專(zhuān)利名稱(chēng)：鑄錠單晶硅生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鑄錠單晶硅生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
在光伏產(chǎn)業(yè)中，高光電轉(zhuǎn)換效率和低成本一直是各光伏企業(yè)所追求的，晶體硅作為當(dāng)前最主要的太陽(yáng)電池材料，其電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。太陽(yáng)能晶體硅主要包括直拉法(CZ)單晶硅和鑄錠法多晶硅。直拉法得到的單晶硅具有缺陷密度低、光電轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，特別是堿制絨電池工藝的應(yīng)用，使其表面形成規(guī)則的金字塔織構(gòu)，提高了表面光的吸收，從而大大提高了光電轉(zhuǎn)換效率。但是直拉法具有產(chǎn)率低、成本高等缺點(diǎn)，與市場(chǎng)發(fā)展要求低成本相背。
鑄錠法多晶硅，具有成本低、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，且氧含量低于CZ法單晶硅，生產(chǎn)出的光伏組件光衰減較CZ法低，但是轉(zhuǎn)換效率也低I. 5-2%。鑄錠法單晶硅，也叫準(zhǔn)單晶、晶單晶、次單晶，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外企業(yè)均在積極開(kāi)發(fā)的一種，其是在石英坩堝底部鋪一層單晶硅塊，然后上面裝上多晶硅料，在熔化的過(guò)程保持籽晶塊被熔化一定高度，但不能熔化完，然后以單晶誘導(dǎo)的方式向上定向凝固出單晶硅錠。該方法既保持了鑄錠法成本低、產(chǎn)率高、氧含量低等優(yōu)點(diǎn)，又具有了單晶晶體缺陷密度低，而且可以利用堿制絨電池工藝，達(dá)到接近于CZ法的轉(zhuǎn)換效率，且做成的組件具有較低的光衰減。在鑄錠單晶生產(chǎn)過(guò)程中，由于目前廣泛采用25塊156mmX 156mmX25mm的方塊
(100)晶向單晶硅塊(CZ法得到)作為籽晶，現(xiàn)在的籽晶加工精度無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接，這樣就導(dǎo)致生產(chǎn)出來(lái)的晶錠在籽晶縫處成為位錯(cuò)缺陷的形成源，位錯(cuò)會(huì)隨著晶體的向上生長(zhǎng)成指數(shù)增值直至布滿整個(gè)截面(在PL圖像中以l_5mm的亞晶界形式表現(xiàn)出來(lái)，一般在晶錠100-150mm開(kāi)始就已布滿整個(gè)截面)，縫隙越大，初始缺陷密度越大，縫隙過(guò)大則會(huì)生長(zhǎng)出多晶花紋。增值的位錯(cuò)對(duì)電池的轉(zhuǎn)換效率有嚴(yán)重的危害，所得到的硅片效率比鑄錠多晶硅片效率還低0. 1-0. 4%。因此對(duì)于籽晶縫隙的縮小，對(duì)整個(gè)鑄錠單晶的晶體質(zhì)量尤其重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種鑄錠單晶硅生產(chǎn)方法，消除籽晶縫隙對(duì)鑄錠單晶整錠晶體質(zhì)量的影響，得到低缺陷密度的鑄錠單晶晶錠。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種鑄錠單晶硅生產(chǎn)方法，坩堝底部鋪一層誘導(dǎo)籽晶塊，誘導(dǎo)籽晶塊下方墊用于在熔化末期及長(zhǎng)晶初期，在拼接區(qū)域形成拼接縫隙處溫度高于兩側(cè)溫度的橫向溫度梯度的散熱裝置，然后在誘導(dǎo)籽晶塊上面裝多晶硅料，在熔化的過(guò)程保持誘導(dǎo)籽晶塊被熔化一定高度，但不能熔化完，然后以單晶誘導(dǎo)的方式向上定向凝固出單晶娃錠。散熱裝置的具有結(jié)構(gòu)可以是散熱裝置為墊在誘導(dǎo)籽晶塊的接縫下方的熔接條。或者，散熱裝置為組合散熱墊板，組合散熱墊板包括墊在誘導(dǎo)籽晶塊的接縫下方的熔接條和石墨散熱板，石墨散熱板表面上具有凹槽，熔接條通過(guò)嵌入凹槽與石墨散熱板組裝成組合散熱墊板。為使坩堝的底部熱電偶的測(cè)量溫度能很好的反應(yīng)固液界面的位置，坩堝為拼接坩堝，散熱裝置為拼接坩堝的坩堝底板，坩堝底板包括墊在誘導(dǎo)籽晶塊的接縫下方的熔接條和石墨散熱板，石墨散熱板表面上具有凹槽，熔接條通過(guò)嵌入凹槽與石墨散熱板組成一體，。熔接條為石英材質(zhì)、剛玉或剛玉莫來(lái)石。熔接條采用石英材質(zhì)，并且構(gòu)成石英框。誘導(dǎo)籽晶塊的接縫中線與熔接條的中線重合。 為對(duì)籽晶縫產(chǎn)生的非誘導(dǎo)成核晶體向上擴(kuò)長(zhǎng)形成最優(yōu)的抑制效果，進(jìn)一步限定， 在誘導(dǎo)籽晶塊的拼接區(qū)域形成5-15°C /cm的橫向溫度梯度。本發(fā)明的有益效果是采用本發(fā)明的方法，可以消除誘導(dǎo)籽晶塊的縫隙對(duì)鑄錠單晶整錠晶體質(zhì)量的影響，得到低缺陷密度的鑄錠單晶晶錠，整錠的電池平均光電轉(zhuǎn)換效率提聞了 0. 3%以上。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖I是本發(fā)明的石英框的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的石墨散熱板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的組合散熱墊板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的長(zhǎng)晶初期示意圖；圖5本發(fā)明的實(shí)例3的拼接坩堝的剖視圖；圖中1.坩堝，2.誘導(dǎo)籽晶塊，3.石英框，31.熔接條，4.石墨散熱板，41.凹槽。
具體實(shí)施例方式如圖4所示，一種鑄錠單晶硅生產(chǎn)方法，在坩堝I底部鋪一層誘導(dǎo)籽晶塊2，誘導(dǎo)籽晶塊2的接縫下方墊散熱裝置，利用散熱裝置在熔化末期及長(zhǎng)晶初期，在籽晶拼接縫隙處形成5-15°C /cm的橫向溫度梯度，然后在誘導(dǎo)籽晶塊2上面裝多晶硅料，在熔化的過(guò)程保持誘導(dǎo)籽晶塊2被熔化一定高度，但不能熔化完，然后以單晶誘導(dǎo)的方式向上定向凝固出單晶娃淀。散熱裝置為墊在誘導(dǎo)籽晶塊的接縫下方的熔接條(31)，或者是墊在誘導(dǎo)籽晶塊下的組合散熱墊板、與組合散熱墊板結(jié)構(gòu)類(lèi)似的拼接坩堝的坩堝底板。組合散熱墊板包括墊在誘導(dǎo)籽晶塊的接縫下方的熔接條(31)和石墨散熱板(4)，石墨散熱板(4)表面上具有凹槽(41 )，熔接條(31)通過(guò)嵌入凹槽(41)與石墨散熱板(4)組裝成組合散熱墊板。拼接坩堝的坩堝底板包括墊在誘導(dǎo)籽晶塊的接縫下方的熔接條(31)和石墨散熱板(4)，石墨散熱板(4)表面上具有凹槽(41)，熔接條(31)通過(guò)嵌入凹槽(41)與石墨散熱板(4)組成一體。無(wú)底坩堝和該坩堝底板拼裝成鑄錠用拼接坩堝熔接條(31)的材質(zhì)的一般選擇石英材質(zhì)，并構(gòu)成石英框3，或者采用其它耐火度大于1400°C，導(dǎo)熱系數(shù)小于IOff m—1 r1材料，例如，剛玉、剛玉莫來(lái)石等。散熱裝置表面噴鍍了一層高純氮化硅涂層，厚度在50微米-2mm，主要是為了阻擋石英框3或組合散熱墊板中的雜質(zhì)向籽晶中擴(kuò)散和脫模。其中石英框3網(wǎng)格尺寸需要結(jié)合籽晶塊的尺寸，目前一般是按照籽晶面積為156mmX156mm設(shè)計(jì)的。如果采用拼接坩堝，如圖5，由于坩堝底板中的石墨部分是可反復(fù)使用的，且石墨導(dǎo)熱系數(shù)比較大，這樣底部熱電偶的測(cè)量溫度能很好的反應(yīng)固液界面的位置，這樣通過(guò)首爐的石英棒校準(zhǔn)后，可以按照TC2(底部熱電偶)溫度跳步來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)籽晶剩余高度的控制。具體鑄錠單晶娃生產(chǎn)方法包括a.在GT450型鑄錠石英坩堝或者其他型號(hào)的鑄錠石英坩堝底部墊上石英框3或組合散熱板，或直接使用坩堝底板是類(lèi)似組合散熱板結(jié)構(gòu)的石英拼接坩堝，然后再在上面鋪設(shè)一層誘導(dǎo)籽晶塊2，誘導(dǎo)籽晶塊2高度10-30_，確保誘導(dǎo)籽晶塊2縫隙在石英框3的石 英楞條的中線位置，如圖4所示。b.在誘導(dǎo)籽晶塊2上鋪上硅料及摻雜劑。c.將按照上述裝料方式進(jìn)行裝料的坩堝I置于鑄錠爐中進(jìn)行抽真空并加熱，分段升溫，當(dāng)?shù)撞繜犭娕紲y(cè)量的溫度達(dá)到1300-1400°C，打開(kāi)一定高度的隔熱籠來(lái)保證底部誘導(dǎo)籽晶塊2不先熔化，這樣硅料將從上往下開(kāi)始逐層熔化?？刂苹夏┢谟绕涔桃航缑娴竭_(dá)籽晶面時(shí)籽晶內(nèi)縱向溫度梯度至5-25°C /cm，其控制方法主要通過(guò)對(duì)底部散熱量進(jìn)行控制，例如增加隔熱籠開(kāi)口幅度。此時(shí)TC2(底部熱電偶)溫度在1340-1380°C。通過(guò)石英棒來(lái)檢測(cè)化料位置，保證到達(dá)籽晶后，進(jìn)入長(zhǎng)晶階段，依次完成退火、冷卻階段，得到低缺陷密度鑄錠單晶。通過(guò)熔化末期和長(zhǎng)晶初期的垂直溫度控制及在籽晶拼接縫隙處形成溫度梯度的散熱裝置可獲得如圖4所示的初始長(zhǎng)晶界面，該界面生產(chǎn)過(guò)程可以抑制籽晶縫產(chǎn)生的非誘導(dǎo)成核晶體向上擴(kuò)長(zhǎng)，即向上生長(zhǎng)過(guò)程中籽晶誘導(dǎo)產(chǎn)生的單晶把非誘導(dǎo)成核區(qū)覆蓋，得到全單晶區(qū)。實(shí)施例I把石英框3(網(wǎng)格為156mmX 156mm,石英榜條寬度4cm、高度I. 5cm)墊在標(biāo)準(zhǔn)GT450型石英坩堝底部.將直拉法得到的(100)晶向的單晶硅棒進(jìn)行開(kāi)方，得到156mmX156mm，厚度為25mm的方塊誘導(dǎo)籽晶塊2。把25塊方塊誘導(dǎo)籽晶塊2鋪設(shè)在石英框3上，確保誘導(dǎo)籽晶塊2的拼接縫隙在石英框3的石英楞條的中線位置，如圖4。然后加入硼摻雜劑其它多晶硅料，總投料量430kg。把裝好硅料的坩堝置于鑄錠爐GT450HP中，抽空、加熱，當(dāng)?shù)撞繜犭娕紲囟葹?380°C時(shí)，以6cm/h的速度打開(kāi)隔熱籠置5cm，在頂部熱電偶1560°C控制下化料，化料中期，TC2溫度顯示在1380-1385°C，化料中后期采用石英棒測(cè)量化料高度，當(dāng)還剩余4cm高固體娃時(shí)，以10cm/h的速度增加隔熱籠開(kāi)幅至7cm,當(dāng)固體還剩余2. 5cm時(shí)，TC2顯示13°C,此時(shí)增加隔熱籠開(kāi)幅至8cm，進(jìn)入長(zhǎng)晶階段，長(zhǎng)晶初期速率為0. 8cm/h，按步逐漸增大隔熱籠開(kāi)幅完成長(zhǎng)晶，退火、冷卻完成得到鑄錠單晶晶錠。開(kāi)方后，得到25根全單晶晶棒，IR結(jié)果顯示非籽晶誘導(dǎo)區(qū)高度為I. 4cm，頂部的硅片PL檢測(cè)結(jié)果顯示已無(wú)的亞晶界，效率比下部硅片低0. 1% (而現(xiàn)有技術(shù)是低0.5-1. 0%)。實(shí)施例2
把組合散熱墊板(石英框3的網(wǎng)格為156mmX 156mm,石英榜條寬度4cm、高度2cm,石墨散熱板4下層厚度為2cm)墊在標(biāo)準(zhǔn)GT450型石英坩堝底部.將直拉法得到的(100)晶向的單晶硅棒進(jìn)行開(kāi)方，得到156mmX156mm，厚度為25mm的方塊誘導(dǎo)籽晶塊2。把25塊方塊誘導(dǎo)籽晶塊2鋪設(shè)在石英框3上，確保誘導(dǎo)籽晶塊2縫隙在石英框3的石英楞條的中線位置，見(jiàn)圖4。然后加入硼摻雜劑其它多晶硅料，總投料量430kg。把裝好硅料的坩堝置于鑄錠爐GT450HP中，抽空、加熱，當(dāng)?shù)撞繜犭娕紲囟葹?380°C時(shí)，以6cm/h的速度打開(kāi)隔熱籠置5cm，在頂部熱電偶1560°C控制下化料，化料中期，TC2溫度顯示在1378-1386°C，化料中后期采用石英棒測(cè)量化料高度，當(dāng)還剩余4cm高固體硅時(shí)，以10cm/h的速度增加隔熱籠開(kāi)幅至7cm，當(dāng)固體還剩與2. 5cm時(shí)，TC2顯示1356. 1°C, 此時(shí)增加隔熱籠開(kāi)幅至8. 5cm，進(jìn)入長(zhǎng)晶階段，長(zhǎng)晶初期速率為0. 7cm/h，按步逐漸增大隔熱籠開(kāi)幅完成長(zhǎng)晶，退火、冷卻完成得到鑄錠單晶晶錠。開(kāi)方后，得到25根全單晶晶棒，IR結(jié)果顯示非籽晶誘導(dǎo)區(qū)高度為I. 2cm，頂部的硅片PL檢測(cè)結(jié)果顯示已無(wú)的亞晶界，效率比下部硅片低0. 2% (而現(xiàn)有技術(shù)是低0. 5-1. 0%)。實(shí)施例3按照?qǐng)D5的方式把石英框3(網(wǎng)格為156mmX 156mm,石英榜條寬度4cm、高度2cm)、石墨散熱板4(總厚度為9cm，由于采用的是拼接坩堝，因此增加了高度，且增加了一層臺(tái)階，中間一層臺(tái)階高度為5cm)、無(wú)底450型坩堝進(jìn)行拼裝。將直拉法得到的(100)晶向的單晶硅棒進(jìn)行開(kāi)方，得到156mmX156mm，厚度為25mm的方塊誘導(dǎo)籽晶塊2。把25塊方塊誘導(dǎo)籽晶塊2鋪設(shè)在石英框3上，確保誘導(dǎo)籽晶塊2縫隙在石英框3的石英楞條的中線位置，見(jiàn)圖4。然后加入硼摻雜劑其它多晶硅料，總投料量430kg。把裝好硅料的坩堝置于鑄錠爐GT450HP中，抽空、加熱，當(dāng)?shù)撞繜犭娕紲囟葹?380°C時(shí)，以6cm/h的速度打開(kāi)隔熱籠置2cm，在頂部熱電偶1560°C控制下化料，化料中期，TC2溫度顯示在1390-1398°C，化料中后期采用石英棒測(cè)量化料高度，當(dāng)還剩余4cm高固體硅時(shí)，以10cm/h的速度增加隔熱籠開(kāi)幅至3cm，當(dāng)固體還剩與2. 5cm時(shí)，TC2顯示1375. 4°C(采用該拼接坩堝TC2與固體剩余高度有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，生產(chǎn)過(guò)程中，連續(xù)20爐數(shù)據(jù)顯示，按照底部熱電偶1375.4°C時(shí)測(cè)量的固體高度為2. 5±0. 1cm)，此時(shí)增加隔熱籠開(kāi)幅至3. 5cm，進(jìn)入長(zhǎng)晶階段，長(zhǎng)晶初期速率為0. 8cm/h，按步逐漸增大隔熱籠開(kāi)幅完成長(zhǎng)晶，退火、冷卻完成得到鑄錠單晶晶錠。開(kāi)方后，得到25根全單晶晶棒，IR結(jié)果顯示非籽晶誘導(dǎo)區(qū)高度為0. 8cm，頂部的硅片PL檢測(cè)結(jié)果顯示已無(wú)的亞晶界，效率比下部硅片低0. 15% (而現(xiàn)有技術(shù)是低0. 5-1.0%)。
權(quán)利要求
1.一種鑄錠單晶硅生產(chǎn)方法，其特征是坩堝(I)底部鋪一層誘導(dǎo)籽晶塊(2)，誘導(dǎo)籽晶塊(2)下方墊用于在熔化末期及長(zhǎng)晶初期，在拼接區(qū)域形成拼接縫隙處溫度高于兩側(cè)溫度的橫向溫度梯度的散熱裝置，然后在誘導(dǎo)籽晶塊(2)上面裝多晶硅料，在熔化的過(guò)程保持誘導(dǎo)籽晶塊(2)被熔化一定高度，但不能熔化完，然后以單晶誘導(dǎo)的方式向上定向凝固出單晶娃淀。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鑄錠單晶硅生產(chǎn)方法，其特征是所述的散熱裝置為墊在誘導(dǎo)籽晶塊的接縫下方的熔接條(31)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鑄錠單晶硅生產(chǎn)方法，其特征是所述的散熱裝置為組合散熱墊板，組合散熱墊板包括墊在誘導(dǎo)籽晶塊的接縫下方的熔接條(31)和石墨散熱板(4)，石墨散熱板(4)表面上具有凹槽(41)，熔接條(31)通過(guò)嵌入凹槽(41)與石墨散熱板(4)組裝成組合散熱墊板。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鑄錠單晶硅生產(chǎn)方法，其特征是所述的坩堝(I)為拼接坩堝，所述的散熱裝置為拼接坩堝的坩堝底板，坩堝底板包括墊在誘導(dǎo)籽晶塊的接縫下方的 熔接條(31)和石墨散熱板(4)，石墨散熱板(4)表面上具有凹槽(41)，熔接條(31)通過(guò)嵌入凹槽(41)與石墨散熱板(4)組成一體。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鑄錠單晶硅生產(chǎn)方法，其特征是所述的熔接條(31)為石英材質(zhì)、剛玉或剛玉莫來(lái)石。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鑄錠單晶硅生產(chǎn)方法，其特征是所述的熔接條(31)采用石英材質(zhì)，并且構(gòu)成石英框。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3或4或5所述的鑄錠單晶硅生產(chǎn)方法，其特征是所述的誘導(dǎo)籽晶塊(2)的接縫中線與熔接條(31)的中線重合。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3或4或5所述的鑄錠單晶硅生產(chǎn)方法，其特征是在誘導(dǎo)籽晶塊(2)的拼接區(qū)域形成5-15°C /cm的橫向溫度梯度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鑄錠單晶硅生產(chǎn)方法，該方法在坩堝底部鋪一層誘導(dǎo)籽晶塊，誘導(dǎo)籽晶塊下方墊用于在熔化末期及長(zhǎng)晶初期，在拼接區(qū)域形成拼接縫隙處溫度高于兩側(cè)溫度的橫向溫度梯度的散熱裝置，然后在誘導(dǎo)籽晶塊上面裝多晶硅料，在熔化的過(guò)程保持誘導(dǎo)籽晶塊被熔化一定高度，但不能熔化完，然后以單晶誘導(dǎo)的方式向上定向凝固出單晶硅錠。本發(fā)明的有益效果是采用本發(fā)明的方法，可以消除誘導(dǎo)籽晶塊的縫隙對(duì)鑄錠單晶整錠晶體質(zhì)量的影響，得到低缺陷密度的鑄錠單晶晶錠，整錠的電池平均光電轉(zhuǎn)換效率提高了0.3%以上。
文檔編號(hào)C30B11/00GK102747414SQ20121020615
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者葉宏亮, 陳雪, 黃振飛 申請(qǐng)人:常州天合光能有限公司