[发明专利]低碳准单晶铸锭炉及应用该铸锭炉进行铸锭的方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种铸锭炉及其铸锭方法，特别是涉及到一种低碳准单晶铸锭炉及应用该铸锭炉进行铸锭的方法。

背景技术

目前晶体硅太阳电池凭借其电池的高效稳定一直占据着太阳电池市场的。其中单晶硅太阳电池具有低缺陷、高转换效率等特点，特别是碱制绒方法形成的金字塔型织构化表面大大加强了光的吸收，提高了转换效率。目前，单晶硅电池片大规模生产的转换效率已达18%。但是该方法对原料及操作要求高，且单次投料少，产品成本较高。对于掺硼单晶，由于坩埚中氧的引入，使得单晶太阳能电池衰减较大。而多晶硅主要是采用定向凝固方法制得，单次投料量大，具有易操作、低成体等特点，但在传统的铸锭条件下，由于铸造多晶硅中存在大量的晶界和位错，它们能在硅禁带中引入深能级，成为光生少数载流子的有效复合中心，同时铸造多晶硅由于各晶粒晶向不一，不能采用各向异性的碱制绒方法进行表面处理，而各向同性的酸制绒方式则很难达到同样的效果，使得多晶硅太阳能电池的转换效率较单晶硅电池约低1. 5～2%。为了能够将单晶硅与多晶硅的优势集中体现出来，准单晶铸造技术应运而生，由于准单晶铸锭既具有单晶的高转换效率又具有多晶硅地制造成本的特点，目前准单晶太阳电池已成为太阳电池行业中的主流产品。

准单晶铸造技术是最早由美国的BP SOLAR公司提出的（专利US2007/0169684A1），目前准单晶铸锭制备工艺如下：按配料、装料、将装料坩埚放入定向凝固炉中加热熔融、晶体生长、退火、冷却工序生产得到，与传统的多晶硅铸造所不同的是在坩埚底部放入了籽晶，在融化阶段控制籽晶的融化，让部分籽晶融化，然后开始长晶。生长出的准单晶铸锭按照晶粒分布可以分为三个区域，如图1所示，中间区域C为表面大晶粒面积为100%，此区域的硅片可视为准单晶硅片，约占整个铸锭的35%至40%左右；铸锭周围与坩埚接触的区域为B区，硅片表面大晶粒约占硅片的50%至70%，此区域的的硅片可视为优质的多晶硅硅片，占硅锭的比例在45%至50%左右；铸锭的四个角落区域为A区，硅片表面大晶粒面积小于50%左右，次区域的硅片为普通的多晶硅硅片，约占整个铸锭的10%至20%。由于目前用于准单晶的铸锭炉基本上与传统的多晶硅铸锭炉相同，因此在准单晶铸锭中普遍存在碳含量偏高的问题。这是因为在铸造多晶硅生产过程中不可避免的会受到炉体内部环境的污染，硅中碳的来源主要有以下几个来源：①高纯硅，这是多晶硅中碳的主要来源；②石墨部件的粉尘；③真空系统中的油脂和密封材料中的易挥发碳化物；④多晶硅制造气氛中的碳氢化合物污染；⑤石墨部件与氧和石英坩埚等的反应产物。其中最主要的原因就是由于石墨材料制成的护板，底板以及隔热笼等会与一氧化硅制成的石英坩埚在高温下发生反应产生含碳气体，如一氧化碳及一氧化碳等，这些产生的气体在现有的石英坩埚及护板、盖板的结构中，会流经硅液的表面，从而使碳元素被吸附及溶入硅液中，从而造成生长出的硅锭中的碳含量高。准单晶产生碳污染的原因有以下两种方式：气相污染和灰尘粒子污染。

（1）随着定向凝固的进行，坩埚内部的凝固界面逐渐向上移动，由于C在硅中具有很小的分凝系数液体硅中的C含量随着凝固的进行时逐渐增加的，当C的含量超过了它在硅中的最大溶解度时，在定向凝固过程中杂质C将以SiC颗粒的形式析出。反应方程式如方程所示

因此替位C的数量减少同时在熔体中形成了SiC颗粒。SiC也分为两类α相(六边形),β相(立方体), SiC的密度为3.22 g/cm3。C在固体硅中的溶解度为3ppm-3.85ppm，K0 值为0.058-0.07，C在液体硅Si（熔点）中的溶解度为40ppm+10ppm。结晶前对硅熔体中的初始C含量进行了测量，大约为10－43ppm，因此在1500℃左右时，对于所有的液体硅样品C含量都低于C在硅中的溶解度极限。炉体内气体中会存在CO气体，由于二氧化硅与石墨以及一氧化硅与石墨之间的反应。CO在到达熔体表面时需要经过一个气体保护层，一旦扩散进熔体还有一个液体边界层，液体边界层内的C含量比熔体内的含量高，C在熔体中的传输系数对于在大块硅体内的传输很重要。炉体内CO与硅熔体的相互作用分为三个步骤：（a）气体边界层内的传输；(b) 反应；(c) 溶质边界层内的传输。然而CO与熔体的作用程度不清楚，有可能受以下环节控制：气相中的传输，石墨元件向大气中的传输以及气相边界层内的传输，但CO交互作用相对于系统是比较慢的。

（2）炉中使用很多的石墨元件例如隔热器，加热元件和支撑元件反应方程：