[发明专利]一种成品大面积籽晶和矩形大面积籽晶的制备方法及设备

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电(Photovoltaic)领域，并涉及用于光伏行业的硅单晶铸锭的方法和设备，具体涉及一种成品大面积籽晶和矩形大面积籽晶的制备方法及设备。

背景技术

绿色、环保、可持续的太阳能光伏发电在近几年得到了迅猛发展，从行业角度看，目前采用提拉法单晶硅和铸造多晶硅制做的电池片在行业中占统治地位，而这其中多晶硅晶体电池已经成为行业发展的重心，2010年已占有54％的光伏市场。多晶硅片是制造多晶硅晶体电池的主要原料，工业生产中一般是在多晶炉中通过定向凝固得到多晶硅锭，然后开方切片得到多晶硅片和提拉单晶相比多晶硅铸锭拥有产量大，成本低的优势，但是多晶硅片中存在大量的晶界位错，同时铸锭时坩埚和脱模剂中的杂质影响，使得多晶硅晶体电池的转换效率比单晶硅低1～2％(绝对效率)，可见硅锭质量对电池效率有着直接影响。

目前行业中普遍使用的铸锭技术是定向凝固法，或称“热交换法”，其显著特征是坩埚上方和侧面装有加热器，坩埚底部是散热机构，硅料在平底坩埚中融化后打开散热机构进行原位定向凝固，底部先结晶，然后固液平面缓慢上移，从下往上进行长晶，直至所有熔体结晶。因为初始成核结晶的是同时发生在坩埚底部的一个随机过程，没有籽晶，所以晶粒大小和晶向都是无序的，在这些晶粒上长出的硅锭因此也是多晶的，且柱状晶粒的大小和分布直接决定于初始结晶。长成的整个硅锭呈方形，边长有690mm和825mm两种，高度在300～450mm左右，重量在240～600kg。目前最新的已经研发出1000mm边长，能够铸出1吨重硅锭的G6铸锭炉。但是所有这些铸锭炉其热场的配置没有本质差异。因为加热器在侧面和顶部，所以整个铸锭过程中始终是坩埚上部温度大于坩埚下部，在中上部的硅料完全熔化的条件下，保证底部的硅料部分熔化，使得剩下的作为籽晶长出大晶粒硅锭成为可能。如果我们有意地改造底部这部分硅料，在底部铺上大块的单晶硅块，就能长出符合需要的大晶粒硅锭。

利用现有多晶铸锭炉长单晶或者大晶粒硅锭已有多次尝试，现有多晶铸锭炉的底部石墨散热块，石英陶瓷坩埚底部都是平底，故现有的厂家均通过在坩埚底部铺上多块单晶籽晶来生长“类单晶”或“准单晶”。这些籽晶一般都是6寸或8寸的单晶硅棒截断成厚2～5cm的硅块。众多科研机构和厂家已经在类单晶铸造方面进行了深入研究并申请了相关专利，如BP Solar，浙江大学硅材料实验室，晶澳，煜辉，LDK等。各个厂家对此技术的称谓不同，有“准单晶”、“类单晶”、“近单晶”等。此技术在光伏行业前景光明，已进入批量中试阶段。

这种平铺多个籽晶的方法虽然能生长出晶粒很大的“类单晶”，但其中少量的晶界反而可能成为杂质的会聚地，对后续电池片的良率产生影响。同时，由于这种晶体切割出的硅片仍然含有一定量的晶界，仍然属于多晶。本发明是应用于铸锭单晶，跨越了“类单晶”这一种中间产品。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种单晶铸锭用大面积籽晶的制备方法和设备，该制备方法能够制备大面积单晶，用于光伏行业多晶铸锭能够生长出单晶硅锭，通过铸锭生长出的单晶硅锭在切片后得到单晶硅片，此单晶硅片不但有CZ直拉法单晶硅的所有性质，而且产量大和成本低，并且还能解决直拉法单晶硅中氧含量高的缺点，

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

该种单晶铸锭用成品大面积单晶的制备方法，包括以下步骤：

1)取{100}单晶棒截去头尾，沿中轴纵向(010)或(110)面剖开得到扁平长条状的单晶籽晶条；

2)准备矩形平底坩埚，在矩形平底坩埚内层涂上脱模层，再将所述的单晶籽晶条放置在矩形平底坩埚内，且使其平行紧靠在矩形平底坩埚底的一边，坩埚底部其余的空间铺上多晶硅料，然后放入水平生长炉中进行水平定向生长，采用Horizontal Gradient Freezing或Horizontal Bridgeman方法使多晶硅料熔化后以单晶籽晶条为基底定向凝固，凝固方向从矩形平底坩埚放置单晶籽晶条的一边到对边；生长方法为：先加热多晶硅料使其熔化；而使单晶籽晶条处于低温区，使其不熔化或少量熔化；然后控制热场在熔融硅液和单晶籽晶条之间的固液界面上形成并保持一个温度梯度，其方向指向硅液并垂直于固液界面，大小在2.6～21.2K/cm之间，此时硅液的其余部分温度处于熔点之上；温度梯度使热量从硅液向单晶籽晶条传导，单晶籽晶条不断生长，最后所有硅液变为固体硅单晶，再经1300～1400℃之间退火后逐渐降温到室温，得到成品大面积单晶；整个生长过程在高纯氩气氛围内进行，气压在50mbar～600mbar之间。