多晶硅铸锭的方法
【专利摘要】本发明提供了一种多晶硅铸锭的方法，包括：在坩埚的底部形成第一预设厚度的涂层，所述涂层中含有固体颗粒物，所述固体颗粒物为石英砂、氮化硅粉、碳化硅粉中的至少一种，并在所述坩埚的底部和内侧壁上喷涂氮化硅；在所述坩埚的底部铺设第二预设厚度的碎硅片，所述碎硅片的形状和尺寸不完全相同且布满所述坩埚的底部，然后将硅料装入所述坩埚内，所述硅料压迫所述碎硅片，在所述涂层上形成凹痕；整体加热所述坩埚，直至所述碎硅片和所述硅料全部熔化。本发明所提供多晶硅铸锭的方法能够在保证得到高转化效率多晶硅锭的基础上，降低生产过程中的能耗，进而降低生产成本，并且提高硅锭的成晶率，增加硅片的整体产能。
【专利说明】多晶娃铸锭的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太阳能电池【技术领域】，更具体地说，涉及一种多晶硅铸锭的方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学的发展，技术的进步，世界各国对节能减排及环境保护方面愈来愈重视。 太阳能电池作为节能减排项目中的重要组成部分，得到迅猛的发展。
[0003] 在众多类型的太阳能电池中，多晶硅太阳能电池以其低成本的优点得到大规模的 产业化，多晶硅铸锭是多晶硅太阳能电池产业链中重要的基础环节，提纯后的硅原材料只 有经过长晶并铸成硅锭后，才能用于生产太阳能电池片。如何在多晶硅铸锭阶段生长出高 质量的多晶硅，对提高成品多晶硅太阳能电池片的转化效率具有至关重要的作用，因此，高 效多晶硅铸锭的方法是目前本领域内技术人员研究的热点。
[0004] 现有技术中生广_效多晶娃淀较为成熟的工艺制备方法为：在进行装料工序时， 首先在坩埚底部铺放破碎的单、多晶硅片，然后向坩埚内装入硅料。进入熔化阶段后，使硅 料按照从上而下的方式一层一层的熔化掉，在熔化至最底部时，保留20mm左右的硅料不完 全熔化完，接下来立即使整个熔体进入到过冷的状态。随后进入长晶阶段，后续的退火阶段 和冷却阶段与常规多晶硅铸锭的相同。
[0005] 但是，在实际生产过程中发现，上述高效多晶硅铸锭的方法耗能较多，导致成产成 本升高，并且硅锭成晶率较低，使后续硅片的整体产能降低。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种多晶硅铸锭的方法，以在保证生产出高效多晶硅锭的前提下， 降低生产过程中的能耗，提高硅锭的成晶率。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
[0008] -种多晶硅铸锭的方法，包括：在坩埚的底部形成第一预设厚度的涂层，所述涂层 中含有固体颗粒物，所述固体颗粒物为石英砂、氮化硅粉、碳化硅粉中的至少一种，并在所 述坩埚的底部和内侧壁上喷涂氮化硅；在所述坩埚的底部铺设第二预设厚度的碎硅片，所 述碎硅片的形状和尺寸不完全相同且布满所述坩埚的底部，然后将硅料装入所述坩埚内， 所述硅料压迫所述碎硅片，在所述涂层上形成凹痕；整体加热所述坩埚，直至所述碎硅片和 所述硅料全部熔化。
[0009] 优选的，所述第一预设厚度的范围为1mm?5_，包括端点值。
[0010] 优选的，所述在坩埚的底部形成第一预设厚度的涂层具体包括：将所述固体颗粒 物融入硅溶胶内形成涂覆液；将所述涂覆液涂覆至所述坩埚的底部，形成所述第一预设厚 度的涂层。
[0011] 优选的，所述固体颗粒物的粒径小于或等于150ym。
[0012] 优选的，所述固体颗粒物的重量与所述硅溶胶的重量的比例范围为1:10?1:1， 包括端点值。
[0013] 优选的，所述第二预设厚度的范围为3mm?30mm，包括端点值。
[0014] 优选的，所述碎娃片的尺寸的范围为2mmX2mm?20mmX20mm，包括端点值。
[0015] 优选的，所述在所述坩埚的底部铺设第二预设厚度的碎硅片，所述碎硅片的形状 和尺寸不完全相同且布满所述坩埚的底部，与所述然后将硅料装入所述坩埚内之间还包 括：在铺设完所述碎硅片的坩埚的底部铺放碎硅块，使所述碎硅块布满所述坩埚的底部。
[0016] 与现有技术相比，本发明所提供的技术方案至少具有以下优点：
[0017] 本发明所提供的多晶硅铸锭的方法，在坩埚的预处理阶段在坩埚的底部形成包含 固体颗粒物的涂层，作为固体颗粒物的石英砂、氮化硅和碳化硅的熔点均高于硅，并在装料 阶段首先在坩埚的底部铺满大小和尺寸不完全相同的碎硅片，再进行装料。由于碎硅片受 硅料压迫在坩埚底部涂层上留下凹痕，这些凹痕布满整个坩埚的底部，且涂层中含有熔点 高于硅的固体颗粒物，坩埚内的硅料全部熔化后固体颗粒物仍不会熔化，因此在长晶初期， 多晶硅会在凹痕和固体颗粒物处优先成核，晶核相互竞争，加上铸锭炉本身的定向散热工 艺，使晶粒能够保持较好的坚直生长，晶粒的一致性和方向性得到较大的保证，从而使采用 本发明所提供的方法得到的多晶硅锭的位错密度较低，转化效率较高。
[0018] 并且，本发明所提供的方法中硅料熔化时采用普通多晶硅铸锭熔化时整体加热的 方式，相比现有技术中生产高效多晶硅锭时熔化阶段采用使硅料从上而下一层一层熔化的 方式，能耗更小，从而生产成本更低；本发明所提供的方法中熔化阶段使碎硅片和硅料全部 融化，相比现有技术中生产高效多晶硅锭时熔化阶段底部保持20mm左右的固体不熔化，所 得到的多晶硅锭用于切片时的尾部去除量大大减少，因此硅锭的成晶率提高。可见，本发明 所提供的高效多晶硅铸锭的方法能够在保证得到高转化效率多晶硅锭的基础上，降低生产 过程中的能耗，进而降低生产成本，并且提高硅锭的成晶率，增加硅片的整体产能。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0020] 图1为本发明实施例所提供的多晶硅铸锭的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0021] 正如【背景技术】所述，常规高效多晶硅锭铸锭的方法能耗较高且成晶率较低。发明 人研究发现，产生上述现象的原因主要是：提高多晶硅锭转化效率的主要手段就是提高晶 粒的一致性和方向性，降低位错，现有技术中为了使多晶硅在长晶时保持坚直生长，进而保 证晶粒的一致性和方向性，会在硅料熔化阶段后期保留20mm左右的硅料不完全融化作为 晶体生长时的籽晶。而熔化阶段如果采用普通多晶硅铸锭时整体加热坩埚使硅料熔化的方 式，由于硅液的流动性，硅液会在坩埚底部聚集，固体硅料则漂浮在硅液上，从而无法保证 长晶初期坩埚底部保留一部分硅料作为籽晶。
[0022] 因此，现有技术在高效多晶硅铸锭的熔化阶段，采用从上而下一层一层熔化的方 式，坩埚内部需要维持上热下冷的状态，热量的传导集中于固液交界处，通过上层硅液的热 量慢慢熔化掉与之接触的下层固体硅料，所以热传导的范围很窄，熔化所需时间较长。且为 了保持坩埚的底部温度较低，在实际生产中要打开隔热笼(类似于保温罩)，使加热器多余 的热量散失掉，同时为了保证硅料熔化所需的温度，加热器的输出温度又不能下降，所以热 量的损耗较大。上述因素均会使生产过程中的能耗增多，进而导致生产成本升高。
[0023] 并且，硅锭的底部和头部去除量直接关系到硅锭能够用于切片的可用长度（即成 晶率)，由于现有技术中_效多晶娃铸淀过程中底部保持20mm左右的固体娃料不溶化而直 接进入到长晶阶段，使硅锭尾部的去除量会增加近20_，因此总体的成晶率较常规生产的 普通多晶硅锭低5%?7%，硅片的整体产能较低。
[0024] 基于此，本发明提供了一种多晶硅铸锭的方法，包括：在坩埚的底部形成第一预设 厚度的涂层，所述涂层中含有固体颗粒物，所述固体颗粒物为石英砂、氮化硅粉、碳化硅粉 中的至少一种，并在所述坩埚的底部和内侧壁上喷涂氮化硅；在所述坩埚的底部铺设第二 预设厚度的碎硅片，所述碎硅片的形状和尺寸不完全相同且布满所述坩埚的底部，然后将 硅料装入所述坩埚内，所述硅料压迫所述碎硅片，在所述涂层上形成凹痕；整体加热所述坩 埚，直至所述碎硅片和所述硅料全部熔化。
[0025] 本发明所提供的多晶硅铸锭的方法，在坩埚的预处理阶段在坩埚的底部形成包含 固体颗粒物的涂层，作为固体颗粒物的石英砂、氮化硅和碳化硅的熔点均高于硅，并在装料 阶段首先在坩埚的底部铺满大小和尺寸不完全相同的碎硅片，再进行装料。由于碎硅片受 硅料压迫在坩埚底部涂层上留下凹痕，这些凹痕布满整个坩埚的底部，且涂层中含有熔点 高于硅的固体颗粒物，坩埚内的硅料全部熔化后固体颗粒物仍不会熔化，因此在长晶初期， 多晶硅会在凹痕和固体颗粒物处优先成核，晶核相互竞争，加上铸锭炉本身的定向散热工 艺，使晶粒能够保持较好的坚直生长，晶粒的一致性和方向性得到较大的保证，从而使采用 本发明所提供的方法得到的多晶硅锭的位错密度较低，转化效率较高。
[0026] 并且，本发明所提供的方法中硅料熔化时采用普通多晶硅铸锭熔化时整体加热的 方式，相比现有技术中生产高效多晶硅锭时熔化阶段采用使硅料从上而下一层一层熔化的 方式，能耗更小，从而生产成本更低；本发明所提供的方法中熔化阶段使碎硅片和硅料全部 融化，相比现有技术中生产高效多晶硅锭时熔化阶段底部保持20mm左右的固体不熔化，所 得到的多晶硅锭用于切片时的尾部去除量大大减少，因此硅锭的成晶率提高。可见，本发明 所提供的高效多晶硅铸锭的方法能够在保证得到高转化效率多晶硅锭的基础上，降低生产 过程中的能耗，进而降低生产成本，并且提高硅锭的成晶率，增加硅片的整体产能。
[0027] 以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易 懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。
[0028] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以 采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的 情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0029] 本发明实施例提供了一种多晶硅铸锭的方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
[0030] 在坩埚的底部形成第一预设厚度的涂层，所述涂层中含有固体颗粒物，所述固体 颗粒物为石英砂、氮化硅粉、碳化硅粉中的至少一种，并在所述坩埚的底部和内侧壁上喷涂 氮化硅；
[0031] 上述步骤为坩埚预处理阶段。所述在坩埚的底部形成第一预设厚度的涂层包括： 将所述固体颗粒物融入硅溶胶内形成涂覆液；将所述涂覆液涂覆至所述坩埚的底部，形成 所述第一预设厚度的涂层。将固体颗粒物融入硅溶胶中时最好充分搅拌，使固体颗粒物较 均匀的分布于硅溶胶中，进而使坩埚底部的涂层各处所含的固体颗粒物的密度较均匀，为 晶体生长提供良好的基础。涂覆所制成的涂覆液时优选的可采用压力喷枪，形成涂层后优 选的可以等待涂层干燥后再进行后续操作。
[0032] 坩埚底部的涂层的厚度为第一预设厚度，所述第一预设厚度的范围优选为1mm? 5mm,包括端点值。
[0033] 由于固体颗粒物可用于长晶阶段的成核点，所以固体颗粒物的粒径不宜过大，所 述固体颗粒物的粒径优选的小于或等于150Um;所述固体颗粒物的重量与所述硅溶胶的 重量的比例范围优选为1:10?1:1，包括端点值。
[0034] 需要说明的是，发明人曾想到将硅粉融入纯水中，或者将硅粉融入纯水中，并加入 硅溶胶、硅酸等中的至少一种制得涂覆液，但是这种方法得到的涂覆液所形成的涂层效果 并不理想。这是由于一方面涂层中由于含有纯水使硅粉在坩埚底部的流动性增强，造成硅 粉发生小范围的聚集和滑动，涂层的处理效果变的很差，成核点在坩埚底部的分布不均匀， 最终影响晶体生长额质量，并且容易导致小范围的粘锅等生产异常情况的发生；另一方面 采用硅粉作为涂覆液的溶质，但是由于硅粉的熔点为1500°C以下，当坩埚内的硅料熔化时， 涂层中的硅粉也会随之融化成为液态，并不能很好的作为长晶时晶体的成核点。
[0035] 因此，本发明采用熔点在1500°C以上的固体颗粒物(熔点为1750°C)融入硅溶胶 中制作涂覆液形成涂层，硅溶胶流动性不强，使涂层较为稳定，且硅料完全融化后，固体颗 粒物仍为固态，作为多晶硅的成核点比硅粉更好。
[0036] 在坩埚的底部和内侧壁上喷涂氮化硅的作用是：避免硅料与坩埚接触，防止发生 生产事故。
[0037] 需要说明的是，在坩埚预处理阶段，形成涂层与喷涂氮化硅的先后顺序并不限定。
[0038] 在所述坩埚的底部铺设第二预设厚度的碎硅片，所述碎硅片的形状和尺寸不完全 相同且布满所述坩埚的底部，然后将硅料装入所述坩埚内，所述硅料压迫所述碎硅片，在所 述涂层上形成凹痕；
[0039] 上述步骤为装料阶段。在铺设碎硅片时优选的将碎硅片铺设的平整且错落有致， 具体来说即将大小不一、形状各异的碎硅片平整的放置于坩埚底部的涂层上，使碎硅片布 满涂层表面，尺寸较大的硅片和尺寸较小的硅片在涂层各处的分布均较为均匀。这样做的 目的是使碎硅片在涂层上压出的凹痕分布均匀，为长晶提供良好的成核基础，使坩埚底部 各处晶体生长的密度和速度趋于一致，加剧晶核的竞争。
[0040] 在坩埚底部铺设的碎硅片的厚度为第二预设厚度，所述第二预设厚度的范围优选 为3mm?30_，包括端点值。
[0041] 所述碎娃片的尺寸的范围优选为2mmX2mm?20mmX20mm，包括端点值。当碎娃片 的尺寸较小时，可适当减少碎硅片的用量，以保证良好的成核环境。
[0042] 所述碎硅片通常为不能用于制造合格的太阳能电池片，回收清洗干净后，再次作 为原料使用的单晶、多晶碎硅片。
[0043] 所述在所述坩埚的底部铺设第二预设厚度的碎硅片，所述碎硅片的形状和尺寸不 完全相同且布满所述坩埚的底部，与所述然后将硅料装入所述坩埚内之间还包括：在铺设 完所述碎硅片的坩埚的底部铺放碎硅块，使所述碎硅块布满所述坩埚的底部。上述在装入 大块的硅料之前先铺一层碎硅块的目的是：防止硅料与坩埚底部发生摩擦和碰撞，以避免 在铸锭炉内发生硅液溢流和粘锅等意外。
[0044] 坩埚内的硅料在重力的作用下压迫碎硅片，使碎硅片在涂层上压出很浅的凹痕， 长晶时硅原子会以这些凹痕及涂层内的固体颗粒物为成核点优先生长，由于凹痕和固体颗 粒物密布坩埚底部，所以坩埚底部各处的晶核相互竞争，加之铸锭炉本身定向散热，使炉体 内上热下冷，晶粒保持很好的坚直生长，因此晶粒的一致性和方向性较好，所得到的多晶硅 位错密度较低，从而硅锭的转化效率较高。
[0045] 如下表1所示，表1为采用本发明提供的方法得到的高效多晶硅锭所制成的高效 多晶硅片的各项性能参数与普通多晶硅片的对比表。
[0046] 表 1
[0047]
【权利要求】
1. 一种多晶娃铸锭的方法，其特征在于，包括： 在坩埚的底部形成第一预设厚度的涂层，所述涂层中含有固体颗粒物，所述固体颗粒 物为石英砂、氮化硅粉、碳化硅粉中的至少一种，并在所述坩埚的底部和内侧壁上喷涂氮化 硅； 在所述坩埚的底部铺设第二预设厚度的碎硅片，所述碎硅片的形状和尺寸不完全相同 且布满所述坩埚的底部，然后将硅料装入所述坩埚内，所述硅料压迫所述碎硅片，在所述涂 层上形成凹痕； 整体加热所述坩埚，直至所述碎硅片和所述硅料全部熔化。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预设厚度的范围为1mm?5mm， 包括端点值。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在坩埚的底部形成第一预设厚度的 涂层具体包括： 将所述固体颗粒物融入硅溶胶内形成涂覆液； 将所述涂覆液涂覆至所述坩埚的底部，形成所述第一预设厚度的涂层。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述固体颗粒物的粒径小于或等于 150 u m〇
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述固体颗粒物的重量与所述硅溶胶的 重量的比例范围为1:10?1:1，包括端点值。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二预设厚度的范围为3mm?30mm， 包括端点值。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述碎硅片的尺寸的范围为2mmX2mm? 20mmX 20mm，包括端点值。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述坩埚的底部铺设第二预设厚 度的碎硅片，所述碎硅片的形状和尺寸不完全相同且布满所述坩埚的底部，与所述然后将 硅料装入所述坩埚内之间还包括：在铺设完所述碎硅片的坩埚的底部铺放碎硅块，使所述 碎硅块布满所述坩埚的底部。
【文档编号】C30B29/06GK104342752SQ201310323238
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年7月29日 优先权日:2013年7月29日
【发明者】龙昭钦, 戴云林, 刘晓风, 周慧敏, 徐志群, 金浩, 陈康平 申请人:晶科能源有限公司