專利名稱：一種單晶向、柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于太陽能光伏發(fā)電技術領域，具體涉及一種單晶向、柱狀大 晶 粒的鑄造多晶硅。
背景技術：
太陽能光伏發(fā)電是目前最清潔、環(huán)保的可持續(xù)能源利用形式之一，近
些年在全球得到迅猛發(fā)展。具統計，近10年，全球光伏產業(yè)年均增長 41.3%,近5年為49. 5%， 2008年比2007年增長60%左右，增長速率逐年 遞增。目前商用的太陽電池主要是由晶體硅材料制備的，包括單晶硅和多 晶硅。單晶硅是通過直拉法獲得的，而多晶硅主要是通過鑄造方法獲得的。 由于鑄造多晶硅的制備成本遠遠小于直拉硅，因此，鑄造多晶硅越來越被 廣泛的應用于太陽電池的制備，現在已經占有54%的光伏市場。
相對于直拉單晶硅，鑄造多晶硅太陽電池的效率要小1-2%。其主要原 因是由于鑄造多晶硅中存在大量的晶界和位錯，它們能在硅禁帶中引入深 能級,成為光生少數載流子的有效復合中心，降低電池的光電轉換效率。 考慮到電池的光電轉化效率每提高1%，其成本可降低10%，所以，減少 鑄造多晶硅中的晶界密度、提高硅電池光轉換效率是目前國際光伏界孜孜 以求的目標。另一方面，由于鑄造多晶硅的晶粒取向無序，這使得在電池 制造過程中，高效的異向堿腐蝕技術無法應用于鑄造多晶硅片，得到均勻 的絨面，所以， 一般采用同向酸腐蝕在多晶硅片的表面形成絨面結構，但 是，酸腐蝕制絨后的硅片對太陽光的陷阱作用有限，電池的光電轉換效率難以得到提高。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種單晶向、柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的制備方法。
這種單晶向、柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的制備方法包括
(1) 依次將單晶硅塊、硅原料、摻雜元素置于坩堝中。坩堝底部預 先放置的一定數量的單晶硅塊作為籽晶，將電活性摻雜劑和多晶硅原料同 時放置于坩堝底部預先放置的單晶硅塊之上；
(2) 加熱使單晶硅塊上的硅原料和摻雜元素融化。將爐室抽成真空 或使用Ar氣作為保護氣，將硅原料逐漸加熱到1410。C以上開始融化，此 時從上至下移動保溫罩到一個合適位置，使得硅原料全部融化成液體，而 同時確保坩堝低部的每個單晶硅塊不被完全融化；
(3) 冷卻坩堝底部未融化的單晶硅塊，使單晶硅塊作為籽晶誘導生 長形成多晶^:。冷卻通過在坩堝底部通冷卻的氣體或冷卻水、調整坩堝位 置、保溫罩位置或熱場來實現。定向凝固時，形成單方向的熱流(晶體的 生長方向垂直向上，熱流方向垂直向下)，在固-液界面處存在一定的軸 向溫度梯度，而在橫向的溫度梯度較小，從而實現從下至上的這種柱狀大 晶 粒多晶硅的生長。
優(yōu)選地，所述的單晶硅籽晶的晶向為<100>，這樣生長得到的鑄造多 晶硅中晶粒的晶向也為<100>,使得高效的異向堿腐蝕能得到比較應用于
單晶硅
優(yōu)選地，所述的單晶硅籽晶的形狀可以為長方體，其長為1-10cm，寬 為1-10cm,高為O. 5-10cm。這樣的籽晶不但容易準備，而且耗材少。 優(yōu)選地，所述的單晶硅塊的形狀為圓柱體，其直徑為1-10cm，高度為
4l-10cm。這樣的籽晶也比較容易準備，而且耗材少。
優(yōu)選地，所述的單晶硅塊均勻地置于坩鍋的底部，這樣得到的鑄造多 晶硅的晶粒大小也均勻。
優(yōu)選地，所述的摻雜元素為硼、鎵或磷。
優(yōu)選地，所述的步驟(2)中加熱時，調整保溫罩位置，使得單晶硅 塊上的硅原料和摻雜元素融化，而單晶硅不完全融化。這個方法操作過程 簡單、易控制。
優(yōu)選地，步驟(3)中的冷卻坩堝底部時，通入冷卻氣體或冷卻水。 通過循環(huán)的冷卻氣體或冷卻水將熱量的方法效果好，而且^喿作過程簡單、 易控制。
所述的融化掉的單晶硅塊厚度占單晶硅塊總厚度可以在10% ~ 90% 之間。
這種同晶向、柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的特點是所有的晶粒尺寸大， 成柱狀，晶粒的橫截面積均大于5cm2 ，晶界的密度非常??；而且每個晶 粒的晶向都是相同的。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明采用鑄造方法獲得柱狀大晶粒多晶硅 可以有效的降低材料中的晶界密度，基本消除了當前普通鑄造多晶硅中由 于存在大量晶界導致電池效率降低的問題；同時，本發(fā)明獲得鑄造多晶硅 中的晶粒都具有相同的晶向，所以在電池制備過程中高效的堿制絨技術能 夠被應用，從而提高電池對光的吸收效率。此材料非常適合用于高效太陽 能電池的制備。
具體實施例方式
以下將結合實施例進一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。
5實施例1
先將50個長方體(長x寬x高lcm x lcm x lcm )的無位錯的<100〉 單晶硅塊均勻地鋪在坩堝底部，然后將240kg的硅原料置于這些單晶硅塊 上，摻入20mg的摻雜劑硼，實現裝爐。將爐室抽成真空，使用Ar氣作 為保護氣。調整保溫罩位置，將硅原料逐漸加熱到1410°C以上，使硅原 料融化成液體，而坩堝底部的單晶硅塊上半部被融化。最后，在坩堝底部 通入冷卻水進行熱交換，并以1 mm/min的速度提升保溫罩，使得硅熔體 從底部向上逐漸定向凝固，通過鋪在底部的未融化的單晶珪作為籽晶誘導 生長，鑄造形成硼濃度為6X10"/cn^的柱狀大晶粒、晶向為<100>的多晶 硅。
本實施例得到的鑄造多晶硅片中的晶粒尺寸都大于5cm2，而且每個 晶粒的晶向為<100>。其少子壽命在4微秒以上，比普通鑄造多晶硅片高 1倍以上；而且這種多晶硅片在堿制絨后對光的吸收效率比酸制絨的普通 鑄造多晶硅片高8%左右。
實施例2
先將15個圓柱體(直徑為5cm,高度為2cm)的無位錯的<100>單晶 硅塊均勻鋪在坩堝底部，然后將240kg的硅原料置于這些單晶硅塊上，摻 入20mg的摻雜劑硼，實現裝爐。將爐室抽成真空，使用Ar氣作為保護 氣。調整保溫罩位置，將硅原料逐漸加熱到1410°C以上，使硅原料融化 成液體，而坩堝底部的單晶硅塊上半部被融化。最后，在坩堝底部通入冷 卻水進行熱交換，并以2 mm/min的速度提升保溫罩，使得硅熔體從底部 向上逐漸定向凝固，通過鋪在底部的未融化的單晶硅作為籽晶誘導生長， 鑄造形成硼濃度為6X10"/cn^的柱狀大晶粒、晶向為<100>的多晶硅。本實施例得到的鑄造多晶硅片中的晶粒尺寸都大于30cm2,而且每個 晶粒的晶向為<100>。其少子壽命在5微秒以上，比普通鑄造多晶硅片高 1.5倍以上；而且這種多晶硅片在堿制絨后對光的吸收效率比酸制絨的普 通鑄造多晶硅片高10%左右。
權利要求
1、一種單晶向、柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的制備方法，包括(1)依次將一定數量的單晶硅塊、硅原料、摻雜元素置于坩堝中；(2)加熱使單晶硅塊上的硅原料和摻雜元素融化，而每個單晶硅塊不被全部融化；(3)熱交換從坩堝底部開始，使單晶硅塊作為籽晶誘導生長定向凝固形成多晶硅。
2、 如權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的單晶硅塊的 晶向相同，晶向為<100>。
3、 如權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的單晶硅塊的 形狀為長方體，其長為1-10cm，寬為l-10cm，高為0. 5-10cm。
4、 如權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的單晶硅塊的 形狀為圓柱體，其直徑為1-10cm，高度為l-10cm。
5、 如權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的單晶硅塊均 勻地置于坩鍋的底部。
6、 如權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的摻雜元素為 硼、鎵或磷。
7、 如權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(2)中加熱時， 調整保溫罩位置，使得單晶硅塊上的硅原料和摻雜元素融化，而單晶硅不 完全融化。
8、 如權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(3)中的定向 凝固時，保溫罩以l-4mm/min的速度提升。
9、 如權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(3)中的定向 凝固時，坩堝底部的熱交換通過通冷卻氣體或冷卻水發(fā)生。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種同晶向、柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的制備方法，包括(1)依次將單晶硅塊、硅原料、摻雜元素置于坩堝中；(2)加熱使單晶硅塊上的硅原料和摻雜元素融化，而每個單晶硅塊不被全部融化；(3)熱交換從坩堝底部開始，使單晶硅塊作為籽晶誘導生長定向凝固形成多晶硅。本發(fā)明得到的柱狀、大晶粒多晶硅可以有效的降低材料中的晶界密度，基本消除了當前普通鑄造多晶硅中由于存在大量晶界導致電池效率降低的問題；同時，本發(fā)明得到的多晶硅中的晶粒具有同晶向，使電池制備過程中高效的堿制絨技術能夠被應用，從而提高電池對光的吸收效率。
文檔編號C30B28/00GK101654805SQ200910152970
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月24日 優(yōu)先權日2009年9月24日
發(fā)明者余學功, 楊德仁 申請人:浙江大學