CN108396376A - 一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能光伏技术领域，尤其涉及一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法。该制备方法采用类单晶工艺和高校多晶工艺混合使用，使类单晶少晶界，高效多晶少位错、少界面能的特点进行有效融合，最大效率的减少晶界和位错的影响，提高整锭的光电转换效率。

Description

一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法
技术领域
本发明属于太阳能光伏技术领域，尤其涉及一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法。
背景技术
现阶段，P型单晶硅太阳能电池的光电转换效率高，约为21％，但是制备工艺复杂、制造成本较高且产量低。多晶硅太阳能电池的光电转换效率低于单晶硅太阳能电池，但其制造成本比单晶硅低约30％，使其在今天的太原能电池市场具有很高的竞争优势。目前，多晶硅太阳能电池光电转化效率仅能达到在18％左右，距离硅基电池的理论转化效率上限31％还有一定的提升空间，现在企业都在试图通过提高硅片质量来提高硅片太阳能电池的光电转化效率。
生产多晶太阳能电池的硅片，通常采用定向凝固技术生长硅锭再通过切片而得。定向凝固工艺在长晶过程中要求热场满足：纵向温度梯度可调；横向无温度梯度。但现阶段热场实现比较困难，因此，用定向凝固技术铸造普通多晶整锭得到的多晶硅片的光电转化效率只有16.7％。
为了提高太阳能电池转换效率，研发人员借用了单晶生长原理，用定向凝固技术开发了类单晶生长工艺，减少了硅片的晶界影响，从而使部分类单晶硅片的电池转换效率提高到了18％以上。但由于定向凝固热场因素的影响，整锭达到大晶粒的要求较难，在靠近坩埚边缘的硅片有部分多晶，硅片虽然减少了晶界但是增加了位错的影响，因此在靠近坩埚边缘的硅片的光电转换效率有时不及普通工艺的硅片高，这对整锭硅片的光电转换效率提升影响较大。
类单晶硅锭的铸锭方法为：装料时在坩埚底部铺设一层单晶硅块作为籽晶，上方正常装料。铸锭阶段通过控制熔化高度，使单晶硅块作为长晶阶段的籽晶铸锭，达到硅锭大晶粒类单晶的特性。此方法制备的类单晶硅锭存在如下问题：1)如图1所示，硅锭两侧靠近坩埚边缘的部分由于坩埚壁的影响，存在许多成核中心，长晶过程中以坩埚壁成核生长的晶粒与晶体主体竞争，且越靠近硅锭顶部区域越大，如图3所示，类单晶坩埚边缘硅片存在较多位错，影响硅片电池光电转换效率；2)如图2所示由于热场问题，类单晶中部区域存在较大应力无法释放，使其位错较多，影响硅片电池光电转换效率。
高效多晶铸锭工艺，此工艺与类单晶工艺方向恰好相反，增加了硅片晶界数量，但减少了硅片位错和界面能的影响。整锭的铸锭成本得到了很好控制，光电转换效率较普通多晶硅锭有较大提升，光电转换效率也比较稳定，但是其光电转换效率还是低于类单晶工艺硅片电池。
高效多晶硅锭的铸锭方法为：装料时在坩埚底部铺设一层碎片，铸锭阶段通过控制熔化高度，长晶阶段在碎片层上结晶，形成大量定向晶粒和随机晶界，长晶过程中，控制固液相的温度梯度，以底部晶体为籽晶，保持微凸的固液界面，竖直向上定向凝固生长，由于定向晶粒和随机晶界起到湮灭位错的功能，所以生长的硅锭具有低位错，高质量的优势。如图4、图5硅片PL所示，整个高效多晶硅片晶粒较小、晶界较多，但位错较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法，该制备方法采用类单晶工艺和高校多晶工艺混合使用，使类单晶少晶界，高效多晶少位错的特点进行有效融合，最大效率的减少晶界和位错的影响，提高整锭的光电转换效率。
本发明所采用的技术方案是：一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，提供坩埚，在其底部采用籽晶铺底；
步骤2，向坩埚内籽晶上方放入原生硅料；
步骤3，对坩埚进行加热，控制坩埚底部温度，使坩埚内部的原生硅料全部熔化，底部铺底采用的籽晶不熔化；
步骤4，控制坩埚内部纵向温度梯度，使融化的原生硅料从底部开始长晶，并纵向生长；
步骤5，长晶完成后，进行退火和冷却，得到类单晶和高效多晶的混合硅锭。
本发明的特点还在于，
所述步骤1中铺底的具体方式为：坩埚底部边缘处采用小籽晶铺底，底部中间采用大籽晶铺底。
所述步骤1中铺底的具体方式为：坩埚底部边缘处采用小籽晶铺底，底部中间采用大籽晶和小籽晶间隔铺底。
所述步骤1中小籽晶和大籽晶铺设厚度均为1-3cm。
所述步骤1中小籽晶的直径大小为1-4mm，大籽晶的直径大小为4-260mm。
所述步骤3对坩埚进行加热控制坩埚底部铺设小籽晶和大籽晶处的温度低于1420℃。
所述步骤5中退火时长为1-3个小时。
所述步骤5退火将温度降低至1000-1420℃。
所述步骤5中冷却的时间为12-15小时。
所述步骤5中冷却将温度降低至22-25℃。
本发明的有益效果是：
1、本发明的类单晶和高效多晶的混合硅锭制备方法具有成本低、产量高的优点。
2、本发明的类单晶和高效多晶的混合硅锭制备方法采用类单晶工艺和高校多晶工艺混合使用，使类单晶少晶界，高效多晶少位错、少界面能的特点能够有效融合，提高整锭的光电转换效率。
3、本发明的类单晶和高效多晶的混合硅锭制备方法用多晶区域来减少类单晶区域的应力、位错等缺陷。
4、本发明的类单晶和高效多晶的混合硅锭制备方法用单晶区域的少晶界来减少整个硅锭晶界，提高了硅锭的质量。
5、本发明的类单晶和高效多晶的混合硅锭制备方法可根据需要调整铺底方式，得到高质量的类单晶硅片、高效多晶硅片、或者其他类单晶和高效多晶的混合硅片。
附图说明
图1为现有技术制得的类单晶硅锭剖面；
图2为现有技术制得的类单晶硅片中部的PL图；
图3为现有技术制得的类单晶硅片坩埚边缘PL图；
图4为现有技术制得的高效多晶硅片中部PL图；
图5为现有技术制得的高效多晶硅片坩埚边缘PL图；
图6为本发明实施例提供的坩埚铺底示意图；
图7为本发明实施例提供的另一种坩埚铺底示意图；
图8为本发明类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备装置图。
其中，1-小籽晶；2-大籽晶；3-加热器；4-坩埚护板；5-坩埚；61-隔热笼底板；62-隔热笼侧板；63-隔热笼顶盖；7-原生硅料。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
仅仅出于方便的原因，在以下的说明中，使用了特定的方向术语，比如“上”、“下”、“左”、“右”等等，是以对应的附图为参照的，并不能认为是对本发明的限制，当图面的定义方向发生改变时，这些词语表示的方向应当解释为相应的不同方向。
本发明提出了一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，提供坩埚，在其底部采用籽晶铺底；
铺底的具体方式有两种：第一种为坩埚底部边缘处采用小籽晶铺底，底部中间采用大籽晶铺底；第二种为坩埚底部边缘处采用小籽晶铺底，底部中间采用大籽晶和小籽晶间隔铺底，小籽晶和大籽晶铺设厚度均为1-3cm，小籽晶的直径大小为1-4mm，大籽晶的直径大小为4-260mm；
步骤2，向坩埚内籽晶上方放入原生硅料；
步骤3，对坩埚进行加热，控制坩埚底部温度，使坩埚内部的原生硅料全部熔化，底部铺底采用的籽晶不熔化；对坩埚进行加热控制坩埚底部铺设小籽晶和大籽晶处的温度低于1420℃；
步骤4，控制坩埚内部纵向温度梯度，使融化的原生硅料从底部开始长晶，并纵向生长；
步骤5，长晶完成后，进行退火和冷却，得到类单晶和高效多晶的混合硅锭，步骤5退火将温度降低至1000-1420℃，时长为1-3个小时；冷却将温度降低至22-25℃，时间为12-15小时。
本发明的类单晶和高效多晶的混合硅锭制备方法采用类单晶工艺和高校多晶工艺混合使用，使类单晶少晶界，高效多晶少位错、少界面能的特点能够有效融合，提高整锭的光电转换效率。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
参见图6，本发明的类单晶和高效多晶的混合硅锭制备方法所需装置如下：加热器3、坩埚护板4、坩埚5和隔热笼。
其中加热器3为五面加热，五面分别为坩埚的上、前、后、左和右五个面。
坩埚护板4为石墨材质，起到导热和支撑坩埚的作用。
坩埚5为硅锭结晶容器。
隔热笼分为三部分，隔热笼底板61、隔热笼侧板62和隔热笼顶盖63。其中隔热笼底板61和隔热笼顶盖63固定不动，上提隔热笼侧板62，隔热笼底板61和隔热笼侧板62之间可以形成缝隙，有益于坩埚底部散热。
使用时，1)坩埚底部铺底：坩埚5放置在隔热笼里，参见图7，在坩埚5底部边缘处采用小籽晶铺底，在其底部中间采用大籽晶铺底，其中小1中小籽晶的直径大小为1-4mm，大籽晶的直径大小为156×156mm，籽晶和大籽晶铺设厚度为1-3cm；2)放料：向坩埚内放入原生硅料；3)加热：利用加热器3对坩埚进行加热，当坩埚内部温度达到1400℃时，上提隔热笼上盖62约2-8cm，使坩埚底部温度降低，底部铺底的小籽晶和大籽晶不熔化，加热器3对坩埚继续进行加热，温度至1550℃，使坩埚内部的原生硅料全部熔化；4)长晶：控制坩埚内部纵向温度梯度，使融化的原生硅料从底部开始长晶，并纵向生长，此时可以将隔热笼上盖62提高约17cm；5)退火：坩埚内部的硅锭温度从1420℃降至1370℃，时长约1-3小时，消除内部应力；6)冷却：坩埚内部的硅锭温度从1370℃降至24℃，时长约12-15小时，最后得到类单晶和高效多晶的混合硅锭。
制得的硅锭经过开方后成为25个硅方，硅方再经过切段、去头尾、研磨、倒角、切片、分选等环节得到需要的类单晶硅片和高效多晶硅片。
坩埚铺底方式也可采用如图8所示的铺底方式，坩埚底部边缘处采用小籽晶铺底，底部中间采用大籽晶和小籽晶间隔铺底，制得的硅锭经过开方后成为25个硅方，硅方再经过切段、去头尾、研磨、倒角、切片、分选等环节得到需要的类单晶和高效多晶的混合硅片。
实施例1：首先提供坩埚，在其底部采用籽晶铺底，铺底的具体方式为：坩埚底部边缘处采用粒径为1mm的小籽晶铺底，底部中间采用粒径为134mm大籽晶铺底，小籽晶和大籽晶铺设厚度均为3cm，其次向坩埚内籽晶上方放入原生硅料并对坩埚进行加热，控制坩埚底部温度，使坩埚内部的原生硅料全部熔化，底部铺底采用的籽晶不熔化，加热的过程中控制坩埚底部铺设小籽晶和大籽晶处的温度低于1420℃，控制坩埚内部纵向温度梯度，使融化的原生硅料从底部开始长晶，并纵向生长，最后长晶完成后，进行退火和冷却，退火时间为1h，退火温度为1000℃，冷却时间为12h，冷却温度为22℃，得到类单晶和高效多晶的混合硅锭。
实施例2：首先提供坩埚，在其底部采用籽晶铺底，铺底的具体方式为：坩埚底部边缘处采用粒径为2mm的小籽晶铺底，底部中间采用粒径为156mm大籽晶铺底，小籽晶和大籽晶铺设厚度均为3cm，其次向坩埚内籽晶上方放入原生硅料并对坩埚进行加热，控制坩埚底部温度，使坩埚内部的原生硅料全部熔化，底部铺底采用的籽晶不熔化，加热的过程中控制坩埚底部铺设小籽晶和大籽晶处的温度低于1420℃，控制坩埚内部纵向温度梯度，使融化的原生硅料从底部开始长晶，并纵向生长，最后长晶完成后，进行退火和冷却，退火时间为2h，退火温度为1300℃，冷却时间为13h，冷却温度为23℃，得到类单晶和高效多晶的混合硅锭。
实施例3：首先提供坩埚，在其底部采用籽晶铺底，铺底的具体方式为：坩埚底部边缘处采用粒径为4mm的小籽晶铺底，底部中间采用粒径为260mm大籽晶铺底，小籽晶和大籽晶铺设厚度均为3cm，其次向坩埚内籽晶上方放入原生硅料并对坩埚进行加热，控制坩埚底部温度，使坩埚内部的原生硅料全部熔化，底部铺底采用的籽晶不熔化，加热的过程中控制坩埚底部铺设小籽晶和大籽晶处的温度低于1420℃，控制坩埚内部纵向温度梯度，使融化的原生硅料从底部开始长晶，并纵向生长，最后长晶完成后，进行退火和冷却，退火时间为3h，退火温度为1370℃，冷却时间为15h，冷却温度为25℃，得到类单晶和高效多晶的混合硅锭。
实施例4：首先提供坩埚，在其底部采用籽晶铺底，铺底的具体方式为：坩埚底部边缘处采用粒径为1mm的小籽晶铺底，底部中间采用粒径为10mm的大籽晶和粒径为1mm的小籽晶间隔铺底，小籽晶和大籽晶铺设厚度均为3cm，其次向坩埚内籽晶上方放入原生硅料并对坩埚进行加热，控制坩埚底部温度，使坩埚内部的原生硅料全部熔化，底部铺底采用的籽晶不熔化，加热的过程中控制坩埚底部铺设小籽晶和大籽晶处的温度低于1420℃，控制坩埚内部纵向温度梯度，使融化的原生硅料从底部开始长晶，并纵向生长，最后长晶完成后，进行退火和冷却，退火时间为1h，退火温度为1000℃，冷却时间为12h，冷却温度为22℃，得到类单晶和高效多晶的混合硅锭。
实施例5：首先提供坩埚，在其底部采用籽晶铺底，铺底的具体方式为：坩埚底部边缘处采用粒径为2mm的小籽晶铺底，底部中间采用粒径为134mm的大籽晶和粒径为2mm的小籽晶间隔铺底，小籽晶和大籽晶铺设厚度均为3cm，其次向坩埚内籽晶上方放入原生硅料并对坩埚进行加热，控制坩埚底部温度，使坩埚内部的原生硅料全部熔化，底部铺底采用的籽晶不熔化，加热的过程中控制坩埚底部铺设小籽晶和大籽晶处的温度低于1420℃，控制坩埚内部纵向温度梯度，使融化的原生硅料从底部开始长晶，并纵向生长，最后长晶完成后，进行退火和冷却，退火时间为1.5h，退火温度为1200℃，冷却时间为12.5h，冷却温度为23.5℃，得到类单晶和高效多晶的混合硅锭。
实施例6：首先提供坩埚，在其底部采用籽晶铺底，铺底的具体方式为：坩埚底部边缘处采用粒径为2.5mm的小籽晶铺底，底部中间采用粒径为80mm的大籽晶和粒径为2.5mm的小籽晶间隔铺底，小籽晶和大籽晶铺设厚度均为3cm，其次向坩埚内籽晶上方放入原生硅料并对坩埚进行加热，控制坩埚底部温度，使坩埚内部的原生硅料全部熔化，底部铺底采用的籽晶不熔化，加热的过程中控制坩埚底部铺设小籽晶和大籽晶处的温度低于1420℃，控制坩埚内部纵向温度梯度，使融化的原生硅料从底部开始长晶，并纵向生长，最后长晶完成后，进行退火和冷却，退火时间为3h，退火温度为1370℃，冷却时间为15h，冷却温度为25℃，得到类单晶和高效多晶的混合硅锭。
本发明的类单晶和高效多晶的混合硅锭制备方法可根据需要调整铺底方式，得到高质量的类单晶硅片、高效多晶硅片、或者其他类单晶和高效多晶的混合硅片；坩埚底部类单晶区域和高效多晶区域的铺设图案可进一步变化，获得不同要求的硅片。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，提供坩埚，在其底部采用籽晶铺底；
步骤2，向坩埚内籽晶上方放入原生硅料；
步骤3，对坩埚进行加热，控制坩埚底部温度，使坩埚内部的原生硅料全部熔化，底部铺底采用的籽晶不熔化；
步骤4，控制坩埚内部纵向温度梯度，使融化的原生硅料从底部开始长晶，并纵向生长；
步骤5，长晶完成后，进行退火和冷却，得到类单晶和高效多晶的混合硅锭。
2.根据权利要求1所述的一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法，其特征在于：所述步骤1中铺底的具体方式为：坩埚底部边缘处采用小籽晶铺底，底部中间采用大籽晶铺底。
3.根据权利要求1所述的一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法，其特征在于：所述步骤1中铺底的具体方式为：坩埚底部边缘处采用小籽晶铺底，底部中间采用大籽晶和小籽晶间隔铺底。
4.根据权利要求2或3所述的一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法，其特征在于：所述步骤1中小籽晶和大籽晶铺设厚度均为1-3cm。
5.根据权利要求4所述的一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法，其特征在于：所述步骤1中小籽晶的直径大小为1-4mm，大籽晶的直径大小为4-260mm。
6.根据权利要求5所述的一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法，其特征在于：所述步骤3对坩埚进行加热控制坩埚底部铺设小籽晶和大籽晶处的温度低于1420℃。
7.根据权利要求6所述的一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法，其特征在于，所述步骤5中退火时长为1-3小时。
8.根据权利要求7所述的一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法，其特征在于，所述步骤5退火将温度降低至1000-1420℃。
9.根据权利要求8所述的一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法，其特征在于，所述步骤5中冷却的时间为12-15小时。
10.根据权利要求9所述的一种类单晶和高效多晶的混合硅锭的制备方法，其特征在于，所述步骤5中冷却将温度降低至22-25℃。
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