一种可实现低位错密度的高效铸锭半熔工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于多晶硅铸锭领域，特别涉及一种可实现低位错密度的高效铸锭半熔工艺。
【背景技术】
[0002]多晶硅是单质硅的一种形态，熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，这些晶粒接合起来便形成多晶硅。在太阳能光伏工业中生产太阳能光伏产品的工艺包括多晶硅铸锭、切割成片、制成电池片和封装为太阳能组件，可见多晶硅铸锭是太阳能光伏工业的重要组成部分，是生产太阳能光伏产品的首个环节。其中多晶硅铸锭工艺是采用多晶硅铸锭炉完成的，其包括步骤:1)对单质硅进行加热，直至单质硅熔化；2)冷却使熔融的单质硅凝固，进行长晶；3)退火处理，并冷却。
[0003]目前，多晶硅太阳能电池片的光电转化效率不是很高，现有铸锭工艺得到的多晶硅太阳能电池的平均光电转化效率大多为17.0%?17.2%，这使得太阳能发电成本仍然很高，不能满足人们对于太阳能发电的生产要求。
[0004]现有铸锭工艺分为全熔工艺和半熔工艺，其中，半熔工艺的隔热笼的打开是在硅料熔化后期，全熔工艺的隔热笼的打开是在晶体长晶前期，这两种工艺控制的隔热笼的打开时间不稳定，温度对硅料长晶的影响不稳定，这就导致了不能较好的控制硅液的固液界面，从而长晶过程中晶粒位错密度大，这样的硅锭做成的电池片的转换效率很低。
[0005]现有对比文件专利号:201210279273.5 (—种多晶硅铸锭方法)，该发明公开了一种多晶硅铸锭方法，包括:向坩埚中填放硅料；关闭隔热笼对所述坩埚内硅料进行加热；在硅料熔化阶段逐步打开所述隔热笼至设定位置，使坩埚内液态硅料处于过冷状态。所述技术方案通过逐步打开所述隔热笼至设定位置，使所述隔热笼底部开口逐渐增大，从而使得所述坩埚底部处于过冷状态，使得熔化后的液态硅料在坩埚内具有由下至上的温度差，即坩埚内的液态硅料的温度由下至上是逐渐增大的，坩埚底部温度最低。该发明的不足之处在于:(1)坩埚底部均匀铺设一层单晶边皮料或实施例公开的单晶硅籽晶，单晶边皮料为大片的边角料，单晶硅籽晶为单晶硅硅棒，粒径较大。使用两者都容易形成大晶粒，大晶粒的光电转化效率低，最高达到17.2% ；(2)权利要求6中所述的隔热笼底部的开口距离要大于上一步的开口距离，经分析计算得出，对比文件中提升隔热笼的速率是越来越快的，在变化的速度的影响下，不能够很好的保持水平的熔化界面，从而长晶时初始的长晶界面不够平整，导致晶体成晶时晶向不一致。
【发明内容】
[0006]本发明克服上述不足问题，提供一种可实现低位错密度的高效铸锭半熔工艺，通过对碎单晶或碎多晶的有效利用，以及对熔化和长晶时隔热笼的打开时间及位移进行控制，来达到平稳熔化、平稳长晶的目的。
[0007]本发明为实现上述目的所采用的一种可实现低位错密度的高效铸锭半熔工艺，包括装料抽真空，加氩气升压，加热使硅料熔化，晶体长晶，退火保温及冷却降温，装料阶段，首先在石英坩埚内底部铺上一层碎单晶或碎多晶；在熔化阶段以0.5?lcm/h的速率提升隔热笼，以保证碎单晶或碎多晶不熔化。
[0008]优选方案如下:
[0009]装料阶段首先铺碎单晶或碎多晶的一层厚度为3?4cm，碎单晶或碎多晶的粒径为2?15mm。采用的碎单晶或碎多晶，在诱导晶体长晶过程中，能够使晶体成核较小，晶粒小从而光电转换效率高。
[0010]在熔化阶段提升隔热笼的时间为7?9h。
[0011]在长晶阶段以0.3?0.6cm/h的速率继续提升隔热笼，继续提升隔热笼的时间为25?30h。这一过程是在平稳的固液界面基础上继续进行的，从而使长晶产生的位错密度小，进而提闻光电转换效率。
[0012]该工艺采用的装置包括炉体，炉体内有石英坩埚，石英坩埚的外壁由内向外依次环绕有侧部加热器和隔热笼，隔热笼内壁安装有石墨碳毡；石英坩埚上方固定安装有顶部加热器，顶部加热器与侧部加热器连接在一起，通过连接电极，固定在顶部的石墨碳毡上；石英坩埚的下方安装有热交换块；隔热笼上端固定安装有通出炉体外的定位提升杆，定位提升杆固定在炉体外顶部，定位提升杆保证了隔热笼升降时的水平度，使隔热笼升降更加平稳，保证了最终的产品质量。在石英坩埚的上方有通气管，通气管固定安装在炉体上，由通气管向炉体内通入氩气作为保护气；在本发明中，侧部加热器和顶部加热器统称为加热器。
[0013]在旧工艺中，采用的都是全熔工艺，坩埚内铺的都是单晶硅块，这种工艺生产的晶粒大，光电转换效率低，已经逐渐被市场所淘汰，同时在对比文件中，权利要求2中所述的单晶边皮料与本发明的碎单晶或碎多晶不同，晶体碎片的面积小，粒径为2?15mm之间，在碎单晶和碎多晶的基础上可以长晶形成小晶粒；而单晶边皮料的粒径较大，为大片的边角料，容易形成大晶粒，大晶粒的光电转换效率低。现在的工艺多为半熔工艺，在半熔工艺中，加入的碎单晶或碎多晶在诱导晶体长晶过程中，能够使晶体成核较小，晶粒小从而光电转换效率高；同时，对比文件中权利要求6所述的隔热笼底部的开口距离要大于上一步的开口距离，经分析计算得出，对比文件中提升隔热笼的速率是越来越快的，而申请人提交的实验数据是在熔化阶段以0.5?lcm/h的速率稳速提升隔热笼。实验证明，在本发明提供的速度下能够更好的保持水平的熔化界面和较高的熔化速度，熔化界面的水平从而得到长晶时初始长晶界面的平整，长晶界面的平整又使得晶体成晶时晶向一致。在熔化阶段开始时，就开始提升隔热笼，并保证石英坩埚底部的热电偶的温度要始终低于1380°C，从而保证了这部分的碎单晶或碎多晶不熔化。采用本发明工艺，可以保证硅料自顶部向底部依次缓慢熔化，得到较为平整的固液界面，水平方向温度一致且竖直方向温度梯度均匀，且保证熔化掉一些难熔化的杂质硬质颗粒，减少其造成的位错。
[0014]采用该发明工艺，可以保证熔化后期固液界面平稳，水平温度保持一致，竖直方向温度梯度均匀，从而提高长晶质量。采用本发明工艺得到的铸锭位错密度显著降低，晶粒大小都在6?8mm，同时太阳能电池片的光电转换效率从17.2%提高到了 17.5%。
【附图说明】
[0015]图1为本发明装置示意图。
[0016]图中，1、通气管，2、定位提升杆，3、硅料，4、加热器，5、石英坩埚，6、石墨碳毡，7、隔热笼，8、炉体。
【具体实施方式】
[0017]下面结合具体实施例及附图详细说明本发明，但本发明并不局限于具体实施例。
[0018]实施例1:
[0019]铸锭半熔工艺按照以下步骤进行:
[0020]1、装料抽真空、开始加热:将粒径为2_的碎单晶加入石英坩埚5底部，铺的厚度为3cm，然后继续加入450Kg硅料3装入石英坩埚5内，控制炉体8内抽真空到0.5Pa ;控制加热器4加热，使石墨碳毡6和硅料3等的湿气蒸发，并在2h内升高温度至1100°C，由通气管I通入氩气作为保护气，使炉体8内压强保持在40KPa，使石英坩埚5内温度在3h内达到1545°C，此过程中隔热笼7始终在O位(即关闭状态)。
[0021]2、熔化阶段:使炉体8内压强保持在50KPa，保持硅料3的温度为1545°C并且保温9h，控制定位提升杆2的提升速率为lcm/h，9h内使隔热笼7从O位提升到9cm处，用石英棒测量直到石英坩埚5内硅料3剩余2cm，并要保证在熔化过程中，底部热电偶的温