硅錠底部晶粒均勻成核的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硅錠底部晶粒均勻成核的方法，涉及制備具有一定結(jié)構(gòu)的均勻多晶材料的方法【技術(shù)領(lǐng)域】。包括以下步驟：（1）對多晶硅鑄錠爐內(nèi)的熱場進(jìn)行改造，在多晶硅鑄錠爐的石英坩堝與石墨底板之間鋪設(shè)石墨片；（2）加熱，利用加熱器對石英坩堝內(nèi)的硅料進(jìn)行加熱；（3）熔化，控制坩堝內(nèi)的溫度對硅料進(jìn)行熔化處理；（4）長晶，控制多晶硅鑄錠爐內(nèi)的溫度和時(shí)間進(jìn)行長晶處理；（5）退火；（6）冷卻。使用所述方法制造的硅錠，晶體的晶粒大小更為均勻，雜質(zhì)分布也更為平均，缺陷密度進(jìn)一步降低，最終有效提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】硅錠底部晶粒均勻成核的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及制備具有一定結(jié)構(gòu)的均勻多晶材料的方法【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種硅錠底部晶粒均勻成核的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多晶硅鑄錠爐是一種用于生產(chǎn)多晶硅錠的加熱設(shè)備。多晶鑄錠爐工藝過程包括:加熱(H)、熔化(M)、生長(G)、退火(A)和冷卻(C)五個(gè)階段。加熱階段的作用是對鑄錠爐內(nèi)部熱場和硅料進(jìn)行預(yù)熱；熔化階段的目的是逐漸升溫，最終使硅料全部變成熔融的液態(tài)硅；生長階段的目的是通過降溫和緩慢提升隔熱籠的方式，完成液態(tài)硅到固態(tài)硅的結(jié)晶過程；退火階段的目的是消除多晶硅錠內(nèi)應(yīng)力；冷卻階段的目的是對多晶硅錠進(jìn)行降溫，待溫度到450°C，可以出爐。
[0003]理想的晶體是原子在三維空間呈有規(guī)律、周期性排列形成的，但是在實(shí)際中，原子不可能排列的十分規(guī)則和完整，或多或少的存在偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域，這些偏離區(qū)域就是晶體缺陷，缺陷的多少就是缺陷密度。作為清潔環(huán)保的新能源，太陽能電池的應(yīng)用越來越普及，傳統(tǒng)的太陽能電池生產(chǎn)工藝效率較低，單位面積的發(fā)電量較低，由于太陽能電池大部分安裝在地面上，這樣大大增加了太陽能電池板的占地面積。在制造太陽能電池的過程中需要使用硅片，硅片是由硅錠切割而成，在硅錠制作的過程中會使用到鑄錠爐，現(xiàn)有技術(shù)中鑄錠爐的坩堝與石墨底板直接接觸，由于坩堝邊緣離加熱器較近，使得坩堝底部有一定橫向的溫度梯度，使坩堝底部 成核后有橫向生長的趨勢，這是底部枝晶形成及晶粒大小不均勻的主要原因。
[0004]此外，現(xiàn)有的硅錠制作工藝中隔熱籠采用完全閉合的狀態(tài)進(jìn)行化料(熔化階段)，待硅料全部轉(zhuǎn)化成液體后，緩慢打開隔熱籠進(jìn)行散熱，在坩堝底面依照冷熱不同的先后順序，依次成核。首先成核的晶粒會沿橫向長大，而后形成的晶?？傮w偏小，這樣造成了底面枝晶與大晶粒和小晶粒的共生，造成晶粒大小不一致。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種硅錠底部均勻晶粒的成核方法，使用所述方法制造的硅錠，晶體的晶粒大小更為均勻，雜質(zhì)分布也更為平均，缺陷密度進(jìn)一步降低，最終有效提聞太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種硅錠底部晶粒均勻成核的方法，其特征在于包括以下步驟:
(1)對多晶娃鑄淀爐內(nèi)的熱場進(jìn)行改造，在多晶娃鑄淀爐的石英樹禍與石墨底板之間鋪設(shè)石墨片；
(2)加熱，利用加熱器對石英坩堝內(nèi)的硅料進(jìn)行加熱；
(3)熔化，控制坩堝內(nèi)的溫度對硅料進(jìn)行熔化處理；
(4)長晶，控制多晶硅鑄錠爐內(nèi)的溫度和時(shí)間進(jìn)行長晶處理；(5)退火；
(6)冷卻。
[0007]優(yōu)選的，所述石墨片為回字形，在石墨片之間填充石墨碳?xì)帧?br> [0008]優(yōu)選的，所述石墨片的厚度為5mm,最外側(cè)石墨片的邊緣與石墨底板的邊緣齊平。
[0009]優(yōu)選的，所述熔化分為兩個(gè)階段，第一階段控制溫度在1550-1570°C，隔熱籠提升速率為5-7cm/h，持續(xù)時(shí)間為0.5-1.5小時(shí)；第二階段保持隔熱籠的位置，控制溫度不變，持續(xù)時(shí)間為9.5-10.5小時(shí)。
[0010]優(yōu)選的，所述長晶的溫度控制在1450-1470°c，隔熱籠提升速率為16-20 cm/h，持續(xù)時(shí)間為15-25分鐘。
[0011 ] 優(yōu)選的，所述熔化分為兩個(gè)階段，第一階段控制溫度在1560°C，隔熱籠提升速率為6cm/h，持續(xù)時(shí)間為I小時(shí)；第二階段保持隔熱籠的位置，控制溫度不變，持續(xù)時(shí)間為10小時(shí)。
[0012]優(yōu)選的，所述長晶的溫度控制在1460°C，隔熱籠提升速率為18 cm/h，持續(xù)時(shí)間為20分鐘。
[0013]采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:本方法在石墨底板和石英坩堝之間鋪設(shè)了一層5mm高度的“回字型”石墨片分區(qū)結(jié)構(gòu)，分區(qū)結(jié)構(gòu)的邊緣與石墨底板的邊緣齊平，在回字形石墨 片之間設(shè)有石墨碳?xì)郑細(xì)志哂辛己玫谋匦Ч?，以這樣的結(jié)構(gòu)鋪設(shè)會在坩堝底部形成局部溫度梯度，有利于在快速冷卻工藝的配合下，在坩堝底面多點(diǎn)形成過冷度而迅速成核，最終在坩堝底面形成一層均勻的小晶粒。
[0014]本方法在熔化的后期保持隔熱籠的開度在6cm，相對于現(xiàn)有工藝隔熱籠開度為Ocm (即完全閉合)的狀態(tài)，有利于先散發(fā)出一部分熱量，降低坩堝底部的溫度，當(dāng)進(jìn)入長晶段后，隔熱籠迅速開大，在20分鐘內(nèi)隔熱籠由6cm提升至12cm，散出大量熱量；同時(shí)降溫速率由現(xiàn)有技術(shù)中的2小時(shí)由1560降至1460，變?yōu)?0分鐘由1560降至1460，迅速降低設(shè)定溫度，意味著迅速降低加熱器的發(fā)熱量。加熱器發(fā)熱量急劇減少，同時(shí)散熱大量增加，造成坩堝底部溫度快速冷卻，最終快速成核，配合熱場改造中的“回字型”分區(qū)結(jié)構(gòu)，最終在坩堝底面形成一層均勻的小晶粒。這樣會使雜質(zhì)更加均勻的分布到晶界中去，從而有效的降低晶體內(nèi)部的缺陷密度，最終提高硅錠的整體品質(zhì)，電池效率得到0.2%的提升，從而達(dá)到降低太陽能使用成本的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0016]圖1是本發(fā)明的工藝流程圖；
圖2是本發(fā)明中鋪設(shè)的石墨片與石墨碳?xì)值母┮暯Y(jié)構(gòu)示意圖；
其中:1、石墨片2、石墨碳?xì)帧?br> 【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1所示，一種硅錠底部晶粒均勻成核的方法，包括以下步驟:(I)對多晶硅鑄錠爐內(nèi)的熱場進(jìn)行改造，在多晶硅鑄錠爐的石英坩堝與石墨底板之間鋪設(shè)石墨片；所述石墨片為回字形，石墨片可以為兩圈以上，石墨片的寬度和個(gè)數(shù)可以根據(jù)多晶爐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，石墨片與石墨片之間填充保溫性能較好的石墨碳?xì)?，用于形成溫度梯度，所述石墨片的厚度?mm,最外側(cè)石墨片的外邊緣與石墨底板的邊緣齊平。(2)加熱,利用加熱器對石英坩堝內(nèi)的硅料進(jìn)行加熱，此步驟與現(xiàn)有技術(shù)中的鑄錠方法相同，不贅述；(3)熔化，所述熔化分為兩個(gè)階段，第一階段控制溫度在1550-1570°C，隔熱籠提升速率為5-7cm/h，持續(xù)時(shí)間為0.5-1.5小時(shí)；第二階段保持隔熱籠的位置，控制溫度不變，持續(xù)時(shí)間為9.5-10.5小時(shí)；(4)長晶，所述長晶的溫度控制在1450-1470°C，隔熱籠提升速率為16-20 cm/h，持續(xù)時(shí)間為15-25分鐘；(5)退火，此步驟與現(xiàn)有技術(shù)中的鑄錠方法相同，不贅述；(6)冷卻，此步驟與現(xiàn)有技術(shù)中的鑄錠方法相同，不贅述。
[0018]所述方法相對于現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了兩方面的改進(jìn)，第一方面，熱場方面:本方法在石墨底板和石英坩堝之間鋪設(shè)了一層5mm高度的“回字型”石墨片分區(qū)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，分區(qū)結(jié)構(gòu)的邊緣與石墨底板的邊緣齊平，在回字形石墨片之間設(shè)有石墨碳?xì)?，石墨碳?xì)志哂辛己玫谋匦Ч?，以這樣的結(jié)構(gòu)鋪設(shè)會在坩堝底部形成局部溫度梯度，有利于在快速冷卻工藝的配合下，在坩堝底面多點(diǎn)形成過冷度而迅速成核，最終在坩堝底面形成一層均勻的小晶粒。
[0019]第二方面，工藝方面:現(xiàn)有技術(shù)工藝如下表所示:
【權(quán)利要求】
1.一種硅錠底部晶粒均勻成核的方法，其特征在于包括以下步驟: (1)對多晶娃鑄淀爐內(nèi)的熱場進(jìn)行改造，在多晶娃鑄淀爐的石英樹禍與石墨底板之間鋪設(shè)石墨片； (2)加熱，利用加熱器對石英坩堝內(nèi)的硅料進(jìn)行加熱； (3)熔化，控制坩堝內(nèi)的溫度對硅料進(jìn)行熔化處理； (4)長晶，控制多晶硅鑄錠爐內(nèi)的溫度和時(shí)間進(jìn)行長晶處理； (5)退火； (6)冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅錠底部晶粒均勻成核的方法，其特征在于:所述石墨片為回字形，在石墨片之間填充石墨碳?xì)帧?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅錠底部晶粒均勻成核的方法，其特征在于:所述石墨片的厚度為5_，最外側(cè)石墨片的外邊緣與石墨底板的邊緣齊平。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅錠底部晶粒均勻成核的方法，其特征在于:所述熔化分為兩個(gè)階段，第一階段控制溫度在1550-1570°C，隔熱籠提升速率為5-7cm/h，持續(xù)時(shí)間為0.5-1.5小時(shí)；第二階段保持隔熱籠的位置，控制溫度不變，持續(xù)時(shí)間為9.5-10.5小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅錠底部晶粒均勻成核的方法，其特征在于:所述長晶的溫度控制在1450-1470°C，隔熱籠提升速率為16-20 cm/h，持續(xù)時(shí)間為15-25分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅錠底部晶粒均勻成核的方法，其特征在于:所述熔化分為兩個(gè)階段，第一階段控制溫度在1560°C，隔熱籠提升速率為6cm/h，持續(xù)時(shí)間為I小時(shí)；第二階段保持隔熱籠的位置，控制溫度不變，持續(xù)時(shí)間為10小時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅錠底部晶粒均勻成核的方法，其特征在于:所述長晶的溫度控制在1460°C，隔熱籠提升速率為18 cm/h，持續(xù)時(shí)間為20分鐘。
【文檔編號】C30B28/06GK103789829SQ201410047496
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月11日
【發(fā)明者】張任遠(yuǎn), 潘明翠, 夏新中, 張莉沫, 王全志 申請人:英利能源（中國）有限公司