[发明专利]用于定向凝固法生长单晶硅的装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光伏技术领域，具体涉及一种用于定向凝固法生长单晶硅的装置，以及使用该装置定向凝固法生长单晶硅的方法。

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。目前，应用最为普遍的太阳能电池材料是晶体硅材料，包括单晶硅和多晶硅材料，晶体硅太阳能电池最突出的特点是它的稳定高效性。

目前太阳能用单晶硅主要是通过直拉法(CZ法)制得的，具有低缺陷高效率的特点，并且可以通过碱制绒的方法形成金字塔型的织构，提高对光的吸收，从而提高转化效率。但同时单晶硅也存在生产成本较高的缺点。多晶硅主要通过定向凝固(铸造)的方法获得，其以生产成本较低的优势占领了一半以上的太阳能光伏市场。但多晶硅中存在大量的位错和晶界，它们和杂质作用会在硅中引入深能级降低少数载流子的扩散长度从而降低多晶硅太阳能电池的转换效率。另外，由于多晶硅中存在多个晶粒取向，各向异性的高效碱制绒方法不适用于多晶硅片，以上因素使得多晶硅电池的转换效率要比单晶硅电池低1-2个百分点。同时由于多晶硅中含有大量的晶界和位错，导致机械强度较单晶硅要低，使多晶硅片在生产、加工、电池制备和组件组装过程中容易破碎，增加生产成本。目前，铸造单晶硅将单晶硅太能电池片转换效率高、机械强度高的优点与铸造生产生产成本低的优点结合起来，成为研究的重点。中国专利申请200910152970.2公开了一种控制底部单晶硅籽晶不完全融化的方法，其主要是通过加热熔化阶段打开隔热笼的方式来控制坩埚底部温度，但这种方法由于熔化阶段底部的散热使其能耗较高，可控性较差。

因此，需要进一步开发用于定向凝固法生长单晶硅的改进装置。

发明内容

鉴于现有技术的上述问题，本发明开发了一种改进的用于定向凝固法生长单晶硅的装置，该装置通过在坩埚护板外部底侧围绕整个坩埚护板安装隔热设备来控制籽晶的熔化，解决了定向凝固法生长单晶硅时底部籽晶完全熔化的问题。该装置对设备的改造很小，能耗小，成本低，可控性强，易于操作，适合规模化生产。

本发明的第一个目的是提供一种用于定向凝固法生长单晶硅的装置，该装置至少包括炉体(13)、用于支撑炉体的支柱(15)、由支柱支撑的热交换块(4)、放置在热交换块上的坩埚护板(8)、坩埚护板内的用于承装硅料的石英坩埚(9)、固定在石英杆(14)上的加热器(7)、以及由活动连杆(6)控制的侧隔热笼(3)，其特征在于，在坩埚护板外部底侧围绕整个坩埚护板，安装有隔热设备(10)。

根据本发明的一个优选的实施方式，所述隔热设备可由碳基隔热材料构成，所述碳基隔热材料包括但不限于石墨以及碳/碳复合材料，还可由多孔陶瓷材料或石棉构成。隔热设备的形状可为块状、板状或带状。

根据本发明的一个优选的实施方式，所述隔热设备的厚度为2-10cm，高度为2-20cm；优选厚度为3-5cm，高度为4-12cm。

根据本发明的一个优选的实施方式，所述隔热设备可使用钼丝、钨丝、石墨绳、陶瓷螺母或由钼、钨或石墨材质制成的螺母来固定在坩埚护板上。

该隔热设备可在加温过程中，使加热器的热量难以到达坩埚内底部，仅通过坩埚内部的对流循环对底部进行加热，从而调节坩埚内热场分布，控制底部籽晶不完全熔化。通过石英杆辅助测量，单晶的实际熔化率与理论估算值非常接近，说明该工艺可控性强。

本发明的第二个目的是提供使用上述装置定向凝固法生长单晶硅的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)依次将作为籽晶的单晶硅料、多晶硅料和掺杂剂置于坩埚中；

(2)熔化阶段：加热硅料，使籽晶熔化10％-90％；

(3)长晶阶段：降低加热器的温度，硅的熔液，多晶硅料和部分籽晶熔化的硅熔液沿籽晶晶向定向凝固生长，经退火冷却后得到与籽晶相同晶向的单晶硅。

根据本发明的一个优选的实施方式，步骤(1)中所述籽晶为<100>晶向的单晶硅块。

根据本发明的一个优选的实施方式，步骤(1)中所述籽晶为长10-16cm，宽10-16cm，高0.5-5cm的方形单晶硅块。

根据本发明的一个优选的实施方式，步骤(1)中所述籽晶平铺于坩埚底部。更优选地，铺设籽晶时，使其相互紧密接触。

根据本发明的一个优选的实施方式，步骤(1)中所述掺杂剂选自硼、镓、磷、砷或锑。

根据本发明的一个优选的实施方式，步骤(2)和(3)在真空或惰性气氛下进行，优选为在真空或氩气气氛下进行。