一種可實現(xiàn)低位錯密度的高效鑄錠半熔工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于多晶硅鑄錠領(lǐng)域，特別涉及一種可實現(xiàn)低位錯密度的高效鑄錠半熔工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，這些晶粒接合起來便形成多晶硅。在太陽能光伏工業(yè)中生產(chǎn)太陽能光伏產(chǎn)品的工藝包括多晶硅鑄錠、切割成片、制成電池片和封裝為太陽能組件，可見多晶硅鑄錠是太陽能光伏工業(yè)的重要組成部分，是生產(chǎn)太陽能光伏產(chǎn)品的首個環(huán)節(jié)。其中多晶硅鑄錠工藝是采用多晶硅鑄錠爐完成的，其包括步驟:1)對單質(zhì)硅進(jìn)行加熱，直至單質(zhì)硅熔化；2)冷卻使熔融的單質(zhì)硅凝固，進(jìn)行長晶；3)退火處理，并冷卻。
[0003]目前，多晶硅太陽能電池片的光電轉(zhuǎn)化效率不是很高，現(xiàn)有鑄錠工藝得到的多晶硅太陽能電池的平均光電轉(zhuǎn)化效率大多為17.0%?17.2%，這使得太陽能發(fā)電成本仍然很高，不能滿足人們對于太陽能發(fā)電的生產(chǎn)要求。
[0004]現(xiàn)有鑄錠工藝分為全熔工藝和半熔工藝，其中，半熔工藝的隔熱籠的打開是在硅料熔化后期，全熔工藝的隔熱籠的打開是在晶體長晶前期，這兩種工藝控制的隔熱籠的打開時間不穩(wěn)定，溫度對硅料長晶的影響不穩(wěn)定，這就導(dǎo)致了不能較好的控制硅液的固液界面，從而長晶過程中晶粒位錯密度大，這樣的硅錠做成的電池片的轉(zhuǎn)換效率很低。
[0005]現(xiàn)有對比文件專利號:201210279273.5 (—種多晶硅鑄錠方法)，該發(fā)明公開了一種多晶硅鑄錠方法，包括:向坩堝中填放硅料；關(guān)閉隔熱籠對所述坩堝內(nèi)硅料進(jìn)行加熱；在硅料熔化階段逐步打開所述隔熱籠至設(shè)定位置，使坩堝內(nèi)液態(tài)硅料處于過冷狀態(tài)。所述技術(shù)方案通過逐步打開所述隔熱籠至設(shè)定位置，使所述隔熱籠底部開口逐漸增大，從而使得所述坩堝底部處于過冷狀態(tài)，使得熔化后的液態(tài)硅料在坩堝內(nèi)具有由下至上的溫度差，即坩堝內(nèi)的液態(tài)硅料的溫度由下至上是逐漸增大的，坩堝底部溫度最低。該發(fā)明的不足之處在于:(1)坩堝底部均勻鋪設(shè)一層單晶邊皮料或?qū)嵤├_的單晶硅籽晶，單晶邊皮料為大片的邊角料，單晶硅籽晶為單晶硅硅棒，粒徑較大。使用兩者都容易形成大晶粒，大晶粒的光電轉(zhuǎn)化效率低，最高達(dá)到17.2% ；(2)權(quán)利要求6中所述的隔熱籠底部的開口距離要大于上一步的開口距離，經(jīng)分析計算得出，對比文件中提升隔熱籠的速率是越來越快的，在變化的速度的影響下，不能夠很好的保持水平的熔化界面，從而長晶時初始的長晶界面不夠平整，導(dǎo)致晶體成晶時晶向不一致。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明克服上述不足問題，提供一種可實現(xiàn)低位錯密度的高效鑄錠半熔工藝，通過對碎單晶或碎多晶的有效利用，以及對熔化和長晶時隔熱籠的打開時間及位移進(jìn)行控制，來達(dá)到平穩(wěn)熔化、平穩(wěn)長晶的目的。
[0007]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的一種可實現(xiàn)低位錯密度的高效鑄錠半熔工藝，包括裝料抽真空，加氬氣升壓，加熱使硅料熔化，晶體長晶，退火保溫及冷卻降溫，裝料階段，首先在石英坩堝內(nèi)底部鋪上一層碎單晶或碎多晶；在熔化階段以0.5?lcm/h的速率提升隔熱籠，以保證碎單晶或碎多晶不熔化。
[0008]優(yōu)選方案如下:
[0009]裝料階段首先鋪碎單晶或碎多晶的一層厚度為3?4cm，碎單晶或碎多晶的粒徑為2?15mm。采用的碎單晶或碎多晶，在誘導(dǎo)晶體長晶過程中，能夠使晶體成核較小，晶粒小從而光電轉(zhuǎn)換效率高。
[0010]在熔化階段提升隔熱籠的時間為7?9h。
[0011]在長晶階段以0.3?0.6cm/h的速率繼續(xù)提升隔熱籠，繼續(xù)提升隔熱籠的時間為25?30h。這一過程是在平穩(wěn)的固液界面基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行的，從而使長晶產(chǎn)生的位錯密度小，進(jìn)而提聞光電轉(zhuǎn)換效率。
[0012]該工藝采用的裝置包括爐體，爐體內(nèi)有石英坩堝，石英坩堝的外壁由內(nèi)向外依次環(huán)繞有側(cè)部加熱器和隔熱籠，隔熱籠內(nèi)壁安裝有石墨碳?xì)?；石英坩堝上方固定安裝有頂部加熱器，頂部加熱器與側(cè)部加熱器連接在一起，通過連接電極，固定在頂部的石墨碳?xì)稚?；石英坩堝的下方安裝有熱交換塊；隔熱籠上端固定安裝有通出爐體外的定位提升桿，定位提升桿固定在爐體外頂部，定位提升桿保證了隔熱籠升降時的水平度，使隔熱籠升降更加平穩(wěn)，保證了最終的產(chǎn)品質(zhì)量。在石英坩堝的上方有通氣管，通氣管固定安裝在爐體上，由通氣管向爐體內(nèi)通入氬氣作為保護(hù)氣；在本發(fā)明中，側(cè)部加熱器和頂部加熱器統(tǒng)稱為加熱器。
[0013]在舊工藝中，采用的都是全熔工藝，坩堝內(nèi)鋪的都是單晶硅塊，這種工藝生產(chǎn)的晶粒大，光電轉(zhuǎn)換效率低，已經(jīng)逐漸被市場所淘汰，同時在對比文件中，權(quán)利要求2中所述的單晶邊皮料與本發(fā)明的碎單晶或碎多晶不同，晶體碎片的面積小，粒徑為2?15mm之間，在碎單晶和碎多晶的基礎(chǔ)上可以長晶形成小晶粒；而單晶邊皮料的粒徑較大，為大片的邊角料，容易形成大晶粒，大晶粒的光電轉(zhuǎn)換效率低?，F(xiàn)在的工藝多為半熔工藝，在半熔工藝中，加入的碎單晶或碎多晶在誘導(dǎo)晶體長晶過程中，能夠使晶體成核較小，晶粒小從而光電轉(zhuǎn)換效率高；同時，對比文件中權(quán)利要求6所述的隔熱籠底部的開口距離要大于上一步的開口距離，經(jīng)分析計算得出，對比文件中提升隔熱籠的速率是越來越快的，而申請人提交的實驗數(shù)據(jù)是在熔化階段以0.5?lcm/h的速率穩(wěn)速提升隔熱籠。實驗證明，在本發(fā)明提供的速度下能夠更好的保持水平的熔化界面和較高的熔化速度，熔化界面的水平從而得到長晶時初始長晶界面的平整，長晶界面的平整又使得晶體成晶時晶向一致。在熔化階段開始時，就開始提升隔熱籠，并保證石英坩堝底部的熱電偶的溫度要始終低于1380°C，從而保證了這部分的碎單晶或碎多晶不熔化。采用本發(fā)明工藝，可以保證硅料自頂部向底部依次緩慢熔化，得到較為平整的固液界面，水平方向溫度一致且豎直方向溫度梯度均勻，且保證熔化掉一些難熔化的雜質(zhì)硬質(zhì)顆粒，減少其造成的位錯。
[0014]采用該發(fā)明工藝，可以保證熔化后期固液界面平穩(wěn)，水平溫度保持一致，豎直方向溫度梯度均勻，從而提高長晶質(zhì)量。采用本發(fā)明工藝得到的鑄錠位錯密度顯著降低，晶粒大小都在6?8mm，同時太陽能電池片的光電轉(zhuǎn)換效率從17.2%提高到了 17.5%。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明裝置示意圖。
[0016]圖中，1、通氣管，2、定位提升桿，3、硅料，4、加熱器，5、石英坩堝，6、石墨碳?xì)郑?、隔熱籠，8、爐體。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合具體實施例及附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于具體實施例。
[0018]實施例1:
[0019]鑄錠半熔工藝按照以下步驟進(jìn)行:
[0020]1、裝料抽真空、開始加熱:將粒徑為2_的碎單晶加入石英坩堝5底部，鋪的厚度為3cm，然后繼續(xù)加入450Kg硅料3裝入石英坩堝5內(nèi)，控制爐體8內(nèi)抽真空到0.5Pa ;控制加熱器4加熱，使石墨碳?xì)?和硅料3等的濕氣蒸發(fā)，并在2h內(nèi)升高溫度至1100°C，由通氣管I通入氬氣作為保護(hù)氣，使?fàn)t體8內(nèi)壓強(qiáng)保持在40KPa，使石英坩堝5內(nèi)溫度在3h內(nèi)達(dá)到1545°C，此過程中隔熱籠7始終在O位(即關(guān)閉狀態(tài))。
[0021]2、熔化階段:使?fàn)t體8內(nèi)壓強(qiáng)保持在50KPa，保持硅料3的溫度為1545°C并且保溫9h，控制定位提升桿2的提升速率為lcm/h，9h內(nèi)使隔熱籠7從O位提升到9cm處，用石英棒測量直到石英坩堝5內(nèi)硅料3剩余2cm，并要保證在熔化過程中，底部熱電偶的溫