多晶硅錠的制備方法、多晶硅鑄錠爐及硅片的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種多晶硅錠的制備方法，包括以下步驟：在坩堝內設置熔融狀態的硅料，其中所述坩堝的內底面為相對水平方向傾斜設置的斜面，所述坩堝的底部的厚度在水平方向上逐步增大；控制長晶時的熱場，使橫向溫度梯度大于縱向溫度梯度，使硅料沿水平方向或與豎直方向呈銳角的方向生長。硅錠生長過程中，由于固液界面不垂直于坩堝軸向(即豎直方向)，可以減少硅錠中的小角度晶界，有利于在高位錯密度形成前，將位錯密度長出晶體之外。因此，后續可以切割得到低晶界密度和低位錯密度的硅片，提升硅片的轉換效率。此外，還提出一種可實施上述方法的多晶硅鑄錠爐。
【專利說明】多晶娃錠的制備方法、多晶娃鑄錠爐及娃片
【技術領域】
[0001]本發明涉及太陽能光伏材料制備領域，具體涉及一種多晶硅錠的制備方法、多晶硅鑄錠爐及硅片。
【背景技術】
[0002]目前晶硅電池占據光伏發電市場的90%以上市場份額，其中基于多晶硅片做襯底的多晶電池占據了晶硅電池的70%左右的市場份額。固體硅料投入鑄錠爐的坩堝內，通過石墨電阻或感應加熱，將硅料熔化，然后通過鑄錠熱場構造的溫度梯度，從底部向上進行豎直方向的長晶，再經過退火、冷卻制備多晶硅錠。多晶硅錠經過開方工序加工成小方錠后，再通過多線切片設備沿著平行或垂直晶體生長方向切割成多晶硅片。光伏發電若要大規模的應用，必須提高發電效率和降低發電成本。目前，鑄錠多晶硅片相對于直拉單晶硅片而言，具有絕對的成本優勢，所以通過多晶硅片質量的提高，進而提升多晶電池效率就顯得尤為重要。
[0003]目前的高效多晶硅錠，主要是通過成核促進層誘發長晶，成核促進層可以是碎硅料、單晶硅方棒或其它熔點>1400°C固體顆粒，誘發成核后晶粒沿著豎直方向向上生長。多晶硅錠開方成小方錠，再沿著平行或垂直晶體生長方向切割成多晶硅片。但這種方法僅能通過增加晶界數量抑制初始位錯密度，并不能有效減少后期晶粒豎直向上生長過程的位錯增殖，再加上過多的晶界，如圖1的PL照片所示，限制了此類方法制備高效多晶效率的繼續提升。
【發明內容】
[0004]基于此，有必要提供一種能提升多晶娃片轉化效率的多晶娃淀的制備方法。
[0005]一種多晶硅錠的制備方法，包括以下步驟:在坩堝內設置熔融狀態的硅料，其中所述坩堝的內底面為相對水平方向傾斜設置的斜面，所述坩堝的底部的厚度在水平方向上逐步增大；控制長晶時的熱場，使橫向溫度梯度大于縱向溫度梯度，使硅料沿水平方向或與豎直方向呈銳角的方向生長。
[0006]在其中一個實施例中，所述控制長晶時的熱場，使橫向溫度梯度大于縱向溫度梯度，使硅料沿水平方向或與豎直方向有夾角的方向生長的步驟中:使隔熱籠靠近所述坩堝的底部最薄處的一面先單獨上升；在預定時間后，再使隔熱籠的其他部分一起上升。
[0007]還提出一種多晶硅鑄錠爐，包括爐體、置于爐體內的隔熱籠、隔熱頂板、隔熱底板，位于隔熱籠內的熱交換臺、位于熱交換臺上的坩堝，置于隔熱籠內的頂加熱器和側加熱器，所述隔熱籠相對于所述隔熱底板和升降，所述坩堝的內底面為相對水平方向傾斜設置的斜面，所述坩堝的底部的厚度在水平方向上逐步增大，隔熱籠靠近所述坩堝的底部最薄處的一面相對于隔熱籠的剩余部分可獨立運動。
[0008]在其中一個實施例中，所述隔熱籠靠近所述坩堝的底部最薄處的一面的熱導率大于隔熱籠剩余部分的熱導率。
[0009]在其中一個實施例中，所述坩堝的四個內側面中，臨近所述坩堝的底部最薄處的坩堝內側面上涂有形核促進層。
[0010]在其中一個實施例中，所述坩堝設置形核促進層的內側面的熱導率大于坩堝其余各面的熱導率。
[0011]在其中一個實施例中，所述側加熱器為三面加熱，所述側加熱器自坩堝除設置形核促進層以外的其他側面進行加熱。
[0012]在其中一個實施例中，所述坩堝的內底面的傾斜角度為5°?20°。
[0013]在其中一個實施例中，所述坩堝的四周設有側護板，所述側護板臨近所述坩堝的底部最薄處的一面的熱導率大于側護板其他三面的熱導率。
[0014]還提出一種硅片，所述硅片由前述任一項所述的方法制得的多晶硅錠切割而成。
[0015]上述多晶硅錠的制備方法，通過控制熱場，使橫向溫度梯度大于縱向溫度梯度，使晶粒沿水平方向或與豎直方向呈銳角的方向生長，硅錠生長過程中，由于固液界面不垂直于坩堝軸向(即豎直方向)，可以減少硅錠中的小角度晶界，有利于在高位錯密度形成前，將位錯密度長出晶體之外。因此，后續可以切割得到低晶界密度和低位錯密度的硅片，提升硅片的轉換效率。
[0016]上述多晶硅鑄錠爐，使用時可通過控制隔熱籠的運動，結合坩堝、側護板、加熱器，制造出橫向溫度梯度大于縱向溫度梯度的熱場，使晶粒沿水平方向或與豎直方向呈銳角的方向生長，后續可以切割得到低晶界密度和低位錯密度的硅片，提升硅片的轉換效率。
[0017]上述硅片，由前述的方法制得的多晶硅錠切割制得，晶界密度低，及位錯密度低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為傳統方法的硅片的PL照片；
[0019]圖2為多晶硅錠的制備方法的流程圖；
[0020]圖3為多晶娃鑄淀爐的不意圖；
[0021]圖4為坩堝的示意圖；
[0022]圖5為實施例一制得的硅片的PL照片；
[0023]圖6為實施例三制得的硅片的PL照片。
【具體實施方式】
[0024]請參考圖2，本發明提供一種多晶硅錠的制備方法，包括以下步驟。
[0025]步驟S110、在坩堝內設置熔融狀態的硅料，其中所述坩堝的內底面為相對水平方向傾斜設置的斜面，所述坩堝的底部的厚度在水平方向上逐步增大。坩堝的內底面傾斜一定角度，角度范圍為5°?20°。這樣，坩堝的底部厚度不一致，在水平方向上逐步增大，以使后續液態硅料長晶時晶粒水平或傾斜生長。
[0026]在坩堝內設置熔融狀態的硅料少可以通過以下幾種方式獲得。
[0027]方式一:在坩堝內裝載固體硅料；對所述坩堝進行加熱使得固體硅料熔融。方式二:在另一個坩堝中加熱固體硅料，制得熔融狀態的硅料，然后將熔融狀態的硅料澆注至長晶所用的坩堝內。
[0028]步驟S120、控制長晶時的熱場，使橫向溫度梯度大于縱向溫度梯度，使硅料沿水平方向或與豎直方向呈銳角的方向生長。
[0029]本步驟中，采取如下方式獲得橫向溫度梯度大于縱向溫度梯度的熱場:使多晶硅鑄錠爐的隔熱籠靠近坩堝的底部最薄處的一面先單獨上升；在預設時間后，再使隔熱籠的其他部分一起上升。傳統的隔熱籠控制方式是整體相對于隔熱底板上升，獲得縱向的溫度梯度。而本步驟中，使隔熱籠靠近坩堝底部最薄處的一面先單獨上升，再使隔熱籠其他部分一起上升，這樣，硅料自坩堝的一側開始沿水平或與豎直方向呈銳角的方向長晶。
[0030]在硅錠生長過程中，由于固液界面不垂直于坩堝軸向(即豎直方向)，可以減少硅錠中的小角度晶界，有利于在高位錯密度形成前，將位錯密度長出晶體之外。制得硅錠后，先沿著豎直方向將硅錠加工成小方錠，再沿著水平方向將小方錠切割成硅片，可以得到低晶界密度和低位錯密度的硅片。
[0031]請參考圖3和圖4，本發明還提供一種可實施上述方法的多晶硅鑄錠爐100，其包括爐體110、置于爐體110內的隔熱籠120、隔熱頂板130、隔熱底板140，位于隔熱籠內120的熱交換臺150、位于熱交換臺150上的坩堝160，置于隔熱籠內120內的加熱器170，及位于坩堝160四周的側護板180和坩堝160底部的底護板190。
[0032]坩堝160的內底面傾斜設置，傾斜角度為5°?20°，使坩堝160的底部在水平方向上厚度不一致。加熱器170包括自坩堝160頂部對坩堝160進行加熱的頂加熱器172和自側部對坩堝160進行加熱的側加熱器174。
[0033]隔熱籠120可相對于隔熱底板140升降。硅料加熱熔化階段，隔熱籠120與隔熱頂板130、隔熱底板140共同形成封閉空腔。長晶階段，隔熱籠120則會相對于隔熱底板140上升。
[0034]傳統的隔熱籠，相對于隔熱底板為整體升降。本發明中，隔熱籠120靠近坩堝160的底部最薄處的第一面122與隔熱籠120的其他三面的上下運動可以分開控制。也即，隔熱籠120靠近坩堝160的底部最薄處的第一面122相對于隔熱籠120的剩余部分可獨立運動。使用兩套驅動機構分別控制隔熱籠120的兩部分即可實現兩部分可分開控制運動的目的。
[0035]長晶時隔熱籠120的控制方式為:先使可獨立運動的一面單獨相對于隔熱底板140上升，由于坩堝160的底部厚度在水平方向上(圖3中沿遠離第一面122的方向)逐漸增加，獲得了較大橫向的溫度梯度；經過預定時間后，再使其他三面整體上升，獲得縱向溫度梯度，橫向的溫度梯度大于縱向溫度梯度。這樣，硅料自坩堝的一側開始沿水平或與豎直方向呈銳角的方向長晶。在硅錠生長過程中，由于固液界面不垂直于坩堝軸向(即豎直方向)，可以減少硅錠中的小角度晶界，有利于在高位錯密度形成前，將位錯密度長出晶體之外。
[0036]坩堝160為頂部敞開的方形構造。坩堝160具有四個內側面，其中臨近坩堝160的底部最薄處的一個內側面上涂有形核促進層162，該內側面靠近隔熱籠120可獨立運動的第一面122，二者在鑄錠爐中的方位一致。形核促進層162的材質為高于硅熔點的物質，可以為石英砂或碳化硅、氧化硅。形核促進層162的可誘發晶粒成核，可以降低初始位錯密度。
[0037]此外，坩堝160設置形核促進層162的內側面的熱導率大于其他各面的熱導率。隔熱籠120可獨立運動的第一面122的熱導率大于隔熱籠120的剩余部分的熱導率，如可通過設置不同厚度的保溫層的方法獲得。側加熱器174為三面加熱，其僅自坩堝的三個外側面進行加熱，在與形核促進層162對應的坩堝160的外側面處不進行加熱。側護板180臨近坩堝160的底部最薄處的一面的熱導率大于側護板180其他三面的熱導率，例如，熱導率高的一面的材料可以使用熱導率高的等靜壓石墨，其他三面可以使用強度高、熱導率低的碳碳復合材料。底護板190的材質為強度高，熱導率在0.15?1W/(m.k)的碳碳復合材料。熱交換臺150也是如此，可以采用強度高、熱導率低的材質。上述改進的特征，均是為了更好地保證縱向溫度梯度小于橫向溫度梯度，使隔熱籠120運動時能夠更好地保證硅液自坩堝160設置形核促進層162的一側開始長晶，可以同時采用多項改進的特征來配合前述鑄錠爐120及坩堝160，也可以僅選取其中一項改進的特征。
[0038]下面通過具體實施例來進一步說明如何利用上述多晶硅鑄錠爐實施上述制備方法。
[0039]實施例1
[0040]將750kg的硅料投入坩堝160內，坩堝160的一個內側面上噴涂有碳化硅層或石英砂層。坩堝160的內底面的傾斜角度為5°。
[0041]隔熱籠120與隔熱頂板130、隔熱底板140形成封閉空腔。利用頂加熱器172自頂部對硅料進行加熱，利用側加熱器174自坩堝160的三個外側面對硅料進行加熱。
[0042]當硅料熔化后，控制隔熱籠120的獨立運動的第一面122單獨上升，上升8cm后，再控制隔熱籠120的其他部分一起上升，硅液在碳化硅的促進下成核，且自坩堝160的一側開始沿水平或與豎直方向呈銳角的方向長晶得到多晶硅錠。沿著豎直方向將硅錠加工成小方錠，沿著水平方向將小方錠切割成硅片，可以得到低晶界密度和低位錯密度的硅片。
[0043]對制得的娃片進行光致突光(Photoluminescence,PL)測試,結果如圖5所示。可以看到，晶界密度和位錯密度明顯小于圖1的傳統方案的硅片。將硅片制成電池片后，測試效率發現實施例1的硅片制成的電池片的轉換效率達18.01%，較圖1所示的正常鑄造多晶娃片提聞了 0.11*%。
[0044]實施例2
[0045]將700kg的硅料投入坩堝160內，坩堝160的一個內側面上噴涂有石英砂層。坩堝160的內底面的傾斜角度為10°。
[0046]隔熱籠120與隔熱頂板130、隔熱底板140形成封閉空腔。利用頂加熱器172自頂部對硅料進行加熱，利用側加熱器174自坩堝160的三個外側面對硅料進行加熱。
[0047]當硅料熔化后，控制隔熱籠120的獨立運動的第一面122單獨上升，上升8cmm后，再控制隔熱籠120的其他部分一起上升，硅液在碳化硅的促進下成核，且自坩堝160的一側開始沿水平或與豎直方向呈銳角的方向長晶得到多晶硅錠。沿著豎直方向將硅錠加工成小方錠，沿著水平方向將小方錠切割成硅片，可以得到低晶界密度和低位錯密度的硅片。
[0048]將硅片制成電池片后，測試效率發現實施例2的硅片制成的電池片的轉換效率達18.04%，較圖1所示的正常多晶硅片提高了 0.14%。
[0049]實施例3
[0050]將650kg的硅料投入坩堝160內，坩堝160的一個內側面上噴涂有石英砂層。坩堝160的內底面的傾斜角度為20°。
[0051]隔熱籠120與隔熱頂板130、隔熱底板140形成封閉空腔。利用頂加熱器172自頂部對硅料進行加熱，利用側加熱器174自坩堝160的三個外側面對硅料進行加熱。
[0052]當硅料熔化后，控制隔熱籠120的獨立運動的第一面122單獨上升，上升1cm后，再控制隔熱籠120的其他部分一起上升，硅液在碳化硅的促進下成核，且自坩堝160的一側開始沿水平或與豎直方向呈銳角的方向長晶得到多晶硅錠。沿著豎直方向將硅錠加工成小方錠，沿著水平方向將小方錠切割成硅片，可以得到低晶界密度和低位錯密度的硅片。
[0053]對制得的娃片進行光致突光(Photoluminescence,PL)測試,結果如圖6所示。可以看到，晶界密度和位錯密度明顯小于圖1的傳統方案的硅片。將硅片制成電池片后，測試效率發現實施例3的硅片制成的電池片的轉換效率達18.10%，較圖1所示的正常鑄造多晶娃片提聞了 0.2*%。
[0054]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種多晶硅錠的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 在坩堝內設置熔融狀態的硅料，其中所述坩堝的內底面為相對水平方向傾斜設置的斜面，所述坩堝的底部的厚度在水平方向上逐步增大； 控制長晶時的熱場，使橫向溫度梯度大于縱向溫度梯度，使硅料沿水平方向或與豎直方向呈銳角的方向生長。
2.根據權利要求1所述的多晶硅錠的制備方法，其特征在于，所述控制長晶時的熱場，使橫向溫度梯度大于縱向溫度梯度，使硅料沿水平方向或與豎直方向有夾角的方向生長的步驟中: 使隔熱籠靠近所述坩堝的底部最薄處的一面先單獨上升； 在預定時間后，再使隔熱籠的其他部分一起上升。
3.一種多晶硅鑄錠爐，包括爐體、置于爐體內的隔熱籠、隔熱頂板、隔熱底板，位于隔熱籠內的熱交換臺、位于熱交換臺上的坩堝，置于隔熱籠內的頂加熱器和側加熱器，所述隔熱籠相對于所述隔熱底板和升降，其特征在于，所述坩堝的內底面為相對水平方向傾斜設置的斜面，所述坩堝的底部的厚度在水平方向上逐步增大，隔熱籠靠近所述坩堝的底部最薄處的一面相對于隔熱籠的剩余部分可獨立運動。
4.根據權利要求3所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于，所述隔熱籠靠近所述坩堝的底部最薄處的一面的熱導率大于隔熱籠剩余部分的熱導率。
5.根據權利要求3所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于，所述坩堝的四個內側面中，臨近所述坩堝的底部最薄處的坩堝內側面上涂有形核促進層。
6.根據權利要求5所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于，所述坩堝設置形核促進層的內側面的熱導率大于坩堝其余各面的熱導率。
7.根據權利要求5所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于，所述側加熱器為三面加熱，所述側加熱器自坩堝除設置形核促進層以外的其他側面進行加熱。
8.根據權利要求3所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于，所述坩堝的內底面的傾斜角度為5。?20°。
9.根據權利要求3所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于，所述坩堝的四周設有側護板，所述側護板臨近所述坩堝的底部最薄處的一面的熱導率大于側護板其他三面的熱導率。
10.一種硅片，其特征在于，所述硅片由權利要求1或2所述的方法制得的多晶硅錠切割而成。
【文檔編號】C30B28/06GK104372404SQ201410659691
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月18日 優先權日:2014年11月18日
【發明者】孟召標, 張鳳, 汪晨 申請人:保利協鑫（蘇州）新能源運營管理有限公司