一种生产定向凝固多晶硅锭的方法

摘要

一种定向凝固多晶硅锭的方法，包括加热熔化、凝固长晶、冷却，其特征是在冷却阶段保持多晶硅锭底部散热通道继续开启，使多晶硅锭底部温度循之前趋势继续缓慢下降；与此同时逐渐减小炉子加热功率，使多晶硅锭温度持续下降，直至多晶硅锭温度降至300℃以下出炉。本发明大幅度降低定向凝固多晶硅锭位错密度，并且缩短定向凝固多晶硅锭生产周期，降低生产能耗和氩气消耗，减少坩埚对硅锭的扩散污染。

说明书

技术领域

本发明属于多晶硅锭生产技术领域。特别涉及太阳电池用定向凝固多晶硅锭生产方法。

背景技术

现代光伏产业85%以上基于晶体硅片太阳电池，其中一半以上采用定向凝固多晶硅材料制造。这种材料普遍存在内部位错缺陷密度较高和锭底面与侧面受到坩埚中金属杂质的热扩散污染问题。位错与金属杂质都会严重损害硅晶体的光伏应用性能。

迄今为止，这种多晶硅锭生产过程中，在凝固完成后的冷却阶段普遍采用这样一种冷却工艺：先迅速进行均温化，将温度相对较低的硅锭底部升温到与顶部相同或接近，经过一段时间保温（退火），然后整个硅锭从该温度缓慢冷却，如图1中虚线所示。

这种先向硅锭顶部高温端均温化之后再冷却的方式能够确保多晶硅锭不因热应力而开裂，但代价是位错密度大幅度增加。因为此均温化过程使已经在缓慢定向凝固生长中达到平衡、已通过一定塑性变形顺应非均匀温度场的多晶硅锭再度经历一次剧烈的温度变化，由此产生的热应力将导致大量位错增殖。另外，这样的过程带来附加的工时、电耗和氩气消耗，还增加了硅锭特别是其底部受坩埚热扩散污染的温度和时间。本发明基于计算分析和实验发现和确认这样的均温化和退火过程对于防止多晶硅锭开裂并无必要，因而可以考虑减少或消除它们。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的定向凝固多晶硅锭生产方法，解决现行常规方法的弊端。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的定向凝固多晶硅锭的方法，包括加热熔化、凝固长晶、冷却，其特征是在冷却阶段保持多晶硅锭底部散热通道继续开启，使多晶硅锭底部温度循之前趋势继续缓慢下降；与此同时逐渐减小炉子加热功率，使多晶硅锭温度持续下降，直至多晶硅锭温度降至400℃以下出炉。而现行常规工艺在凝固完成后先关闭多晶硅锭底部散热通道，使硅锭底部温度升高到与顶部温度接近，随后保温一段时间后方开始冷却。

图2为现行常规冷却工艺与本发明改进冷却工艺过程中多晶硅锭内部平均位错密度累积增加曲线。结果显示改进冷却工艺条件下，最终所得多晶硅锭内部平均位错密度较常规冷却工艺条件下得到的多晶硅锭降低约80％。

图3为现行常规冷却工艺与本发明改进冷却工艺（均温化幅度降低至完全均温化的30％，并取消保温退火。）两种条件下得到的多晶硅锭从底部、中部到顶部三个部位的平均位错密度。结果显示在所采用的改进冷却工艺条件下，实际所得多晶硅锭内部平均位错密度比常规冷却工艺条件下得到的多晶硅锭显著降低，降幅约60％。

本发明的技术效果是大幅度降低定向凝固多晶硅锭位错密度，并且缩短定向凝固多晶硅锭生产周期，降低生产能耗和氩气消耗，减少坩埚对硅锭的扩散污染。

附图说明

图1为本发明多晶硅锭冷却工艺曲线。虚线为常规冷却工艺，实线为本发明冷却工艺，分别以多晶硅锭顶部和底部温度随时间变化曲线表示。图中横坐标时间从硅料进炉开始起计。

图2 为常规工艺冷却与本发明改进工艺冷却过程中多晶硅锭内部平均位错密度累积增加曲线。图中横坐标时间从冷却过程开始起计；纵坐标位错密度的单位中ρ_o代表凝固结束时硅锭内部位错平均密度；k为常数。

图3 为采用常规冷却工艺与采用本发明冷却工艺得到的450kg级多晶硅锭不同高度部位测得的位错平均密度。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。本发明包括但不限于下列实施例。

实施例1。

用普通升降隔热笼式（如美国GT生产的）的450公斤级定向凝固多晶硅炉生长多晶硅锭。所采用坩埚材质为高纯石英陶瓷，尺寸为840x840x350 mm³。硅锭在炉内完成凝固生长后即进入冷却阶段。通过调节控制炉子加热器功率与坩埚底部以下散热通道的宽度，分别实现常规冷却与本发明改进冷却两种冷却工艺，得到常规冷却多晶硅锭与改进冷却多晶硅锭，后者冷却时间比前者缩短约2小时。

将两种硅锭剖切后在不同部位取样抛光并进行位错刻蚀，之后对刻蚀表面用光学显微镜在放大400倍条件下随机采样并对位错刻蚀坑数量进行统计平均分析，得到该采样点位错平均密度；之后将不同部位多次随机采样点平均位错密度的结果进行总平均，得到硅锭平均位错密度，列于表1。可以看到，所采样的改进冷却工艺使位错密度降低约60％。

将两种硅锭纵剖后，用少数载流子寿命扫描分析仪检测剖面，测定硅锭底部由于坩埚热扩散污染造成的少数载流子寿命突降层（污染层）深度，结果列于表1。可以看到，所采用的改进冷却工艺使硅锭底部污染层深度降低约10％。

表1为常规冷却与改进冷却工艺得到的定向凝固多晶硅锭内部平均位错密度与底部污染层深度检测结果。

表1

 冷却工艺常规改进平均位错密度（10⁵/cm²）4.11.6污染层深度（mm）3935

实施例2。

用普通升降隔热底座式（如中国精功生产的）450公斤级定向凝固多晶硅炉生长多晶硅锭。所采用坩埚材质为高纯石英陶瓷，尺寸为840x840x350 mm³。硅锭在炉内完成凝固生长后即进入冷却阶段。通过调节控制炉子加热器功率与坩埚底部以下散热通道的宽度，分别实现常规冷却与改进冷却两种冷却工艺，得到常规冷却多晶硅锭与改进冷却多晶硅锭，后者冷却时间比前者缩短约2.5小时。

将两种硅锭剖切后在不同部位取样抛光并进行位错刻蚀，之后对刻蚀表面用光学显微镜在放大400倍条件下随机采样并对位错刻蚀坑数量进行统计平均分析，得到该采样点位错平均密度；之后将不同部位多次随机采样点平均位错密度的结果进行总平均，得到硅锭平均位错密度，列于表1。可以看到，所采样的改进冷却工艺使位错密度降低约58％。

将两种硅锭纵剖后，用少数载流子寿命扫描分析仪检测剖面，测定硅锭底部由于坩埚热扩散污染造成的少数载流子寿命突降层（污染层）深度，结果列于表2。可以看到，所采用的改进冷却工艺使硅锭底部污染层深度降低约14％。

表2为常规冷却与改进冷却工艺得到的定向凝固多晶硅锭内部平均位错密度与底部污染层深度检测结果。

表2

 冷却工艺常规改进平均位错密度（10⁵/cm²）5.72.4污染层深度（mm）4236