專利名稱：一種單晶向、柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單晶向、柱狀大 晶 粒的鑄造多晶硅。
背景技術(shù)：
太陽能光伏發(fā)電是目前最清潔、環(huán)保的可持續(xù)能源利用形式之一，近
些年在全球得到迅猛發(fā)展。具統(tǒng)計(jì)，近10年，全球光伏產(chǎn)業(yè)年均增長(zhǎng) 41.3%,近5年為49. 5%， 2008年比2007年增長(zhǎng)60%左右，增長(zhǎng)速率逐年 遞增。目前商用的太陽電池主要是由晶體硅材料制備的，包括單晶硅和多 晶硅。單晶硅是通過直拉法獲得的，而多晶硅主要是通過鑄造方法獲得的。 由于鑄造多晶硅的制備成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直拉硅，因此，鑄造多晶硅越來越被 廣泛的應(yīng)用于太陽電池的制備，現(xiàn)在已經(jīng)占有54%的光伏市場(chǎng)。
相對(duì)于直拉單晶硅，鑄造多晶硅太陽電池的效率要小1-2%。其主要原 因是由于鑄造多晶硅中存在大量的晶界和位錯(cuò)，它們能在硅禁帶中引入深 能級(jí),成為光生少數(shù)載流子的有效復(fù)合中心，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。 考慮到電池的光電轉(zhuǎn)化效率每提高1%，其成本可降低10%，所以，減少 鑄造多晶硅中的晶界密度、提高硅電池光轉(zhuǎn)換效率是目前國(guó)際光伏界孜孜 以求的目標(biāo)。另一方面，由于鑄造多晶硅的晶粒取向無序，這使得在電池 制造過程中，高效的異向堿腐蝕技術(shù)無法應(yīng)用于鑄造多晶硅片，得到均勻 的絨面，所以， 一般采用同向酸腐蝕在多晶硅片的表面形成絨面結(jié)構(gòu)，但 是，酸腐蝕制絨后的硅片對(duì)太陽光的陷阱作用有限，電池的光電轉(zhuǎn)換效率難以得到提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種單晶向、柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的制備方法。
這種單晶向、柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的制備方法包括
(1) 依次將單晶硅塊、硅原料、摻雜元素置于坩堝中。坩堝底部預(yù) 先放置的一定數(shù)量的單晶硅塊作為籽晶，將電活性摻雜劑和多晶硅原料同 時(shí)放置于坩堝底部預(yù)先放置的單晶硅塊之上；
(2) 加熱使單晶硅塊上的硅原料和摻雜元素融化。將爐室抽成真空 或使用Ar氣作為保護(hù)氣，將硅原料逐漸加熱到1410。C以上開始融化，此 時(shí)從上至下移動(dòng)保溫罩到一個(gè)合適位置，使得硅原料全部融化成液體，而 同時(shí)確保坩堝低部的每個(gè)單晶硅塊不被完全融化；
(3) 冷卻坩堝底部未融化的單晶硅塊，使單晶硅塊作為籽晶誘導(dǎo)生 長(zhǎng)形成多晶^:。冷卻通過在坩堝底部通冷卻的氣體或冷卻水、調(diào)整坩堝位 置、保溫罩位置或熱場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)。定向凝固時(shí)，形成單方向的熱流(晶體的 生長(zhǎng)方向垂直向上，熱流方向垂直向下)，在固-液界面處存在一定的軸 向溫度梯度，而在橫向的溫度梯度較小，從而實(shí)現(xiàn)從下至上的這種柱狀大 晶 粒多晶硅的生長(zhǎng)。
優(yōu)選地，所述的單晶硅籽晶的晶向?yàn)?lt;100>，這樣生長(zhǎng)得到的鑄造多 晶硅中晶粒的晶向也為<100>,使得高效的異向堿腐蝕能得到比較應(yīng)用于
單晶硅
優(yōu)選地，所述的單晶硅籽晶的形狀可以為長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)為1-10cm，寬 為1-10cm,高為O. 5-10cm。這樣的籽晶不但容易準(zhǔn)備，而且耗材少。 優(yōu)選地，所述的單晶硅塊的形狀為圓柱體，其直徑為1-10cm，高度為
4l-10cm。這樣的籽晶也比較容易準(zhǔn)備，而且耗材少。
優(yōu)選地，所述的單晶硅塊均勻地置于坩鍋的底部，這樣得到的鑄造多 晶硅的晶粒大小也均勻。
優(yōu)選地，所述的摻雜元素為硼、鎵或磷。
優(yōu)選地，所述的步驟(2)中加熱時(shí)，調(diào)整保溫罩位置，使得單晶硅 塊上的硅原料和摻雜元素融化，而單晶硅不完全融化。這個(gè)方法操作過程 簡(jiǎn)單、易控制。
優(yōu)選地，步驟(3)中的冷卻坩堝底部時(shí)，通入冷卻氣體或冷卻水。 通過循環(huán)的冷卻氣體或冷卻水將熱量的方法效果好，而且^喿作過程簡(jiǎn)單、 易控制。
所述的融化掉的單晶硅塊厚度占單晶硅塊總厚度可以在10% ~ 90% 之間。
這種同晶向、柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的特點(diǎn)是所有的晶粒尺寸大， 成柱狀，晶粒的橫截面積均大于5cm2 ，晶界的密度非常?。欢颐總€(gè)晶 粒的晶向都是相同的。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明采用鑄造方法獲得柱狀大晶粒多晶硅 可以有效的降低材料中的晶界密度，基本消除了當(dāng)前普通鑄造多晶硅中由 于存在大量晶界導(dǎo)致電池效率降低的問題；同時(shí)，本發(fā)明獲得鑄造多晶硅 中的晶粒都具有相同的晶向，所以在電池制備過程中高效的堿制絨技術(shù)能 夠被應(yīng)用，從而提高電池對(duì)光的吸收效率。此材料非常適合用于高效太陽 能電池的制備。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。
5實(shí)施例1
先將50個(gè)長(zhǎng)方體(長(zhǎng)x寬x高lcm x lcm x lcm )的無位錯(cuò)的<100〉 單晶硅塊均勻地鋪在坩堝底部，然后將240kg的硅原料置于這些單晶硅塊 上，摻入20mg的摻雜劑硼，實(shí)現(xiàn)裝爐。將爐室抽成真空，使用Ar氣作 為保護(hù)氣。調(diào)整保溫罩位置，將硅原料逐漸加熱到1410°C以上，使硅原 料融化成液體，而坩堝底部的單晶硅塊上半部被融化。最后，在坩堝底部 通入冷卻水進(jìn)行熱交換，并以1 mm/min的速度提升保溫罩，使得硅熔體 從底部向上逐漸定向凝固，通過鋪在底部的未融化的單晶珪作為籽晶誘導(dǎo) 生長(zhǎng)，鑄造形成硼濃度為6X10"/cn^的柱狀大晶粒、晶向?yàn)?lt;100>的多晶 硅。
本實(shí)施例得到的鑄造多晶硅片中的晶粒尺寸都大于5cm2，而且每個(gè) 晶粒的晶向?yàn)?lt;100>。其少子壽命在4微秒以上，比普通鑄造多晶硅片高 1倍以上；而且這種多晶硅片在堿制絨后對(duì)光的吸收效率比酸制絨的普通 鑄造多晶硅片高8%左右。
實(shí)施例2
先將15個(gè)圓柱體(直徑為5cm,高度為2cm)的無位錯(cuò)的<100>單晶 硅塊均勻鋪在坩堝底部，然后將240kg的硅原料置于這些單晶硅塊上，摻 入20mg的摻雜劑硼，實(shí)現(xiàn)裝爐。將爐室抽成真空，使用Ar氣作為保護(hù) 氣。調(diào)整保溫罩位置，將硅原料逐漸加熱到1410°C以上，使硅原料融化 成液體，而坩堝底部的單晶硅塊上半部被融化。最后，在坩堝底部通入冷 卻水進(jìn)行熱交換，并以2 mm/min的速度提升保溫罩，使得硅熔體從底部 向上逐漸定向凝固，通過鋪在底部的未融化的單晶硅作為籽晶誘導(dǎo)生長(zhǎng)， 鑄造形成硼濃度為6X10"/cn^的柱狀大晶粒、晶向?yàn)?lt;100>的多晶硅。本實(shí)施例得到的鑄造多晶硅片中的晶粒尺寸都大于30cm2,而且每個(gè) 晶粒的晶向?yàn)?lt;100>。其少子壽命在5微秒以上，比普通鑄造多晶硅片高 1.5倍以上；而且這種多晶硅片在堿制絨后對(duì)光的吸收效率比酸制絨的普 通鑄造多晶硅片高10%左右。
權(quán)利要求
1、一種單晶向、柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的制備方法，包括(1)依次將一定數(shù)量的單晶硅塊、硅原料、摻雜元素置于坩堝中；(2)加熱使單晶硅塊上的硅原料和摻雜元素融化，而每個(gè)單晶硅塊不被全部融化；(3)熱交換從坩堝底部開始，使單晶硅塊作為籽晶誘導(dǎo)生長(zhǎng)定向凝固形成多晶硅。
2、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的單晶硅塊的 晶向相同，晶向?yàn)?lt;100>。
3、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的單晶硅塊的 形狀為長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)為1-10cm，寬為l-10cm，高為0. 5-10cm。
4、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的單晶硅塊的 形狀為圓柱體，其直徑為1-10cm，高度為l-10cm。
5、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的單晶硅塊均 勻地置于坩鍋的底部。
6、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的摻雜元素為 硼、鎵或磷。
7、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(2)中加熱時(shí)， 調(diào)整保溫罩位置，使得單晶硅塊上的硅原料和摻雜元素融化，而單晶硅不 完全融化。
8、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(3)中的定向 凝固時(shí)，保溫罩以l-4mm/min的速度提升。
9、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(3)中的定向 凝固時(shí)，坩堝底部的熱交換通過通冷卻氣體或冷卻水發(fā)生。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種同晶向、柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的制備方法，包括(1)依次將單晶硅塊、硅原料、摻雜元素置于坩堝中；(2)加熱使單晶硅塊上的硅原料和摻雜元素融化，而每個(gè)單晶硅塊不被全部融化；(3)熱交換從坩堝底部開始，使單晶硅塊作為籽晶誘導(dǎo)生長(zhǎng)定向凝固形成多晶硅。本發(fā)明得到的柱狀、大晶粒多晶硅可以有效的降低材料中的晶界密度，基本消除了當(dāng)前普通鑄造多晶硅中由于存在大量晶界導(dǎo)致電池效率降低的問題；同時(shí)，本發(fā)明得到的多晶硅中的晶粒具有同晶向，使電池制備過程中高效的堿制絨技術(shù)能夠被應(yīng)用，從而提高電池對(duì)光的吸收效率。
文檔編號(hào)C30B28/00GK101654805SQ200910152970
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月24日
發(fā)明者余學(xué)功, 楊德仁 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)