專利名稱：一種鑄造法生長硅晶體的裝料方法以及生長硅晶體的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種鑄造法生長硅晶體時(shí)的裝料方法。
背景技術(shù)：
硅單晶和硅多晶鑄錠是晶體硅太陽能電池最常用的材料。通常情況下，使用硅單晶材料比使用硅多晶材料制造的太陽能電池具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。硅單晶目前最常用的制造方法有提拉法(Czochralski法)和區(qū)熔法(Floating Zone法)，娃多晶的制造方法則通常采用定向凝固法(又稱為鑄造法)。 采用鑄造法也可以用來生長單晶硅鑄錠。為了生長單晶硅鑄錠，定向凝固的初始過程需要采用特定晶向的籽晶進(jìn)行引導(dǎo)。申請(qǐng)?zhí)枮?01010198142. 5,200880106116. 6 和 200910152970. 2 的中國發(fā)明專利
討論了籽晶引導(dǎo)對(duì)生長高質(zhì)量鑄錠的重要作用。在定向凝固法制備鑄造硅晶體時(shí)，可以利用方形的高純石墨作為坩堝，也可以利用高純石英作為坩堝。高純石墨的成本比較便宜，但是有較多可能的碳污染和金屬雜質(zhì)污染；高純石英的成本較高，但污染少，要制備優(yōu)質(zhì)的鑄造硅晶體就必須使用石英坩堝。在定向凝固法中，硅原料放置在多晶鑄錠爐內(nèi)的石英坩堝中，通過改變溫度場使硅原料從下向上定向結(jié)晶而成。目前使用的石英坩堝的一般形狀如圖I所示。通常情況下，用于鑄造法硅晶體生長的石英坩堝由純度為99. 9%左右的石英原料加工而成。在制備鑄造硅晶體時(shí)，在晶體硅原料熔化、晶體硅結(jié)晶過程中，硅熔體和石英坩堝長時(shí)間接觸，會(huì)產(chǎn)生黏滯作用。由于兩者的熱膨脹系數(shù)不同，在晶體冷卻時(shí)，可能造成晶體硅或石英坩堝的破裂；同時(shí)，由于硅熔體和石英坩堝長時(shí)間接觸，會(huì)造成石英坩堝的腐蝕，使得硅晶體中的氧濃度上升，為了解決這個(gè)問題，在生產(chǎn)石英坩堝時(shí)，石英坩堝的內(nèi)壁面還涂覆了一層很薄的Si3N4涂層，從而隔離了硅熔體和石英坩堝的直接接觸，不僅能夠解決黏滯問題，保證硅晶體鑄錠不會(huì)因熱應(yīng)力而損壞，而且可以降低多晶硅中的氧、碳雜質(zhì)濃度，進(jìn)一步的，利用該涂層還可以使石英坩堝可能得到重復(fù)使用，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。通常所用的Si3N4的純度一般為99. 9 99. 99%之間。一般用于晶體硅太陽能電池的硅材料的純度要求為99. 999%以上，而高品質(zhì)的晶體硅太陽能電池要求硅原料的純度在99. 9999%以上，石英坩堝材料和涂層材料的使用都存在純度不夠高的問題，無論是石英坩堝的純度，還是Si3N4的純度，相對(duì)于硅原料的純度來說都是偏低的，因此石英坩堝內(nèi)壁面的雜質(zhì)擴(kuò)散，會(huì)對(duì)鑄錠法生產(chǎn)出的硅晶體鑄錠(簡稱硅錠)的質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種鑄造法生長硅晶體時(shí)的裝料方法，使用該方法，不需要從根本上改變?cè)械墓に嚮蜓b備，就能有效解決由于石英坩堝內(nèi)壁面雜質(zhì)擴(kuò)散而對(duì)硅晶體生長產(chǎn)生的影響。一種鑄造法生長硅晶體的裝料方法，包含以下步驟在石英坩堝底部放置石英隔離層，石英隔離層上方鋪放籽晶層，籽晶層上方放置硅原料。所述的石英隔離層厚度為2 20mm。石英層隔離層太薄(小于2mm)會(huì)使石英隔離層起不到隔離從石英坩堝和石英坩堝內(nèi)壁Si3N4涂層中擴(kuò)散出的雜質(zhì)的作用，石英隔離層太厚(大于20_)則增加了石英的采購成本，同時(shí)減少了坩堝內(nèi)硅原料的裝料量。所述的石英隔離層由一塊或多塊石英片拼接而成。石英片可以采用整片，也可以 采用多片拼接的方式組成。整片石英片隔離效果更好，相應(yīng)成本也高，采用多片拼接的方式雖沒有整片石英片方便，但是，可以降低成本，多層鋪墊后，同樣可以起到良好的隔離效果。所述的石英隔離層也可以由石英顆粒平鋪而成。所用的石英顆粒為3 20目的石英砂，在該顆粒度大小范圍內(nèi)，即能取得較好的雜質(zhì)隔離效果。如果目數(shù)過大，顆粒過細(xì)，可能會(huì)黏附在生長出的硅晶體鑄錠上，如果目數(shù)過小，則可能起不到良好的雜質(zhì)隔離效果。所述的石英片或石英顆粒中SiO2含量在99. 99%以上。由于石英隔離層的作用在于隔離從石英坩堝和石英坩堝內(nèi)壁Si3N4涂層中擴(kuò)散出的雜質(zhì)，因此石英隔離層本身就不能再引入新的雜質(zhì)，石英隔離層的純度越高越好，試驗(yàn)表明，采用SiO2含量(質(zhì)量百分比)高于99. 99%的石英片或石英顆粒，其雜質(zhì)對(duì)硅錠的影響較小，能夠滿足硅晶體鑄錠作光伏材料的要求。在石英坩堝中鋪設(shè)石英隔離層后，存在硅原料和籽晶熔化完后，石英上浮的風(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)槭⒌拿芏纫∮诠枞垡旱拿芏?，所以，在生產(chǎn)時(shí)要注意不能將籽晶層全部熔化。所述的籽晶層由截面為正方形的籽晶緊密排列而成。為了防止硅熔液從籽晶之間的縫隙流入到石英隔離層，從而使得部分石英被帶入到硅熔液中，在后續(xù)定向凝固法生長出的硅晶體鑄錠中引入石英雜質(zhì)，因此，要求籽晶與籽晶之間緊密排列。最方便的方式是將籽晶加工成截面為正方形的籽晶，這樣可以方便籽晶之間緊密排列。所述的籽晶為硅單晶籽晶。為保證后續(xù)定向凝固法生長出的硅晶體的品質(zhì)，籽晶的選擇尤為重要，籽晶的品質(zhì)越好，則后續(xù)生長的硅晶體越不容易產(chǎn)生缺陷，因此，通常情況下，選擇硅單晶籽晶作為籽晶。本發(fā)明還提供了一種鑄造法生長硅晶體的工藝，包括向石英坩堝內(nèi)裝料，而后利用鑄造法生長硅晶體，所述向石英坩堝內(nèi)裝料時(shí)，采用本發(fā)明所述的裝料方法。本發(fā)明提供的鑄造法生長硅晶體時(shí)的裝料方法，不改變?cè)械蔫T造法生長硅晶體設(shè)備和工藝，可以有效阻止石英坩堝及石英坩堝內(nèi)壁Si3N4涂層中擴(kuò)散出的雜質(zhì)，并且使用成本低，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。


圖I是石英坩堝的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是籽晶層的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是采用本發(fā)明的裝料方法裝料后的示意圖；圖4是硅晶體鑄錠在水平截面上的少子壽命平均值分布圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I采用圖I形狀的石英坩堝I進(jìn)行裝料。石英坩堝內(nèi)壁涂有O. Imm厚的Si3N4涂層。石英i甘禍的有效容積近似為840mm (長)X 840mm (寬)X 450mm (高)。裝料前，先準(zhǔn)備顆粒度為10目的石英砂，純度(SiO2的質(zhì)量百分比)為99. 999%,另外準(zhǔn)備25塊尺寸為156mm(長)X 156mm(寬)X 25mm(高)的P型硅單晶籽晶。所述籽晶的少子壽命大于5微秒。裝料時(shí)，先將所述的石英砂在坩堝中央平鋪出一個(gè)面積為780mm(長)X780mm(寬)X8mm(高)的石英隔離層2。石英隔離層2與石英 甘禍I內(nèi)側(cè)面的間隔為30mm。石英隔離層鋪好后，在石英隔離層的上方以5X5的陣列用25塊籽晶3緊密排列出780mm (長)X 780mm (寬)X 25mm (高)的籽晶層4 (如圖2所示)。最后在籽晶層上方裝好硅原料5。另外在石英隔離層2和籽晶層4與坩堝I之間的間隔中也適當(dāng)放置硅原料。裝好料后的坩堝內(nèi)截面示意圖(如圖3所示)。熔化硅原料時(shí)，控制加熱功率及散熱方式，使得絕大部分硅原料熔化，并使得籽晶層4靠近硅原料部分熔化但與石英隔離層2相接觸部分的籽晶底部不完全熔化，這將使石英隔離層中的石英砂不會(huì)因浮力而被帶入到硅熔液中。最后通過定向凝固法生長出硅單晶鑄錠。生長出的硅單晶鑄錠為六面體，形狀與坩堝形狀一致。對(duì)比例I籽晶層4與石英坩堝I之間不放置石英隔離層，其余硅晶體生長工藝同實(shí)施例I。從下向上定義為鑄錠的生長方向，與生長方向垂直的截面定義為水平截面。實(shí)施例I與對(duì)比例I硅單晶鑄錠少子壽命在水平截面上的分布如圖4所示。從圖4中可以看出，在對(duì)比例I沒有石英隔離層的情況下，石英坩堝及石英坩堝內(nèi)壁Si3N4層雜質(zhì)在高溫下會(huì)向硅單晶鑄錠擴(kuò)散，導(dǎo)致硅單晶鑄錠底部的少子壽命大幅偏低，未熔化的籽晶少子壽命比生產(chǎn)前的籽晶少子壽命要低得多(在圖4中對(duì)應(yīng)距離坩堝底部O 15_部分)，說明從石英坩堝底部擴(kuò)散進(jìn)入的雜質(zhì)很多聚集在未熔化的籽晶上。從圖4中可以看出，在實(shí)施例I中未熔化的部分籽晶(在圖4中對(duì)應(yīng)距離坩堝底部O 15mm部分)少子壽命比生產(chǎn)前的籽晶少子壽命要低，仍有雜質(zhì)從坩堝底部擴(kuò)散進(jìn)來，但與對(duì)比例I相比，少子壽命的降低已有改善，說明石英隔離層雖然不能完全阻止石英坩堝及內(nèi)壁Si3N4層雜質(zhì)影響籽晶及硅單晶鑄錠的少子壽命，但已經(jīng)能很明顯地起到阻礙雜質(zhì)擴(kuò)散的作用，使實(shí)施例I中娃單晶鑄淀的質(zhì)量有了明顯的提聞(娃單晶鑄淀底部的少子壽命提聞了 I 3微秒)。實(shí)施例2石英隔離層2由石英片拼接而成，其余硅晶體生長工藝同實(shí)施例I。所用的石英片厚度為3mm,截面為165mmX 165mm,總共25片石英片以5X5的陣列緊密拼接形成石英隔離層2。石英片緊密拼接后形成的石英隔離層2的面積為 825mmX825mm。石英隔離層的面積比實(shí)施例I中的面積更大，其優(yōu)點(diǎn)在于可以盡可能多地隔離來自坩堝底部的雜質(zhì)擴(kuò)散。
權(quán)利要求
1.一種鑄造法生長硅晶體的裝料方法，其特征在于，包含以下步驟在石英坩堝底部放置石英隔離層，石英隔離層上方鋪放籽晶層，籽晶層上方放置硅原料。
2.如權(quán)利要求I所述的鑄造法生長硅晶體的裝料方法，其特征在于所述的石英隔離層厚度為2 20mm。
3.如權(quán)利要求I所述的鑄造法生長硅晶體的裝料方法，其特征在于所述的石英隔離層由一塊或多塊石英片拼接而成。
4.如權(quán)利要求I所述的鑄造法生長硅晶體的裝料方法，其特征在于所述的石英隔離層由石英顆粒平鋪而成。
5.如權(quán)利要求4所述的鑄造法生長硅晶體的裝料方法，其特征在于所述的石英顆粒為3 20目的石英砂。
6.如權(quán)利要求3 5任一所述的鑄造法生長硅晶體的裝料方法，其特征在于所述的石英片或石英顆粒中SiO2質(zhì)量百分比在99. 99%以上。
7.如權(quán)利要求I所述的鑄造法生長硅晶體的裝料方法，其特征在于所述的籽晶層由截面為正方形的籽晶緊密排列而成。
8.如權(quán)利要求7所述的鑄造法生長硅晶體的裝料方法，其特征在于所述的籽晶為硅單晶桿晶。
9.一種鑄造法生長硅晶體的工藝，包括向石英坩堝內(nèi)裝料，而后利用鑄造法生長硅晶體，其特征在于，所述向石英坩堝內(nèi)裝料時(shí)，采用權(quán)利要求I 8任一項(xiàng)所述的裝料方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鑄造法生長硅晶體的裝料方法以及生長硅晶體的工藝，裝料方法包含以下步驟在石英坩堝底部放置石英隔離層，石英隔離層上方鋪放籽晶層，籽晶層上方放置硅原料。通過在石英坩堝和籽晶層之間鋪設(shè)石英隔離層，能有效解決石英坩堝底部雜質(zhì)擴(kuò)散影響后續(xù)定向凝固法生長出的硅晶體鑄錠品質(zhì)的問題，使用本發(fā)明的裝料方法，能明顯提高硅晶體鑄錠的少子壽命，并且不需要改變?cè)械木w硅鑄錠爐的結(jié)構(gòu)及多晶生產(chǎn)工藝，成本低。
文檔編號(hào)C30B11/00GK102644108SQ20121011396
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月18日
發(fā)明者李喬, 馬遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:浙江碧晶科技有限公司