專利名稱：一種石英坩堝和鑄造準(zhǔn)單晶的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏行業(yè)，具體是一種準(zhǔn)單晶鑄造石英坩堝，及其一種準(zhǔn)單晶鑄造方 法。
背景技術(shù)：
從目前的光伏市場來看，硅太陽電池占據(jù)大部分的市場份額。根據(jù)所使用的材料 類型的不同，硅太陽電池可以分為晶體硅太陽電池以及薄膜硅太陽電池。由于設(shè)備昂貴、工 藝較復(fù)雜以及轉(zhuǎn)化效率較低等原因，薄膜硅太陽電池所占市場份額要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于晶體硅太陽 電池，根據(jù)市場統(tǒng)計數(shù)據(jù)，晶體硅太陽電池在2009年所占份額為85%左右。在晶體硅太陽 電池中，由于多晶硅材料較簡單的制造工藝以及相對較低的制造成本，從2003年開始，多 晶硅所占市場份額已經(jīng)超過單晶硅太陽電池。從目前主流工藝來看，單個多晶硅鑄錠的重量可以達(dá)到450kg，是單晶硅單根晶錠 重量的幾倍，并且鑄造多晶硅錠主要的生長過程就是一個定向凝固過程，相比單晶硅的生 長過程(潤晶、縮頸、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑生長、收尾)要簡單得多，這就決定了多晶硅片的生產(chǎn) 成本要比單晶硅片低。隨著鑄錠技術(shù)的不斷優(yōu)化，鑄造多晶硅中的平均晶粒直徑可以達(dá)到 厘米級，這樣，晶界對多晶硅電學(xué)性能的影響就不是特別嚴(yán)重。根據(jù)工廠大規(guī)模生產(chǎn)數(shù)據(jù)， 由相同工藝制造的單晶硅和多晶硅太陽電池，絕對效率相差大約1_2%。鑄造法的基本工藝過程一般是在石英坩堝中將熔化的硅原料由底部到頂部逐漸 凝固為硅晶體。為了防止來自石英坩堝中氧及其他雜質(zhì)對硅晶體的沾污，坩堝內(nèi)壁一般涂 覆Si3N4涂層，但仍然不能有效的阻止坩堝中雜質(zhì)特別是金屬雜質(zhì)對硅晶體的沾污。這些雜 質(zhì)常常聚集在多晶硅的缺陷上，引起缺陷復(fù)合活性的提高，降低了多晶硅及其電池的電學(xué) 性能。因此，很多公司以及研究小組致力于開發(fā)鑄造單晶活著準(zhǔn)單晶技術(shù)，利用低成本的鑄 造法生長缺陷密度極低的硅晶體。目前在鑄造法生產(chǎn)準(zhǔn)單晶方面走在前面的公司為BP Solar,他們開發(fā)出了稱 為"Mono2” 的準(zhǔn)單晶鑄造技術(shù)Stoddard N, Wu B, Witting I，Wagener Μ, Park Y, Rozgonyi G, Clark R. Casting single crystal silicon: Novel defect profiles from BP solar's mono(2) (TM) wafers[J]. Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology Xii, 2008, 131-133: 1-8。其基本思想是在坩堝底部加入籽 晶，再在籽晶的上面裝料，在硅原料熔化過程中，籽晶或者一部分籽晶始終保持固態(tài)，在冷 卻過程中，準(zhǔn)單晶就會沿著籽晶的晶向結(jié)晶。從他們得到的晶體來看，缺陷密度確實(shí)得到了 很大程度的降低，相應(yīng)的，由這種準(zhǔn)單晶制造的太陽電池以及組件的性能也得到了提高。枝狀晶生長是金屬學(xué)中常見的概念，硅晶體生長中很少有人關(guān)注。枝狀晶生長結(jié) 晶初期，由于過冷度的影響，某個晶向生長速度明顯高于其他晶向，使得這個晶向呈樹枝狀 在熔體中擇優(yōu)生長。隨著熔體的進(jìn)一步冷卻，其他熔體逐漸以擇優(yōu)生長出的枝狀晶為籽晶 進(jìn)行生長，直至完全結(jié)晶。因此，這種生長方法得到的晶體晶向比較單一。Fujiwara將這 種枝狀晶生長技術(shù)引入到多晶硅鑄造工藝中，利用硅在某個方向的擇優(yōu)結(jié)晶生長特性得
3到晶粒較大、晶界密度較低的鑄造多晶硅。此技術(shù)的關(guān)鍵是在晶界開始階段的熱場控制， 在坩堝底部得到<112>晶面的結(jié)晶，后面的結(jié)晶就會沿著這個方向不斷向上生長，直到結(jié) 晶過禾呈結(jié)束Fujiwara K, Pan W, Usami N, Sawada K, Tokairin Μ, Nose Y, Nomura A, Shishido T, Nakajima K. Growth of structure-controlled polycrystalline silicon ingots for solar cells by casting[J]. Acta Materialia, 2006, 54(12): 3191-3197。利用枝狀晶鑄造法得到的多晶硅中，晶粒明顯較普通多晶硅大，晶界密度明顯 較低，從晶向來看，<112>晶向所占比例非常高。根據(jù)報道，由這種多晶硅制造的太陽電池 轉(zhuǎn)化效率得到明顯提高。然而，以上鑄造準(zhǔn)單晶技術(shù)都存在一定的缺點(diǎn)。對于BP Solar的Mono2技術(shù)， 準(zhǔn)單晶生長需要籽晶的輔助，籽晶的加入直接增加了鑄造法的生產(chǎn)成本；對于枝狀晶鑄造 準(zhǔn)單晶技術(shù)，硅晶體結(jié)晶初期的精確控制非常重要，需要特殊的鑄造爐才能很好的控制枝 狀晶的生長，前期結(jié)果都是在實(shí)驗(yàn)室得到，工業(yè)生產(chǎn)還存在一定問題。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鑄造準(zhǔn)單晶的石英 坩堝以及采用該坩堝鑄造準(zhǔn)單晶的方法。技術(shù)方案為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了 一種石英坩堝，所述石英坩堝底部具 有誘導(dǎo)籽晶自發(fā)生長的凹坑。一種石英坩堝，底部具有誘導(dǎo)籽晶生長的凹坑。所述石英坩堝底部誘導(dǎo)籽晶生長 的凹坑，其形狀為喇叭狀或漏斗狀。所述石英坩堝底部誘導(dǎo)籽晶生長的凹坑，由錐狀上部和柱狀下部構(gòu)成。所述凹坑 的錐狀上部上端為橢圓形或多邊形；柱狀下部的底部為橢圓形或多邊形。所述凹坑最大深度h為2-14cm ；所述柱狀下部底部橢圓形短軸或多邊形最短邊d 為5mnT50mm;所述柱狀下部(2)高度h’大于2d ；所述錐形上部上端橢圓形短軸或多邊形 最短邊D為30mnTl56mm。所述相鄰籽晶誘導(dǎo)凹坑之間的距離為D 2D。所述石英坩堝底部 厚度為5cnTl5Cm。所述石英坩堝表面涂覆氮化硅涂層。本發(fā)明還公開了一種鑄造準(zhǔn)單晶的方法，該方法的具體步驟如下
(1)采用上述的石英坩堝鑄造準(zhǔn)單晶，首先在石英坩堝內(nèi)裝入硅料；
(2)將石英坩堝放入鑄造爐，爐內(nèi)溫度，1450-1580攝氏度；
(3)初期階段凹坑內(nèi)硅熔體的結(jié)晶速度小于lmm/min；
(4)然后以0.5-3mm/min的速度完成整個晶體的生長；
(5)冷卻出爐。本發(fā)明中所述步驟(1)中石英坩堝的底部凹坑內(nèi)可放入單晶籽晶，所述單晶籽晶 的長度為2cm 5cm，直徑與凹坑下端柱狀區(qū)域尺寸相同。本發(fā)明利用晶體生長的自然淘汰法則，當(dāng)晶體在較小直徑的容器中結(jié)晶時，如附 圖ι所示，假設(shè)在容器底部存在三個晶向的晶核A、B和C，由于晶體的各向異性，不同晶向 生長速度不同，假設(shè)B晶向最快生長方向與容器壁平行，而A、C晶向最快生長方向與容器壁 斜交，當(dāng)生長過一定高度后，A和C晶向就會被自然淘汰，只留下B晶向。利用此原理，我們 就可以得到后續(xù)晶體生長的籽晶。
4
本發(fā)明在石英坩堝底部制作排列上口大下口小的誘導(dǎo)籽晶自發(fā)生長的凹坑，有效 的提高了生長出的鑄造晶體硅的質(zhì)量，進(jìn)而提高了太陽能電池的電學(xué)性能。有益效果本發(fā)明所述石英坩堝的使用有效的提高了生長出的準(zhǔn)單晶的質(zhì)量，進(jìn) 而提高了太陽能電池的電學(xué)性能。本發(fā)明中所述的鑄造準(zhǔn)單晶的方法，得到的晶粒直徑約為5-lOcm，經(jīng)測試位錯密 度在IO3CnT2左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相同條件下普通鑄造方法得到的硅晶體中IO4-IO5CnT2的數(shù)值范 圍；相應(yīng)的，采用本發(fā)明所述方法得到的硅片少子壽命值為18us左右，大于相同原料普通 鑄造法得到的硅片的Ilus的少子壽命值。


圖1自然淘汰法則示意圖。圖2為本發(fā)明中所述石英坩堝結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明中所述石英坩堝截面圖。圖4為本發(fā)明中所述石英坩堝底部誘導(dǎo)籽晶生長的凹坑的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明中所述石英坩堝底部誘導(dǎo)籽晶生長的凹坑的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明中所述石英坩堝底部誘導(dǎo)籽晶生長的凹坑的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本發(fā)明中所述石英坩堝底部誘導(dǎo)籽晶生長的凹坑的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價 形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定。實(shí)施例1
一種石英坩堝，形狀為方形，坩堝底部設(shè)置喇叭狀凹坑；坩堝底厚度為IOcm ；上端大圓 環(huán)直徑D大小100mm，下端小圓環(huán)直徑1cm，h’大小為5cm，凹坑深度為8cm，底面制作均勻 排列的凹坑36個；石英坩堝表面涂覆氮化硅涂層。一種鑄造準(zhǔn)單晶的方法，該方法的具體步驟如下
(1)采用本實(shí)施例中所述的石英坩堝，并在石英坩堝內(nèi)裝入270kg的硅錠；
(2)將石英坩堝放入鑄造爐，爐內(nèi)溫度1450攝氏度；
(3)初期階段凹坑內(nèi)硅熔體的結(jié)晶速度為0.8mm/min ；
(4)然后以lmm/min的速度完成整個晶體的生長；
(5)冷卻出爐。實(shí)施例2
一種石英坩堝，形狀為方形，坩堝底部設(shè)置如附圖4中所示形狀凹坑；坩堝底厚度為 15cm ；上端邊長D大小156mm，下端邊長d為30mm，h，大小為80_，凹坑深度h為13cm，底 面制作均勻排列的凹坑25個；石英坩堝表面涂覆氮化硅涂層。一種鑄造準(zhǔn)單晶的方法，該方法的具體步驟如下
(1)采用本實(shí)施例中所述的石英坩堝，并在石英坩堝內(nèi)裝入450kg的硅錠；
(2)將石英坩堝放入鑄造爐，爐內(nèi)溫度1580攝氏度；
5(3)初期階段凹坑內(nèi)硅熔體的結(jié)晶速度為0.5mm/min ；
(4)然后以3mm/min的速度完成整個晶體的生長；
(5)冷卻出爐。實(shí)施例3
一種石英坩堝，形狀為方形，坩堝底部設(shè)置如附圖5中所示形狀凹坑；坩堝底厚度h 為5cm ；上端四邊形短邊長D大小為75mm，長邊長與坩堝邊長相等，下端四邊形短邊長d為 5mm，h’大小為25mm，凹坑深度為13cm，底面制作平行均勻排列的凹坑10個；石英坩堝表面
涂覆氮化硅涂層。一種鑄造準(zhǔn)單晶的方法，該方法的具體步驟如下
(1)采用本實(shí)施例中所述的石英坩堝，并在石英坩堝內(nèi)裝入450kg的硅錠；
(2)將石英坩堝放入鑄造爐，爐內(nèi)溫度1520攝氏度；
(3)初期階段凹坑內(nèi)硅熔體的結(jié)晶速度為0.5mm/min ；
(4)然后以0.5mm/min的速度完成整個晶體的生長；
(5)冷卻出爐。實(shí)施例4
一種石英坩堝，形狀為方形，坩堝底部設(shè)置如附圖6中所示形狀凹坑；坩堝底厚度h為 IOcm ；上端四邊形短邊長D大小為30mm，長邊長與坩堝邊長相等，下端四邊形短邊長d為 5mm, h’大小為35mm，凹坑深度為7cm，底面制作平行均勻排列的凹坑25個；石英坩堝表面
涂覆氮化硅涂層。一種鑄造準(zhǔn)單晶的方法，該方法的具體步驟如下
(1)采用本實(shí)施例中所述的石英坩堝，并在石英坩堝內(nèi)裝入450kg的硅錠；
(2)將石英坩堝放入鑄造爐，爐內(nèi)溫度1480攝氏度；
(3)初期階段凹坑內(nèi)硅熔體的結(jié)晶速度為0.5mm/min ；
(4)然后以1.5mm/min的速度完成整個晶體的生長；
(5)冷卻出爐。實(shí)施例5
一種石英坩堝，形狀為方形，坩堝底部設(shè)置如附圖7中所示形狀凹坑；坩堝底厚度h為 15cm ；上端四邊形短邊長D大小為156mm，長邊長與坩堝邊長相等，下端四邊形短邊長d為 50mm, h’大小為100mm，凹坑深度為14cm，底面制作平行均勻排列的凹坑5個；石英坩堝表
面涂覆氮化硅涂層。一種鑄造準(zhǔn)單晶的方法，該方法的具體步驟如下
(1)采用本實(shí)施例中所述的石英坩堝，并在石英坩堝內(nèi)裝入450kg的硅錠；
(2)將石英坩堝放入鑄造爐，爐內(nèi)溫度1480攝氏度；
(3)初期階段凹坑內(nèi)硅熔體的結(jié)晶速度為0.3mm/min ；
(4)然后以2.5mm/min的速度完成整個晶體的生長；
(5)冷卻出爐。實(shí)施例6
一種石英坩堝，形狀為方形，坩堝底部設(shè)置如附圖4中所示形狀凹坑；坩堝底厚度為 15cm ；上端邊長D大小156mm，下端邊長d為30mm，h，大小為80_，凹坑深度h為13cm，底
6面制作均勻排列的凹坑25個；石英坩堝表面涂覆氮化硅涂層。
一種鑄造準(zhǔn)單晶的方法，該方法的具體步驟如下
(1)向分別向坩堝底部凹坑中放入底面邊長為30mm，長度2-5cm的(100)晶向籽晶；
(2)采用本實(shí)施例中所述的石英坩堝，并在石英坩堝內(nèi)裝入450kg的硅錠；
(3)將石英坩堝放入鑄造爐，保溫罩比原始位置提升5cm，確保籽晶不會完全熔化，并控 制爐內(nèi)溫度1540攝氏度；
(4)初期階段凹坑內(nèi)硅熔體的結(jié)晶速度為lmm/min；
(5)然后以3mm/min的速度完成整個晶體的生長；
(6)冷卻出爐。
權(quán)利要求
一種石英坩堝，其特征在于所述石英坩堝底部具有誘導(dǎo)籽晶生長的凹坑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石英坩堝，其特征在于所述石英坩堝底部誘導(dǎo)籽晶生 長的凹坑，其形狀為喇叭狀或漏斗狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石英坩堝，其特征在于所述石英坩堝底部誘導(dǎo)籽晶生 長的凹坑，由錐狀上部(1)和柱狀下部(2)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種石英坩堝，其特征在于所述凹坑的錐狀上部(1)上端為 橢圓形或多邊形；柱狀下部(2)的底部為橢圓形或多邊形。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種石英坩堝，其特征在于所述凹坑最大深度h為2-14cm； 所述柱狀下部(2)底部橢圓形短軸或多邊形最短邊d為5mnT50mm ；所述柱狀下部(2)高度 h’大于2d ；所述錐形上部(1)上端橢圓形短軸或多邊形最短邊D為30mnTl56mm ；所述相鄰 籽晶誘導(dǎo)凹坑之間的距離為D 2D。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述的一種石英坩堝，其特征在于所述石英坩 堝底部厚度為5cnTl5Cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石英坩堝，其特征在于所述石英坩堝表面涂覆氮化硅 涂層。
8. —種鑄造準(zhǔn)單晶的方法，其特征在于該方法的具體步驟如下(1)采用權(quán)利1-5中任一權(quán)利要求所述的石英坩堝，在石英坩堝內(nèi)裝入硅錠或單晶籽曰曰曰；(2)將石英坩堝放入鑄造爐，爐內(nèi)設(shè)定溫度范圍為1450-1580攝氏度；(3)初期階段通過控制保溫罩提升速度或坩堝底部冷卻速度使凹坑內(nèi)硅熔體的結(jié)晶速 度小于lmm/min ；(4)然后通過控制保溫罩提升速度或坩堝底部冷卻速度以0.5-3mm/min的速度完成整 個晶體的生長；(5)冷卻出爐。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種鑄造準(zhǔn)單晶的方法，其特征在于所述步驟(1)中石英坩 堝的底部凹坑內(nèi)可放入單晶籽晶，所述單晶籽晶的長度為2cm 5cm，直徑與凹坑下端柱狀 區(qū)域尺寸相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石英坩堝，所述石英坩堝底部具有誘導(dǎo)籽晶自發(fā)生成的凹坑。本發(fā)明還公開了采用上述石英坩堝鑄造準(zhǔn)單晶的方法。本發(fā)明所述石英坩堝的使用有效的提高了生長出的鑄造晶體硅的質(zhì)量，進(jìn)而提高了太陽電池的電學(xué)性能。本發(fā)明中所述的鑄造準(zhǔn)單晶的方法，得到的晶粒直徑約為5-10cm，經(jīng)測試位錯密度在103cm-2左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相同條件下普通鑄造方法得到的硅晶體中104-105cm-2的數(shù)值范圍；相應(yīng)的，采用本發(fā)明所述方法得到的硅片少子壽命值為18us左右，大于相同原料普通鑄造法得到的硅片的11us的少子壽命值。
文檔編號C30B11/00GK101979718SQ20101056415
公開日2011年2月23日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者李曉強(qiáng), 林賽女, 邢國強(qiáng) 申請人:奧特斯維能源(太倉)有限公司