一种生长大晶粒铸造多晶硅的方法

摘要

一种生长大晶粒铸造多晶硅的方法，包括如下步骤：步骤一、将多个单晶硅块作为籽晶，平铺在坩埚底部；所述多个籽晶的晶向相同；步骤二、将多晶硅料和掺杂剂置于坩埚中；步骤三、加热，控制温度使所述多晶硅料和所述掺杂剂完全融化，同时籽晶不完全熔化；及步骤四、降低与籽晶接触的熔融硅液的温度，使所述硅液沿不完全熔化的籽晶定向凝固生长，得到与所述籽晶的晶向相同的大晶粒铸造多晶硅。在大晶粒铸造多晶硅的生长过程中，通过定向引入晶界，可使位错在晶界处聚积，抑制了位错的不断增殖，降低了位错密度，提高了多晶硅太阳能电池的光电转换效率。

说明书

【技术领域】

本发明属于太阳能光伏技术领域，尤其是涉及一种生长大晶粒铸造多晶硅 的方法。

【背景技术】

太阳能光伏发电是目前发展最快的可持续能源利用的形式之一，近些年来 在各国都得到了迅速的发展。在光伏行业中，提高光电转化效率和降低生产成 本一直是两个重要的目标。相对于直拉单晶硅，铸造多晶硅太阳电池的效率要 低1％左右，其主要原因是由于铸造多晶硅中存在着大量的晶界和位错，成为少 数载流子的复合中心，降低了光电转换效率。通过控制多晶硅中的位错，可进 一步提高多晶硅电池的光电转换效率。

目前，中国专利申请200910152970.2所公开的大晶粒铸造多晶硅方法中使 用的是<100>晶向的籽晶，籽晶与籽晶之间周期性排列，晶向邻接一致，造成所 制备的晶体中基本不存在晶界。开始长晶时籽晶接缝处存在位错，并且在晶体 生长过程中热应力也会产生大量位错。由于这些位错没有晶界的阻拦并且也不 会滑移到晶体外，随着长晶过程的进行，位错不断增殖，在大晶粒铸造多晶硅 的顶部就产生了非常高的位错密度，严重影响了多晶硅太阳能电池的光电转换 效率。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种生长低位错密度的大晶粒铸造多晶硅的方法。

一种生长大晶粒铸造多晶硅的方法，包括如下步骤：

步骤一、将多个单晶硅块作为籽晶，平铺在坩埚底部；所述多个籽晶的晶 向相同；

步骤二、将多晶硅料和掺杂剂置于坩埚中；

步骤三、加热，控制温度使所述多晶硅料和所述掺杂剂完全融化，同时籽 晶不完全熔化；及

步骤四、降低与籽晶接触的熔融硅液的温度，使硅液沿不完全熔化的籽晶 定向凝固生长，得到与籽晶的晶向相同的大晶粒铸造多晶硅。

在优选的实施例中，步骤一中，籽晶与籽晶之间紧密地排列。

在优选的实施例中，步骤一中，籽晶为多边形。

在优选的实施例中，多边形籽晶的相邻接触晶面之间形成大于0度且小于 180度的夹角。

在优选的实施例中，籽晶的厚度为0.5～6cm。

在优选的实施例中，籽晶的厚度为0.5～2cm。

在优选的实施例中，步骤三至步骤四是在真空或惰性气氛下进行。

上述生长大晶粒铸造多晶硅的方法可定向引入晶界，在大晶粒铸造多晶硅 的生长过程中，位错在晶界处聚积，抑制了位错的不断增殖，降低了位错密度， 提高了多晶硅太阳能电池的光电转换效率。

【附图说明】

图1为一实施方式的生长大晶粒铸造多晶硅的方法的流程图；

图2为一实施方式的在坩埚内铺设籽晶的示意图。

【具体实施方式】

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。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。但是本发明能够以很多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改进，因此本发 明不受下面公开的具体实施的限制。

请参阅图1，一实施方式的生长大晶粒铸造多晶硅的方法包括如下步骤：

步骤S110、将多个单晶硅块作为籽晶，平铺在坩埚底部。

所述多个单晶硅块是从单晶硅锭或者铸造大晶粒硅锭上切下的片状或者平 板状晶块。每个籽晶的晶向都是相同的，优选为<111>。每个籽晶的大小、尺寸、 形状优选都是相同的。多个籽晶平铺在坩埚底部时，优选的覆盖坩埚底部面积 的60％以上，且使籽晶与籽晶之间紧密地排列。另外，在铺设籽晶时，尽量将 多个籽晶背向坩埚底壁的一侧处于同一平面上，以利于后期长晶。籽晶的形状 优选的为多边形，例如可以为正方形，长方形或六边形。这些形状易于截取和 铺排，能将它们边对边地紧密铺排在坩埚底部，同时籽晶的形状和截面尺寸与 将要得到的多晶硅片的截面尺寸和形状相等或相近。当然，籽晶也可以是其他 不规则的形状。优选的，多边形单晶籽晶的相邻接触晶面之间形成大于0度且 小于1 80度的夹角。图2为在坩埚的底壁上铺设多个籽晶的示意图。在本实施 例中，籽晶的形状为正方形，一个籽晶与其他四个籽晶相接触。每个籽晶在其 与相邻籽晶的接触晶面之间形成30°角。上述生长大晶粒铸造多晶硅的方法可 定向引入晶界，在籽晶的相邻晶面之间形成小角晶界、大角晶界或孪晶界，在 大晶粒铸造多晶硅的生长过程中，位错在晶界处聚积，抑制了位错的不断增殖， 降低了位错密度，提高了多晶硅太阳能电池的光电转换效率。

籽晶的厚度为0.5～6cm，优选为0.5～2cm。

步骤S120、将多晶硅料和掺杂剂置于坩埚中。

可将多晶硅料和掺杂剂(例如硼、镓、磷、砷及锑等)放置在坩埚内的籽 晶上。

步骤S130、加热，控制温度使所述多晶硅料和所述掺杂剂完全融化，同时 籽晶不完全熔化。

加热前优选将铸锭炉室内抽真空或充入惰性气体，例如氩气等，来作为保 护气体，防止硅液氧化。

加热过程中，通过调节保温罩的位置，可以将多晶硅料和掺杂剂完全熔化， 同时确保位于坩埚底部的籽晶部分地熔化，例如熔化总量的10％～90％。籽晶的 熔化状况可以采用石英杆来进行辅助测量。

步骤S140、降低与籽晶接触的熔融硅液的温度，使硅液沿不完全熔化的籽 晶定向凝固生长，得到与籽晶的晶向相同的大晶粒铸造多晶硅。

通过冷却坩埚的底部，使硅液在剩余的未被熔化的籽晶的诱导下沿籽晶定 向凝固生长，最后经退火冷却后形成与籽晶的晶向相同的大晶粒铸造多晶硅。 冷却过程可以通过在坩埚底部通入冷却气体或冷却水、调节坩埚位置或调节保 温罩位置等方法来实现。定向凝固时，形成单方向的热流(晶体的生长方向垂直 向上，热流方向垂直向下)，在固-液界面处存在一定的轴向温度梯度，而在横向 的温度梯度较小，从而实现从下至上的这种柱状大晶粒多晶硅的生长。

根据上述方法，截取的单晶硅块作为籽晶紧密地平铺在坩埚底部。籽晶铺 排后，在籽晶的边界面处发生周期错排，籽晶与籽晶的邻接处的晶面形成一定 的角度，引入晶界。籽晶熔化10％～90％后，通过降低硅液的温度，使硅熔液沿 单晶籽晶方向定向凝固生长，经退火冷却后得到大晶粒的铸造多晶硅。在晶体 生长过程中，缺陷位错在籽晶交界处聚积，被籽晶之间的晶界所俘获，无法进 一步增殖，降低了晶粒内部的位错密度，提高了多晶硅太阳能电池的光电转换 效率。

以下通过具体实施例来进一步说明。

实施例1

选取多个晶向一致无位错的<111>单晶硅块为籽晶。单晶硅块的形状为正方 形，厚度为0.5cm。然后将25块截面尺寸为156×156mm的单晶硅块按5×5的 方式平铺在坩埚底部，单晶硅块之间紧密接触。再将原生多晶硅料450KG放置 在籽晶上方，并放入掺杂剂硼0.12KG，使掺杂后的目标电阻率为1.70Ω·cm。 将装好料的坩埚放置于铸锭炉中抽真空，加热阶段炉内用氩气充满，保护硅料 避免氧化。熔化阶段，加热器温度至1560℃，此时多晶硅完全熔化，通过石英 杆辅助测量，单晶籽晶熔化30％时，进入长晶阶段。在长晶过程中，首先加热 器温度由1560℃快速降至1430℃，随后侧隔热笼打开5cm，然后加热器温度逐 级降至1410℃，同时侧隔热笼打开10cm，此时为稳定长晶阶段。硅液完全凝固 后，经退火冷却得到大晶粒的铸造多晶硅。该工艺所得的铸造多晶硅的晶粒晶 向为<111>，少子寿命在5微秒以上。使用该铸造多晶硅制成的太阳能电池片的 转换效率与对比文献方法相比，可提高0.2％。

实施例2

选取多个晶向一致无位错的<111>单晶硅块为籽晶。单晶硅块的形状为长方 形，厚度为2cm，然后将15块截面尺寸为150×250mm的单晶硅块按5×3的 方式平铺在坩埚底部，单晶硅块之间紧密接触。再将原生多晶硅料430KG放置 在籽晶上方，并放入掺杂剂硼0.11KG，使掺杂后的目标电阻率为1.70Ω·cm。 将装好料的坩埚放置于铸锭炉中抽真空，加热阶段炉内用氩气充满，保护硅料 避免氧化。熔化阶段，加热器温度至1560℃，此时多晶硅完全熔化，通过石英 杆辅助测量，单晶籽晶熔化60％时，进入长晶阶段。在长晶过程中，首先加热 器温度由1560℃快速降至1430℃，随后侧隔热笼打开5cm，然后加热器温度逐 级降至1410℃，同时侧隔热笼打开10cm，此时为稳定长晶阶段。硅液完全凝固 后，经退火冷却得到大晶粒的铸造多晶硅。该工艺所得的铸造多晶硅的晶粒晶 向为<111>，少子寿命在5微秒以上。使用该铸造多晶硅制成的太阳能电池片的 转换效率与对比文献方法相比，可提高0.3％。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。