一种多晶硅锭的铸造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及多晶硅太阳能电池技术领域，特别涉及一种多晶硅锭的铸造方法。
【背景技术】
[0002]近年来随着不可再生能源的日益枯竭，太阳能电池得到了快速的发展。伴随着太阳能电池业的快速发展，成本低且适于规模化生产的多晶硅逐步取代直拉单晶硅在太阳能电池材料市场中的主导地位，成为行业内最主要的光伏材料之一。但是铸造多晶硅中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷和材料中的杂质碳和氧，使多晶硅电池的转换效率低于直拉单晶硅太阳能电池，从而成为了限制多晶硅太阳能电池发展的瓶颈。因此，提高多晶硅片的电池转换效率以降低电池和组件的成本，必将成为多晶硅铸锭技术的发展方向。
[0003]目前，多晶硅锭的制备主要采用定向凝固系统法晶体生长技术，该方法通常包括加热、融化、长晶、退火和冷却等步骤。在初期长晶过程中，伴随着隔热笼的打开，坩祸底部的持续冷却，熔融状态的硅料自发形成随机形核并且随机形核逐渐生长。但由于坩祸底部各区域冷却程度不均，形核过程中，导致晶粒不均匀、晶向杂乱，容易产生位错，因此通过该方法制备得到的多晶硅锭质量较低，从而利用该多晶硅锭制得的太阳能电池的光电转换效率低。因此，为了制得位错密度低、缺陷少的高质量多晶硅锭，一种能有效获得良好初始形核，并在后续生长过程中有效保持初始成核晶粒尺寸和晶向，减少位错繁衍的多晶硅锭铸造方法变得很重要。
[0004]目前市场上各大公司均在从事高效多晶的研宄，其主要方法是通过高效坩祸进行成核的控制，但尚效i甘祸成本尚，且容易造成氧含量超标。
[0005]因此，需要找到一种既能够提高所铸造的多晶硅锭的质量，又能够降低生产成本，且防止尚效纟甘祸造成的氧含量超标的多晶娃徒的铸造方法。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是，针对现有技术中的多晶硅锭的铸造方法容易导致晶粒不均匀、晶向杂乱，容易产生位错，从而利用该多晶硅锭制得的太阳能电池的光电转换效率低，且市场中的高效坩祸成本高，容易造成氧含量超标的问题，提供了一种多晶硅锭的铸造方法。
[0007]为了解决上述问题，本申请发明人经过反复研宄后发现，在传统铸锭工艺的长晶阶段之前的融化阶段，判断硅料漂起后，即进行开笼冷却，使坩祸底部的硅溶液急冷成核，此时硅料刚刚漂起，硅液潜热一致，坩祸底部各区域温度也基本一致，通过快速冷却，增加成核数量，可有效的形成均匀一致的晶粒。甚至在仅使用普通坩祸的情况下，所制备的多晶硅锭的质量也会有大幅度提升，从而完成了本发明。
[0008]本发明提供了一种多晶硅锭的铸造方法，包括:
[0009]步骤A):装料，即将硅料装填入喷涂有氮化硅涂层的坩祸中；
[0010]步骤B):加热，即使用多晶炉对步骤A)所得坩祸进行加热；
[0011]步骤c):融化成核，即通过加热使坩祸中的硅料融化，当硅料从坩祸底部漂起时立即进行开笼冷却，以形成晶核；和
[0012]步骤D):长晶，即使步骤C)中得到的晶核进行生长。
[0013]更具体地，本发明的多晶硅锭的铸造方法为，包括以下步骤:
[0014]步骤A):将硅料装填入喷涂有氮化硅涂层的坩祸中；
[0015]步骤B):对步骤A)中得到的坩祸进行加热至1500?1530°C ；
[0016]步骤C):将步骤B)中得到的坩祸升温至1550?1560°C，当硅料从坩祸底部漂起时，打开隔热笼至隔热笼最大开度的1/2?1/3，并将温度设定下调5?10°C，保持该隔热笼开度和下调后的温度设定10?30分钟，将温度设定升至1550?1560°C并降低隔热笼开度至隔热笼最大开度的1/5?1/10，继续以1550?1560°C的温度设定融化5?7小时，然后再次提升隔热笼开度至上一开度的1.6?1.8倍并将温度设定为1520?1530°C，保持该隔热笼开度和1520?1530°C的温度设定至漂浮在表面的硅料融化，进入融化结束阶段，继续保持该隔热笼开度和1520?1530°C的温度设定至晶体高度为I?2cm ;
[0017]步骤D):进行长晶，长晶结束后，退火、冷却，即得到所述多晶硅锭。
[0018]本发明可采用本领域常规的多晶铸锭炉来完成，其主要结构包括炉体部分:主要是炉腔，加热器、隔热笼、导热块、隔热板和保温材料等；软件控制部分:主要是用来运行工艺配方；气体供应部分:主要是用来供应氩气，和排放炉腔内废气的；电源控制部分:用来提供电流和电压的。如GTSOLAR生产的GT-450多晶炉。
[0019]本发明的铸造方法中的步骤A)和步骤B)分别为装料及加热阶段。通常，使用本领域公知的装料方法就能实现本发明的目的。即，在坩祸内部依次装填护边料、大块料和小块料的装料方法。
[0020]在本发明的一个优选实施方式中，步骤A)所述装料包括以下步骤:
[0021]步骤Al):筛选长度为3?12mm的碎硅料，经过酸洗后漂洗至无酸残留，干燥，得到铺底料a ;分选厚度在3?5cm，尺寸在156mmX 156mm(长X宽)的硅料，得到铺底料b ；
[0022]步骤A2):在坩祸底部均匀撒一层上述铺底料a，直至不能目视到坩祸底部涂层为止，然后将上述铺底料b铺在铺底料a之上，铺底料b的硅料之间不留缝隙；
[0023]步骤A3):将边皮回收料铺在坩祸四周，然后将晶砖回收料、头尾回收料或棒料堆放在边皮回收料内侧，将块料或碎料装填在所述晶砖回收料、头尾回收料或棒料形成的空间内，依次往上，直至将坩祸装满。
[0024]在本发明的一个优选实施方式中，步骤B)所述加热可通过如下方式进行:先将多晶炉的功率设定值设定为最大功率的65%?70%，待温度升高至1500?1530°C时，将多晶炉的加热方式由功率控制转换为温度控制，这样能有效的提高化料效率，缩短工艺时间。
[0025]本发明的铸造方法中的步骤C)为融化成核阶段。
[0026]本发明步骤C)的融化成核阶段是通过隔热笼开度控制过冷度和较平的晶体生长界面，从而有利于保持初始成核时晶粒的尺寸和晶向，减少位错繁衍的晶体生长工艺。
[0027]当程序进入融化阶段后，判断硅料是否已漂起，确定硅料漂起后，迅速打开隔热笼到一个较大的开度，使坩祸底部的硅溶液急冷成核，此时硅料刚刚漂起，硅液潜热一致，坩祸底部各区域温度也基本一致，此时通过快速冷却，增加成核数量，可有效的形成均匀一致的晶粒。
[0028]在本发明的一个优选实施方式中，步骤C)所述硅料漂起是根据坩祸底部温度TC2进行判断，当TC2为1415-1425°C时，视为硅料漂起。
[0029]在本发明中，当硅料漂起时，打开隔热笼至隔热笼最大开度的1/2?1/3，并将温度设定下调5?10°C，保持该隔热笼开度和下调后的温度设定10?30分钟，将温度设定升至1550?1560°C并降低隔热笼开度至隔热笼最大开度的1/5?1/10，继续以1550?1560°C的温度设定融化5?7小时。降低隔热笼开度的目的是为了提高硅料的融化效率。
[0030]本发明所述漂浮在表面的硅料融化可以通过多晶炉顶部的观察孔进行观测。
[0031]作为优选，进入融化结束阶段后继续保持隔热笼开度和温度的时间的测定方法为:当漂浮在表面的硅料融化完全后，用玻璃棒探测此时晶体生长的高度，并计算此时的温度设定和隔热笼开度下底部晶体的融化速度，经过2?3炉次测量后，根据每台炉台的数值，通过设定融化结束步骤的时间来完成自动作业，不再需要人工干预。
[0032]作为优选，本发明步骤C)的操作方法包括:
[0033](I)进入融化阶段后，Ml:坩祸上部温度TCl升至1550?1560°C，当TC2升至1415?1425°C时，跳步至M2 ；