CN111876821B - 铸造单晶硅锭及其制备方法、铸造单晶硅片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铸造单晶硅锭及其制备方法、铸造单晶硅片及其制备方法。铸造单晶硅锭的制备方法包括如下步骤：在容器的底部铺设回收单晶籽晶，形成单晶籽晶层；回收单晶籽晶自远离容器底部向靠近容器底部的方向为第一方向，第一方向与回收单晶籽晶的原晶体生长方向相同；在单晶籽晶层上装硅料，加热使硅料完全熔化、单晶籽晶层部分熔化，长晶之后得到铸造单晶硅锭。上述铸造单晶硅锭的制备方法，在长晶过程中改变了回收单晶籽晶中缺陷的生长方向，利用回收单晶籽晶中已有缺陷引导后续缺陷向与之前相反的方向扩展，实现了使用回收单晶籽晶生长的铸锭单晶硅锭的缺陷不再继续沿原方向扩展增殖，反而逐渐收窄甚至消失，提高了铸造单晶硅锭的良率。

Description

铸造单晶硅锭及其制备方法、铸造单晶硅片及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏材料技术领域，特别是涉及一种铸造单晶硅锭及其制备方法、铸造单晶硅片及其制备方法。

背景技术

太阳能光伏发电是目前发展最快的可持续能源利用的形式之一，近些年来在各国都得到了迅速的发展。目前，利用铸造法生产太阳能用单晶硅的方法受到了越来越多的关注。铸造单晶硅具有直拉单晶硅低缺陷的优点，并且可以通过碱制绒的方法形成金字塔型的织构，提高对光的吸收，从而提高转化效率；同时，铸造单晶硅也具有铸造多晶硅生产成本低，产量高的优点。因此，铸造单晶硅继承了直拉单晶硅和铸造多晶硅的优点，克服了两种方式各自的缺点，生产的单晶硅的质量接近直拉单晶硅。在不明显增加硅片成本的前提下，使电池转换效率提高1％以上。成为降低太阳能电池生产成本的重要途径。

目前铸造单晶普遍采用直拉单晶方块作为籽晶，在籽晶上面生长铸造单晶方锭。由于直拉单晶作为铸造单晶籽晶的成本较高，所以铸造单晶生产厂家都对籽晶进行循环利用，直拉单晶方块籽晶称之为新籽晶。在新籽晶生长的硅锭上截取部分作为籽晶再次循环利用，这类单晶籽晶称为回收单晶籽晶。由于新单晶籽晶第一次使用后(以下简称回收单晶籽晶)会在内部产生位错缺陷，因此再次使用时铸造单晶会在回收单晶籽晶的位错缺陷处生长，位错缺陷也会随之生长增殖，导致铸造单晶硅锭的良率下降，质量降低。

发明内容

基于此，有必要针对如何提高铸造单晶硅锭的良率的问题，提供一种铸造单晶硅锭及其制备方法、铸造单晶硅片及其制备方法。

一种铸造单晶硅锭的制备方法，包括如下步骤：

在容器的底部铺设回收单晶籽晶，形成单晶籽晶层；其中，所述回收单晶籽晶自远离容器底部向靠近容器底部的方向为第一方向，所述第一方向与回收单晶籽晶的原晶体生长方向相同；

在所述单晶籽晶层上装硅料，加热使硅料完全熔化、单晶籽晶层部分熔化，长晶之后得到铸造单晶硅锭。

上述铸造单晶硅锭的制备方法，由于第一方向与回收单晶籽晶的原晶体生长方向相同，因此在长晶过程中改变了回收单晶籽晶中缺陷的生长方向，由于单晶籽晶中缺陷扩展有择优取向，利用回收单晶籽晶中已有缺陷引导后续缺陷向与之前相反的方向扩展，实现了使用回收单晶籽晶生长的铸锭单晶硅锭的缺陷不再继续沿原方向扩展增殖，反而逐渐收窄甚至消失，提高了铸造单晶硅锭的良率。

在其中一个实施例中，在容器的底部铺设回收单晶籽晶的步骤为：

切割成品铸造单晶硅锭的尾部，经过机械加工及清洗后，得到回收单晶籽晶；

将所述回收单晶籽晶按照与原晶体生长方向相反的方向倒置铺设于容器的底部。

在其中一个实施例中，所述单晶籽晶层的厚度为10mm～50mm。

在其中一个实施例中，长晶过程中，辅以过冷度为0～50。

在其中一个实施例中，加热使硅原料完全熔化、单晶籽晶层部分熔化，长晶之后得到铸造单晶硅锭的步骤为：

对容器进行加热，使硅原料完全熔化、单晶籽晶层部分熔化，以形成液体层，至少保持与容器底部接触的部分单晶籽晶层为固态；

控制容器内的热场，对液体层进行结晶形成结晶层，以使固液界面向远离容器底部的方向移动，完成铸造单晶硅锭的生长。

在其中一个实施例中，所述单晶籽晶层包括若干个相互拼接的回收单晶籽晶，相邻所述回收单晶籽晶之间紧密接触。

在其中一个实施例中，还包括对所述铸造单晶硅锭按照预设尺寸进行切割的步骤。

一种铸造单晶硅锭，由上述任一实施例的铸造单晶硅锭的制备方法制备得到。

上述铸造单晶硅锭的制备方法，由于第一方向与回收单晶籽晶的原晶体生长方向相同，因此在长晶过程中改变了回收单晶籽晶中缺陷的生长方向，由于单晶籽晶中缺陷扩展有择优取向，利用回收单晶籽晶中已有缺陷引导后续缺陷向与之前相反的方向扩展，实现了使用回收单晶籽晶生长的铸锭单晶硅锭的缺陷不再继续沿原方向扩展增殖，反而逐渐收窄甚至消失。因此，采用上述铸造单晶硅锭的制备方法制备得到的铸造单晶硅锭的缺陷较少，提高了铸造单晶硅锭的良率。

一种铸造单晶硅片的制备方法，包括如下步骤：

将上述的铸造单晶硅锭切片，得到铸造单晶硅片。

上述铸造单晶硅片的制备方法，由于第一方向与回收单晶籽晶的原晶体生长方向相同，因此在长晶过程中改变了回收单晶籽晶中缺陷的生长方向，由于单晶籽晶中缺陷扩展有择优取向，利用回收单晶籽晶中已有缺陷引导后续缺陷向与之前相反的方向扩展，实现了使用回收单晶籽晶生长的铸锭单晶硅锭的缺陷不再继续沿原方向扩展增殖，反而逐渐收窄甚至消失，提高了铸造单晶硅锭和铸造单晶硅片的良率。

一种铸造单晶硅片，由上述的铸造单晶硅片的制备方法制备得到。

采用上述制备方法得到的铸造单晶硅片的缺陷较少，铸锭的质量较高，硅片的效率较高，能够降本增效。

附图说明

图1为本发明一实施方式的铸造单晶硅锭的制备方法的流程图；

图2为本发明一实施方式的铸造单晶硅锭的制备过程中对铸造单晶硅锭进行切割的示意图；

图3为本发明一实施方式的铸造单晶硅锭的制备过程中得到的回收单晶籽晶的示意图；

图4为本发明一实施方式的铸造单晶硅锭的制备过程中将回收单晶籽晶倒置后的示意图；

图5为本发明一实施方式的铸造单晶硅锭的制备过程中坩埚与单晶籽晶层的示意图；

图6为本发明一实施方式的铸造单晶硅锭的制备过程中单晶籽晶层中回收单晶籽晶的铺设示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

申请人发现，新单晶籽晶铺设时，两块单晶籽晶之间存在拼接缝，单晶籽晶在铸造长晶时易在拼接缝处形成缺陷，且缺陷会由拼接缝向两侧扩展，导致铸造单晶硅锭的良率下降，质量降低。为解决上述问题，本发明提出一种铸造单晶硅锭及其制备方法、铸造单晶硅片及其制备方法。

请参见图1，本发明一实施方式的铸造单晶硅锭的制备方法，包括如下步骤：

S10、在容器的底部铺设回收单晶籽晶，形成单晶籽晶层；其中，回收单晶籽晶自远离容器底部向靠近容器底部的方向为第一方向，第一方向与回收单晶籽晶的原晶体生长方向相同。

本发明中的容器形状和材质由生产过程中采用的容器而定，一般情况下，由于本发明中是采用铸造的方式生产单晶硅锭的，容器为坩埚，更普遍的为石英坩埚。当然，容器还可以选择其它可用于铸造单晶硅锭的铸造过程的可一次性使用的坩埚或可重复使用的坩埚，如碳化硅坩埚或氮化硅坩埚等。

本实施例中“铸造”过程具体是指在用于保持熔融硅的模具或容器中通过对熔融硅进行冷却形成硅锭。一般情况下，目前普遍采用定向凝固法(DirectionalSolidificationSystem，简称DSS)炉晶体生长技术，采用该工艺可生产大的方形铸造单晶硅片，降低了下游电池加工的成本。

其中，回收单晶籽晶为晶体学取向固定的单晶硅，回收单晶籽晶中具有长晶时形成的缺陷。单晶籽晶层包括至少一种晶体学取向的单晶硅层。

其中，回收单晶籽晶的原晶体生长方向指的是，回收单晶籽晶初始状态中晶体的生长方向。

在其中一个实施例中，在容器的底部铺设回收单晶籽晶的步骤为：

切割成品铸造单晶硅锭的尾部，经过机械加工及清洗后，得到回收单晶籽晶；

将回收单晶籽晶按照与原晶体生长方向相反的方向倒置铺设于容器的底部。

请一并参见图2，沿图2中虚线所在平面切割成品铸造单晶硅锭100，得到图3所示的回收单晶籽晶120。图2和图3中箭头所指的方向为回收单晶籽晶的原晶体生长方向。

之后将回收单晶籽晶120按照与原晶体生长方向相反的方向倒置，如图4所示。图4中箭头所指的方向为回收单晶籽晶的原晶体生长方向。

请一并参见图5，将若干个倒置的回收单晶籽晶120铺设于容器200的底部。

在其中一个实施例中，单晶籽晶层130包括若干个相互拼接的回收单晶籽晶120，相邻回收单晶籽晶120之间紧密接触，如图5和图6所示。这样能够使回收单晶籽晶之间的缝隙尽可能小，从而减少由籽晶缝隙处引入的晶界和位错。

在其中一个实施例中，回收单晶籽晶120沿平行于容器底面的截面为方形，若干个回收单晶籽晶120按照成行成列的方式排布。

需要说明的是，本发明中并不限定单晶籽晶的形状和尺寸，单晶籽晶层可以为与容器底部大小和形状基本相同的大块单晶籽晶，也可以由多个小块单晶籽晶拼贴形成。若是后者，为了铺设过程的方便以及满足完整平铺的需要，单晶籽晶体的截面形状最好具有规则的几何形状，优选单晶籽晶形状为长方形，更优选为正方形，要尽可能选择较大的单晶籽晶，以使拼贴形成的单晶籽晶间的缝隙尽可能小，以保证铸造单晶硅锭的良率。

本发明中也不具体限定单晶籽晶层的铺贴方式，但是为了保证铸造单晶硅锭中的单晶硅的质量，优选的，单晶籽晶铺设于容器的中间区域。另外，为了更好的控制铸造单晶硅锭的制作过程和质量，单晶籽晶层应与容器底部保持基本平行或近似平行。

在其中一个实施例中，单晶籽晶层130的厚度为10mm～50mm。更优地，单晶籽晶层130的厚度为15mm～25mm。需要说明的是，本发明中不具体限定单晶籽晶层的厚度，以具体生产过程和生产条件而定。

S20、在单晶籽晶层上装硅料，加热使硅料完全熔化、单晶籽晶层部分熔化，长晶之后得到铸造单晶硅锭。

在其中一个实施例中，长晶过程中，辅以过冷度为0～50。更优地，长晶过程中，辅以过冷度为2～6。

在其中一个实施例中，加热使硅原料完全熔化、单晶籽晶层部分熔化，长晶之后得到铸造单晶硅锭的步骤为：

对容器进行加热，使硅原料完全熔化、单晶籽晶层部分熔化，以形成液体层，至少保持与容器底部接触的部分单晶籽晶层为固态；

控制容器内的热场，对液体层进行结晶形成结晶层，以使固液界面向远离容器底部的方向移动，完成铸造单晶硅锭的生长。

在其中一个实施例中，还包括对步骤S20得到的铸造单晶硅锭按照预设尺寸进行切割(即开方)的步骤。

上述铸造单晶硅锭的制备方法，由于第一方向与回收单晶籽晶的原晶体生长方向相同，因此在长晶过程中改变了回收单晶籽晶中缺陷的生长方向，由于单晶籽晶中缺陷扩展有择优取向，利用回收单晶籽晶中已有缺陷引导后续缺陷向与之前相反的方向扩展，实现了使用回收单晶籽晶生长的铸锭单晶硅锭的缺陷不再继续沿原方向扩展增殖，反而逐渐收窄甚至消失，提高了铸造单晶硅锭的良率。

本发明技术方案的铸造单晶硅锭的制备方法，降低了回收单晶籽晶的循环利用的成本，同时提升了铸造单晶硅锭的质量和成品率，从而降低了铸造单晶的制造成本，提升了铸造单晶的市场竞争力。

本发明一实施方式的铸造单晶硅锭，由上述任一实施例的铸造单晶硅锭的制备方法制备得到。

上述铸造单晶硅锭的制备方法，由于第一方向与回收单晶籽晶的原晶体生长方向相同，因此在长晶过程中改变了回收单晶籽晶中缺陷的生长方向，由于单晶籽晶中缺陷扩展有择优取向，利用回收单晶籽晶中已有缺陷引导后续缺陷向与之前相反的方向扩展，实现了使用回收单晶籽晶生长的铸锭单晶硅锭的缺陷不再继续沿原方向扩展增殖，反而逐渐收窄甚至消失。因此，采用上述铸造单晶硅锭的制备方法制备得到的铸造单晶硅锭的缺陷较少，提高了铸造单晶硅锭的良率。

本发明一实施方式的铸造单晶硅片的制备方法，包括如下步骤：

将上述的铸造单晶硅锭切片，得到铸造单晶硅片。上述铸造单晶硅片的制备方法，由于第一方向与回收单晶籽晶的原晶体生长方向相同，因此在长晶过程中改变了回收单晶籽晶中缺陷的生长方向，由于单晶籽晶中缺陷扩展有择优取向，利用回收单晶籽晶中已有缺陷引导后续缺陷向与之前相反的方向扩展，实现了使用回收单晶籽晶生长的铸锭单晶硅锭的缺陷不再继续沿原方向扩展增殖，反而逐渐收窄甚至消失，提高了铸造单晶硅锭和铸造单晶硅片的良率。

本发明一实施方式的铸造单晶硅片，由上述的铸造单晶硅片的制备方法制备得到。

采用上述制备方法得到的铸造单晶硅片的缺陷较少，铸锭的质量较高，硅片的效率较高，能够降本增效。

下面结合具体实施例对本发明的铸造单晶硅锭及其制备方法、铸造单晶硅片及其制备方法进行进一步的说明。

实施例1～实施例13

将36块厚度为20mm、长度与宽度均为160mm的回收单晶籽晶按一定顺序成行成列的方式拼接，并按第一方向铺设在坩埚底部，形成单晶籽晶层。

再在单晶籽晶层上面装入硅料，进入铸锭炉内进行熔化，过冷度为5进行长晶、退火、冷却等工艺处理，得到铸造单晶硅锭。

通过对铸造单晶硅锭开方检测后得到36块合格铸造单晶小方锭。将铸造单晶合格小方锭总重量除以总装料量，得数即为铸造单晶良率。结果数据见表1，铸造单晶平均良率为45.32％。

对比例1～对比例13

将36块厚度为20mm、长度与宽度均为160mm的回收单晶籽晶按成行成列的方式拼接，并按与第一方向相反的方向铺设在坩埚底部，形成单晶籽晶层。

再在单晶籽晶层上面装入硅料，进入铸锭炉内进行熔化，过冷度为5进行长晶、退火、冷却等工艺处理，得到铸造单晶硅锭。

通过对铸造单晶硅锭开方检测后得到36块合格铸造单晶小方锭。将铸造单晶合格小方锭总重量除以总装料量，得数即为铸造单晶良率。结果数据见表1，铸造单晶平均良率为42.52％。

其中，实施例1与对比例1中的回收单晶籽晶对应，二者缺陷值的差值小于0.2。其中，铸造单晶硅锭中的缺陷主要为位错缺陷，呈现聚集线状分布，其在光致发光时表现为复合中心，会降低发光亮度，较周围无缺陷的区域偏暗。缺陷值实际为缺陷密度或缺陷百分比，为发暗的区域占整体区域的面积百分比。此外，实施例2与对比例2中的回收单晶籽晶对应，以此类推，实施例1～实施例13分别与对比例1～对比例13依次一一对应，相对应的回收单晶籽晶的差值均小于0.2。

表1实施例与对比例的铸造单晶硅锭的良率

从表1可以看出，实施例1～实施例13分别与对比例1～对比例13中对应的对比例相比，实施例1～实施例13的铸造单晶硅锭的良率均比对应的对比例的铸造单晶硅锭的良率要高。且实施例1～实施例13的铸造单晶硅锭的平均良率比对比例1～对比例13的铸造单晶硅锭的平均良率高2.8％。上述表明采用本发明的铸造单晶硅锭的制备方法，能够提高铸造单晶硅锭的良率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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 (8)

1.一种铸造单晶硅锭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在容器的底部铺设回收单晶籽晶，形成单晶籽晶层；其中，所述回收单晶籽晶自远离容器底部向靠近容器底部的方向为第一方向，所述第一方向与回收单晶籽晶的原晶体生长方向相同；

在所述单晶籽晶层上装硅料，加热使硅料完全熔化、单晶籽晶层部分熔化，长晶之后得到铸造单晶硅锭。

2.根据权利要求1所述的铸造单晶硅锭的制备方法，其特征在于，在容器的底部铺设回收单晶籽晶的步骤为：

切割成品铸造单晶硅锭的尾部，经过机械加工及清洗后，得到回收单晶籽晶；

将所述回收单晶籽晶按照与原晶体生长方向相反的方向倒置铺设于容器的底部。

3.根据权利要求1所述的铸造单晶硅锭的制备方法，其特征在于，所述单晶籽晶层的厚度为10mm～50mm。

4.根据权利要求1所述的铸造单晶硅锭的制备方法，其特征在于，长晶过程中，辅以过冷度为0～50。

5.根据权利要求1所述的铸造单晶硅锭的制备方法，其特征在于，加热使硅原料完全熔化、单晶籽晶层部分熔化，长晶之后得到铸造单晶硅锭的步骤为：

对容器进行加热，使硅原料完全熔化、单晶籽晶层部分熔化，以形成液体层，至少保持与容器底部接触的部分单晶籽晶层为固态；

控制容器内的热场，对液体层进行结晶形成结晶层，以使固液界面向远离容器底部的方向移动，完成铸造单晶硅锭的生长。

6.根据权利要求1所述的铸造单晶硅锭的制备方法，其特征在于，所述单晶籽晶层包括若干个相互拼接的回收单晶籽晶，相邻所述回收单晶籽晶之间紧密接触。

7.根据权利要求1所述的铸造单晶硅锭的制备方法，其特征在于，还包括对所述铸造单晶硅锭按照预设尺寸进行切割的步骤。

8.一种铸造单晶硅片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用权利要求1～7中任一项所述的铸造单晶硅锭的制备方法制备得到单晶硅锭，切片，得到铸造单晶硅片。

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