，該晶態(tài)娃粉的平均粒徑為10-15um,純度大于99.9%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟S2中所述的隔離層采用純度大于99.9%的致密塊狀材料均勻鋪設(shè)形成，且該隔離層的厚度為15-25mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述致密塊狀材料為硅塊、或碳化硅、或氮化硅、或氮化鋁、或石英材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟S2中所述的碎硅料為以下硅料中的一種或幾種:尺寸小于6mm的原生多晶碎料，太陽能級多晶或單晶碎硅片、電子級單晶碎娃片、尺寸小于6mm的硅烷法制備的顆粒娃、以及尺寸小于5cm的多晶娃塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟S3中所述多晶硅原料熔化的溫度控制在1500-1550°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟S4中所述控溫?zé)犭娕嫉臏囟日{(diào)節(jié)范圍為1400-1430°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟S4中所述側(cè)部隔熱籠向上移動的速率為0.5-0.6cm/h，并且所述側(cè)部隔熱籠的最高移動距離為17cm。
【文檔編號】C30B28/06GK103882517SQ201410134041
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】李飛龍, 許濤, 翟傳鑫, 張偉娜, 蔣俊峰 申請人:阿特斯(中國)投資有限公司, 阿特斯光伏電力(洛陽)有限公司