一種用于制備多晶硅錠的坩堝及多晶硅錠的生長方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于制備多晶硅錠的坩堝及多晶硅錠的生長方法，所述坩堝為中空的矩形結(jié)構(gòu)，底面為正方形；所述正方形的底面上設(shè)有若干個(gè)直角的“V”型長槽。所述生長方法包括以下步驟：1）控制溫度使“V”型長槽內(nèi)的熔融硅率先降溫到1410℃；2）提升保溫桶使熔融硅從“V”型長槽內(nèi)的底部開始形核生長；3）控制保溫桶的提拉速度，使生長速度快的晶體首先達(dá)到“V”型長槽的上頂面，“V”型長槽內(nèi)晶體的結(jié)晶速度2mm/h；4）加快保溫桶的提拉，以10mm/h的速度完成接下去的晶體生長，獲得柱狀晶。本發(fā)明通過坩堝底部“V”型長槽的引晶作用，減少了雜質(zhì)在晶體缺陷處的聚集，提高了硅錠的電學(xué)性能，提高了對多晶硅錠底部的利用率。
【專利說明】—種用于制備多晶硅錠的坩堝及多晶硅錠的生長方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光伏電池【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種用于制備多晶硅錠的坩堝及多晶硅錠的生長方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國已成為世界上第二大石油消耗國和輸入國，能源壓力將日趨嚴(yán)重，能源安全問題早己提到議事日程上。根據(jù)太陽能利用方面目前的發(fā)展?fàn)顩r，在今后幾十年，太陽能電池將得到持久的發(fā)展。從國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀來看，要實(shí)現(xiàn)我國太陽能電池工業(yè)的跨越式發(fā)展，必須解決相關(guān)的技術(shù)瓶頸和更新發(fā)展觀念。晶體硅材料是最主要的光伏材料，其市場占有率在90%以上，而且在今后相當(dāng)長的一段時(shí)期也依然是太陽能電池的主流材料。目前使用較普遍的依舊是晶體硅太陽能電池，其中包括單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池。利用直拉法生長的單晶硅，用單晶籽晶進(jìn)行引晶，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)提拉得到單晶硅棒，僅含一個(gè)晶粒，具有低缺陷、高轉(zhuǎn)換效率等特點(diǎn)。但是，這種方法對原料及操作要求高，由于單次投料少，產(chǎn)品成本較高，太陽能電池存在較大的衰減。采用定向凝固法生長的多晶硅，具有單次投料量大、操作簡易、成本低廉等特點(diǎn)，電池效率的衰減比單晶硅電池小很多。但在利用這種方法生長的多晶硅通常含有大量晶界及缺陷，使得多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率較單晶硅電池低。
[0003]近年來，融合單晶硅和多晶硅的優(yōu)勢、基于多晶鑄錠的工藝的準(zhǔn)單晶技術(shù)引起了人們的極大興趣，這種通過鑄錠的方式形成單晶硅的技術(shù)，其能耗只比普通多晶硅高出5%左右，但所生產(chǎn)的單晶 的質(zhì)量接近直拉單晶硅。與多晶硅相比，準(zhǔn)單晶硅片晶界少，位錯(cuò)密度低，電池的轉(zhuǎn)換效率接近直拉單晶硅電池片；與單晶硅相比，準(zhǔn)單晶電池的光致衰減低，單次投爐料大，生產(chǎn)效率高，切片工藝簡單，成本低。
[0004]國內(nèi)眾多高校、研究所與企業(yè)對用鑄錠法生長高效多晶硅錠進(jìn)行了研究。中國專利申請201010198142.5公布了使用籽晶生長準(zhǔn)單晶硅的方法，該方法雖說對籽晶經(jīng)行了重復(fù)利用，但是使用硅錠頭尾料作為下一次生長的籽晶，由于硅錠頭尾料中富含大量的雜質(zhì)與缺陷，重復(fù)效果并不良好。若使用單晶硅塊，成本的增加是在所難免的。中國專利申請201010564154.5公布了一種坩堝及用該坩堝生長準(zhǔn)單晶硅的方法，該類坩堝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)若使用籽晶不單單增加了鑄錠成本，其難度也上升了較多。在不增加成本或增加較少成本的情況下，利用生長多晶娃淀的設(shè)備生長出聞質(zhì)量的多晶娃或準(zhǔn)單晶娃，是提聞晶娃太陽能電池轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提供一種能夠使晶體根據(jù)生長幾何淘汰規(guī)貝U，實(shí)現(xiàn)競爭生長、淘汰，最終形成高質(zhì)量單晶的坩堝。
[0006]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種利用上述坩堝生長多晶硅錠的生長方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)第一個(gè)發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種用于制備多晶硅錠的坩堝，其特征在于:所述坩堝為中空的矩形結(jié)構(gòu)，底面為正方形；所述正方形的底面上設(shè)有若干個(gè)的“V”型長槽，所述“V”型長槽均平行于正方形底面的其中一邊；所述“V”型長槽兩邊的夾角為直角。
[0008]進(jìn)一步地，所述正方形的底面上設(shè)有一個(gè)“V”型長槽，“V”型長槽位于坩堝底部的中間。
[0009]進(jìn)一步地，所述正方形的底面上設(shè)有兩個(gè)互相平行的“V”型長槽，兩個(gè)“V”型長槽鄰近坩堝壁的邊的延長線與坩堝壁的交點(diǎn)和兩個(gè)長槽相鄰邊的延長線的交點(diǎn)處于同一高度。 [0010]進(jìn)一步地，所述正方形的底面上設(shè)有三個(gè)互相平行的“V”型長槽，其中一個(gè)長槽位于坩堝底部的中間，另外兩個(gè)“V”型長槽鄰近坩堝壁的邊的延長線與坩堝壁的交點(diǎn)和這兩個(gè)槽的另一邊的延長線與中間長槽的相鄰邊的延長線的交點(diǎn)處于同一高度。
[0011 ] 進(jìn)一步地，所述正方形的底面上設(shè)有多個(gè)互相平行的“V”型長槽，所述“V”型長槽靠近坩堝壁的斜邊的延長線與坩堝壁的交點(diǎn)所處的高度和兩相鄰“V”型長槽的相鄰斜邊的延長線的交點(diǎn)所處的高度是一致的。
[0012]進(jìn)一步地，所述“V”型長槽的槽深為8 mm，槽口距離為16 mm，槽長度與坩堝內(nèi)底部正方形邊長一致。
[0013]進(jìn)一步地,所述坩堝底面厚度為20 mm,坩堝壁厚度為12 mm,內(nèi)表面噴涂氮化硅涂層。
[0014]為實(shí)現(xiàn)第二個(gè)發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種多晶硅錠的生長方法，其特征在于:包括以下步驟:
1)控制溫度使“V”型長槽內(nèi)的熔融硅率先降溫到14100C ；
2)提升保溫桶使熔融硅從“V”型長槽內(nèi)的底部開始形核生長；
3)控制保溫桶的提拉速度，使生長速度快的晶體首先達(dá)到“V”型長槽的上頂面，“V”型長槽內(nèi)晶體的結(jié)晶速度2 mm/h ；
4)加快保溫桶的提拉，以10mm/h的速度完成接下去的晶體生長，獲得柱狀晶。
[0015]本發(fā)明利用的是選晶法來獲得單晶，通過對坩堝底部的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得晶體在生長初期只形成一個(gè)晶?；蛘咴谛纬啥鄠€(gè)晶粒的情況下，利用不同晶向的晶體生長速率的差異，在“V”型長槽的作用下，使大部分晶體的生長被終止，最終只有一個(gè)晶粒長大，進(jìn)入晶錠。本發(fā)明針對底面為正方形的坩堝，通過在坩堝底部開設(shè)若干個(gè)“V”型長槽。由于“V”型長槽的兩邊與相鄰坩堝內(nèi)壁呈線與面平行，在“V”型長槽的作用下，優(yōu)勢晶體沿著凹槽兩斜面所成的角度生長。通過對“V”型長槽兩斜面延長，延長線與坩堝內(nèi)壁相交可以模擬在“V”型長槽的作用下晶體的生長趨勢。最終當(dāng)晶體生長到對應(yīng)高度時(shí)，所在水平面受“V”型長槽影響的晶粒的比例達(dá)到最高，最高影響程度可達(dá)到100%。在這個(gè)高度以上的區(qū)域，晶體將以柱狀晶的形式生長到頂部。
[0016]本發(fā)明的有益效果在于:通過坩堝底部“V”型長槽的引晶作用，使得優(yōu)勢晶體進(jìn)入晶錠，減少了工業(yè)上普通的定向生長多晶硅錠中晶界的數(shù)量，提高了晶粒的尺寸，降低了位錯(cuò)密度，減少了雜質(zhì)在晶體缺陷處的聚集，使得少數(shù)載流子的復(fù)合中心也相對降低，提高了硅錠的電學(xué)性能；同時(shí)提高了對多晶硅錠底部的利用率，對效益的提高具有顯著的效果。因此本發(fā)明在倡導(dǎo)低碳和高效的時(shí)代具有較大了潛力?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0017]以下結(jié)合附圖和本發(fā)明的實(shí)施方式來做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0018]圖1為本發(fā)明中底部具有I個(gè)“V”型長槽的坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明中底部具有I個(gè)“V”型長槽的坩堝的剖視圖。
[0020]圖3為本發(fā)明中底部具有I個(gè)“V”型長槽的坩堝的俯視圖。
[0021]圖4為本發(fā)明中“V”型長槽的局部放大圖。
[0022]圖5為本發(fā)明中底部具有2個(gè)“V”型長槽的坩堝的剖視圖。
[0023]圖6為本發(fā)明中底部具有3個(gè)“V”型長槽的坩堝的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]參見附圖。本實(shí)施例所述坩堝I為中空的矩形結(jié)構(gòu)，底面12為正方形；所述正方形的底面11上設(shè)有若干個(gè)“V”型長槽2，所述“V”型長槽2均平行于正方形底面11的其中一邊；所述“V”型長槽2兩邊的夾角Θ為90度，“V”型長槽2的槽深h為8mm，槽口距離s為16 mm，“V”型長槽2的長度與坩堝I內(nèi)底部正方形邊長一致。
[0025]實(shí)施例1:
底面開有I個(gè)“V”型長槽 2的坩堝1，其結(jié)構(gòu)的剖視圖如圖2所示，坩堝壁12厚度f為12 mm，底面11厚度d為20 mm，底面11邊長L為198 mm，坩堝壁12高度H為200 mm ;“V”型長槽2位于坩堝I中正方形底面11的中線上，平行于正方形底面11的其中一邊；“V”型長槽2的深度h為8 mm，“V”型長槽兩斜邊的夾角Θ為90度。坩堝I內(nèi)壁噴涂氮化硅，并在1050 1:下熱處理5小時(shí)，形成一層致密的氮化硅涂層；將6 kg純度為6N的P型多晶硅原料，按照一定方式置于坩堝I內(nèi)；將爐體抽至真空度為10 Pa，開始加熱；使用氬氣作為保護(hù)性氣體；在完全保溫的情況下加熱至1540 °C，使?fàn)t內(nèi)多晶硅原料充分熔化；降低溫度，使“V”型長槽2內(nèi)熔融硅溫度降至1410 °C，準(zhǔn)備進(jìn)入長晶階段；控制保溫桶以2 mm/h的速度提拉，使“V”型長槽2內(nèi)晶粒進(jìn)行競爭生長；生長速度較快的晶粒獲得優(yōu)勢進(jìn)入硅錠，此時(shí)控制保溫桶提拉速度，使徑向溫度梯度為零，逐漸增加提拉速度至10 mm/h。最終獲得較大尺寸的柱狀晶，生長出聞質(zhì)量多晶娃淀。
[0026]使用此實(shí)施例得到的多晶硅錠中部區(qū)域的多晶硅片平均晶粒尺寸在15 mm，平均少子壽命為12.5 μ S0
[0027]實(shí)施例2:
底面開有2個(gè)“V”型長槽2的坩堝1，其結(jié)構(gòu)的剖視圖如圖5所示，坩堝壁12厚度f為12 mm，底面11厚度d為20 mm，底面11邊長L為198 mm，坩堝壁12高度H為200 mm，兩個(gè)“V”型長槽2以過正方形底面11的中心平行于一邊的線為對稱線呈對稱分布，兩個(gè)“V”型長槽2兩邊延長線與坩堝壁12的交點(diǎn)與兩個(gè)“V”型長槽2相鄰邊延長線的交點(diǎn)處于同一高度，交點(diǎn)距離坩堝內(nèi)底部垂直距離h2為36 mm, “V”型長槽2的深度h為8 mm，“V”型長槽2兩斜邊的夾角Θ為90度。使用所述坩堝生長多晶硅錠的工藝與實(shí)施例1相同。
[0028]實(shí)施例3:
底面開有3個(gè)“V”型長槽2的坩堝1，其結(jié)構(gòu)的剖視圖如圖6所示，坩堝壁12厚度f為12 mm，底面11厚度d為20 mm，底面11邊長L為198 mm，坩堝壁12高度H為200 mm，一個(gè)“V”型長槽2位于坩堝I底面11的中間，另外兩個(gè)“V”型長槽2鄰近坩堝壁12的邊的延長線與坩堝壁12的交點(diǎn)和這兩個(gè)“V”型長槽2的另一邊的延長線與中間“V”型長槽2的相鄰邊的延長線的交點(diǎn)處于同一高度，交點(diǎn)距離坩堝I內(nèi)底部垂直距離h3為21.3 mm，“V”型長槽2的深度h為8 mm，“V”型長槽2兩斜邊的夾角Θ為90度。使用所述坩堝生長多晶硅錠的工藝與實(shí)施例1相同。 [0029]從實(shí)施例2與實(shí)施例3得到的多晶硅錠，根據(jù)晶?？v向生長圖，晶粒尺寸隨著“V”型長槽數(shù)量的增加呈現(xiàn)線性增長。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制備多晶硅錠的坩堝，其特征在于:所述坩堝為中空的矩形結(jié)構(gòu)，底面為正方形；所述正方形的底面上設(shè)有若干個(gè)的“V”型長槽，所述“V”型長槽均平行于正方形底面的其中一邊；所述“V”型長槽兩邊的夾角為直角。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于制備多晶硅錠的坩堝，其特征在于:所述正方形的底面上設(shè)有一個(gè)“V”型長槽，“V”型長槽位于坩堝底部的中間。
3.如權(quán)利要求1所述的一種用于制備多晶硅錠的坩堝，其特征在于:所述正方形的底面上設(shè)有兩個(gè)互相平行的“V”型長槽，兩個(gè)“V”型長槽鄰近坩堝壁的邊的延長線與坩堝壁的交點(diǎn)和兩個(gè)長槽相鄰邊的延長線的交點(diǎn)處于同一高度。
4.如權(quán)利要求1所述的一種用于制備多晶硅錠的坩堝，其特征在于:所述正方形的底面上設(shè)有三個(gè)互相平行的“V”型長槽，其中一個(gè)長槽位于坩堝底部的中間，另外兩個(gè)“V”型長槽鄰近坩堝壁的邊的延長線與坩堝壁的交點(diǎn)和這兩個(gè)槽的另一邊的延長線與中間長槽的相鄰邊的延長線的交點(diǎn)處于同一高度。
5.如權(quán)利要求1所述的一種用于制備多晶硅錠的坩堝，其特征在于:所述正方形的底面上設(shè)有多個(gè)互相平行的“V”型長槽，所述“V”型長槽靠近坩堝壁的斜邊的延長線與坩堝壁的交點(diǎn)所處的高度和兩相鄰“V”型長槽的相鄰斜邊的延長線的交點(diǎn)所處的高度是一致的。
6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的一種用于制備多晶硅錠的坩堝，其特征在于:所述“V”型長槽的槽深為8 mm,槽口距離為16 mm,槽長度與坩堝內(nèi)底部正方形邊長一致。
7.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的一種用于制備多晶硅錠的坩堝，其特征在于:所述坩堝底面厚度為20 _，坩堝壁厚度為12 mm,內(nèi)表面噴涂氮化硅涂層。
8.一種多晶硅錠的生長方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)控制溫度使“V”型長槽內(nèi)的熔融硅率先降溫到1410V ； 2)提升保溫桶使熔融硅從“V”型長槽內(nèi)的底部開始形核生長； 3)控制保溫桶的提拉速度，使生長速度快的晶體首先達(dá)到“V”型長槽的上頂面，“V”型長槽內(nèi)晶體的結(jié)晶速度2 mm/h ； 4)加快保溫桶的提拉，以10mm/h的速度完成接下去的晶體生長，獲得柱狀晶。
【文檔編號】C30B29/06GK104018222SQ201410276658
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】黃仕華, 陳達(dá) 申請人:浙江師范大學(xué)