一种多晶硅晶体的生长工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能光伏技术领域，尤其涉及一种多晶硅晶体的生长工艺。
【背景技术】
[0002]随着全球各国对可持续发展和环保能源的不断关注，清洁能源已成为各国能源领域研究的重要议题，这其中太阳能发电是最主要的方向之一。太阳能发电分为光热发电和光伏发电，而通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。而太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池片，有单晶娃、多晶娃、非晶硅和薄膜电池等。其中，单晶硅和多晶硅电池用量最大。
[0003]单晶硅是指硅原子在三维空间有规律周期性的不问断排列，形成一个完整的晶体材料，材料性质体现各向异性，即在不同的晶体方向各种性质都存在差异；多晶硅是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料，它的材料性质体现的是各向同性。而多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原材料，因而自然也是全球光伏产业的基石。
[0004]多晶硅的生产通常是采用多晶硅铸造技术，这种铸造技术生产的多晶硅锭具有厘米级大晶粒、柱状晶粒结构、电阻率均匀性好、杂质含量低等特点。业内经过多年的研究开发，已出现多种多晶硅铸造技术，目前多晶硅铸锭的铸造技术主要采用的是定向凝固法，而在多晶硅铸锭的生产过程中主要是经过五个重要阶段硅料加热、硅料熔化、硅锭生长、硅锭退火和硅锭冷却。众所周知的，多晶硅铸锭的生产过程是一个复杂的步骤，每一步都会影响到后续多晶硅电池的品质，其中影响多晶硅电池转换效率的因素有电阻率、少子寿命和晶粒大小。因而，多晶娃铸淀技术的关键就在于要获得定向排列的柱状晶，晶粒尺寸要大，获得较长的少子寿命，提高电池的光电转换效率。但是由于整体过程的复杂性和大规模生产中的不可控因素，都会造成多晶硅晶体材料中的各种缺陷，如空位、孪晶、裂纹、晶界、位错、微观缺陷和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属等等，这些都会影响到最终多晶硅电池的转换效率。
[0005]因此，如何在上述多晶硅铸锭的生产过程中，寻求进一步的改进方法以克服晶体材料上的缺陷提高产品合格率，最大程度的降低生产成本，已经成为业内的多晶硅生产厂家亟待解决的问题。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种多晶硅晶体的生长工艺，本发明的提供多晶硅铸锭晶体生长工艺，能够有效的提高电池转换效率和产品良率，极大的降低了生产成本。
[0007]本发明提供了一种多晶硅晶体的生长工艺，其特征在于，包括，
[0008]A)将硅料加热熔化后，在形核初期，在第一温度的条件下进行晶体生长；
[0009]B)在长晶初期，在初期长晶速率的条件下进行晶体生长；
[0010]C)在长晶中期，在中期长晶速率的条件下进行晶体生长；
[0011]D)在长晶后期，在后期长晶速率的条件下进行晶体生长，得到多晶硅铸锭；
[0012]所述初期长晶速率、中期长晶速率和后期长晶速率互不等同。
[0013]优选的，所述初期长晶速率为1.2?1.4cm/h ;所述中期长晶速率为1.1?1.4cm/h ;所述后期长晶速率为0.9?1.2cm/h0
[0014]优选的，所述第一温度为1420?1430°C ;所述长晶初期的温度为1420?1440°C ；所述长晶中期的温度为1405?1435°C ;所述长晶后期的温度为1405?1420°C。
[0015]优选的，所述形核初期的时间为30?150min ;所述长晶初期的时间为150?240min ;所述长晶中期的时间为630?1140min ;所述长晶后期的时间为780?1020min。
[0016]优选的，所述步骤B)具体为，
[0017]B1)在长晶初期，进行第一阶段晶体生长；
[0018]B2)在长晶初期，在第二长晶速率的条件下进行第二阶段晶体生长。
[0019]优选的，所述第一阶段的时间为30?60min，所述第一阶段的温度为1420?1440°C ；
[0020]所述第二长晶速率为1.2?1.4cm/h,所述第二阶段的时间为120?180min，所述第二阶段的温度为1420?1440°C。
[0021]优选的，所述步骤C)具体为，
[0022]C1)在长晶中期，在第三长晶速率的条件下进行第三阶段晶体生长；
[0023]C2)在长晶中期，在第四长晶速率的条件下进行第四阶段晶体生长；
[0024]C3)在长晶中期，在第五长晶速率的条件下进行第五阶段晶体生长；
[0025]C4)在长晶中期，在第六长晶速率的条件下进行第六阶段晶体生长。
[0026]优选的，所述第三长晶速率为1.2?1.4cm/h,所述第三阶段的时间为360?480min，所述第三阶段的温度为1415?1435°C ；
[0027]所述第四长晶速率为1.2?1.3cm/h，所述第四阶段的时间为30?180min，所述第四阶段的温度为1410?1430°C ;
[0028]所述第五长晶速率为1.2?1.3cm/h，所述第五阶段的时间为60?180min，所述第五阶段的温度为1410?1430°C ;
[0029]所述第六长晶速率为1.1?1.2cm/h,所述第六阶段的时间为180?300min，所述第六阶段的温度为1405?1425°C。
[0030]优选的，所述步骤D)具体为，
[0031]D1)在长晶后期，在第七长晶速率的条件下进行第七阶段晶体生长；
[0032]D2)在长晶后期，在第八长晶速率的条件下进行第八阶段晶体生长；
[0033]D3)在长晶后期，进行第九阶段晶体生长，得到多晶硅铸锭。
[0034]优选的，所述第七长晶速率为1.0?1.2cm/h，所述第七阶段的时间为240?360min，所述第七阶段的温度为1405?1425°C ；
[0035]所述第八长晶速率为0.9?1.2cm/h,所述第八阶段的时间为420?480min，所述第八阶段的温度为1400?1420°C ；
[0036]所述第九阶段的时间为120?180min，所述第九阶段的温度为1400?1420°C。
[0037]本发明提供了一种多晶硅晶体的生长工艺，其特征在于，包括，首先将硅料加热熔化后，在形核初期，在第一温度的条件下进行晶体生长；然后在长晶初期，在初期长晶速率的条件下进行晶体生长；其次在长晶中期，在中期长晶速率的条件下进行晶体生长；最后在长晶后期，在后期长晶速率的条件下进行晶体生长，得到多晶硅铸锭；所述初期长晶速率、中期长晶速率和后期长晶速率互不等同。与现有技术相比，本发明基于高质量晶向(低缺陷密度)的控制与形核环境关系很大，容易导致形核质量不稳定，因而，从多晶硅铸锭的生产过程中硅锭生长步骤入手，针对现有的多晶硅铸锭长晶工艺中存在的速率相同的问题，本发明对长晶各个阶段的长晶速率进行差异性控制，尤其是长晶初期(缺陷形成期间)，进而有效的降低了晶体缺陷密度，保证了低缺陷晶体的持续生长，解决了头中尾硅片效率差异较大的问题，从而提高整锭良率，降低生产成本。实验结果表明，采用本发明提供的多晶硅晶体的生长工艺，产品平均良率为73%，制备的多晶硅电池平均转换效率为18.05%。
【附图说明】
[0038]图1为本发明实施例1制备的多晶硅铸锭和普通多晶硅铸锭的少子分布对比图；
[0039]图2为本发明实施例1制备的多晶硅铸锭和普通多晶硅铸锭的晶粒对比图。
【具体实施方式】
[0040]为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。
[0041]本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
[0042]本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用分析纯。
[0043]本发明提供了一种多晶硅晶体的生长工艺，其特征在于，包括，
[0044]A)将硅料加热熔化后，在形核初期，在第一温度的条件下进行晶体生长；
[0045]B)在长晶初期，在初期长晶速率的条件下进行晶体生长；
[0046]C)在长晶中期，在中期长晶速率的条件下进行晶体生长；
[0047]D)在长晶后期，在后期长晶速率的条件下进行晶体生长，得到多晶硅铸锭；所述初期长晶速率、中期长晶速率和后期长晶速率互不等同。
[0048]本发明首先将硅料加热熔化后，在形核初期，在第一温度的条件下进行晶体生长；所述第一温度优选为1420?1430 °C，更优选为1421?1429 °C，更优选为1422?1428 °C，最优选为1424?1426°C ;所述形核初期的时间优选为30?150min，更优选为50?120min，更优选为70?lOOmin，最优选为80?90min。本发明对所述形核初期的晶体生长速度不做特别限制，以硅料晶体在上述第一温度和形核初期时间的条件下进行常规的生长即可；本发明对所述晶体生长的其他条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的硅料晶体生长的条件即可；本发明对所述晶体生长的设备没有特别限制，以本领域技术人员晶体生长的设备即可，本发明优选为多晶硅结晶炉；本发明对所述形核初期，多晶硅结晶炉的隔热笼开度没有特别限制，本领域技术人员可以根据温度控制情况进行自行调整，本发明优选为10?12cm0
[0049]本发明对所述硅料的来源没有特别限制，以本领域技术人员熟知的硅料来源即可，可以选自市售或按照常规方法制备；本发明对所述硅料加热的过程和设备没有特别限制，以本领域技术人员熟知的硅料加热的过程和设备即可，本发明优选为将硅料加热至1400?1500°C，再进入硅料熔化过程；本发明对所述硅料熔化的过程和设备没有特别限制，以本领域技术人员熟知的硅料熔化的过程和设备即可，本发明优选为将硅料温度控制在1480?1550°C，恒温进行硅料熔化过程；本发明对上述硅料加热和硅料熔化的具体工艺选