[发明专利]制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电硅片制造技术领域，尤其涉及一种制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法。

背景技术

太阳能发电是人类利用太阳能的重要手段，而太阳能电池则是实现光电转换的主要装置，太阳能电池的光电转换效率决定了太阳能源的利用转化率。近年来，世界太阳能电池的产量和装机容量每年都在以约30%的速度快速发展。2010年，全球累计装机容量为25.4GW，预计到2020年全球装机容量将达到278GW。

目前，太阳能电池的种类不断增多，其中晶体硅太阳能电池尤其是多晶硅太阳能电池以较低的成本和较高的转换效率，在未来一段时期内仍将占据主导地位。但是，相对于传统能源，多晶硅太阳能发电成本相对较高，市场化率相对较低。从目前全球形势及整个行业的发展来看，提高多晶硅太阳能电池的转换效率、降低光伏组件的发电成本是光伏产业的必然趋势。太阳能电池转换效率每提高1%，成本可降低7%。2011年末，市场上用多晶硅太阳能电池转换效率约为16.8％，2012年将达到17%。高效率光伏组件越来越受市场的青睐，低于17％的光伏组件将逐渐被市场淘汰。发展高功率光伏组件的关键在于提升太阳能电池的转换效率。

目前，提升太阳能电池效率的研究多集中在电池制作工艺的改良及高效电池结构的设计，前者如BSF技术，后者如三洋的HIT（Heterojunction with intrinsic Thinlayer结构，即在P型氢化非晶硅和n型氢化非晶硅与n型硅衬底之间增加一层非掺杂(本征)氢化非晶硅薄膜）结构电池，尽管可以制作出效率高出一般商用化产品的电池，但因制程过于复杂、成本过高，而难以大规模推广。如何以较低的成本制备出高效率的太阳能电池成为行业研究的热点。

除电池工艺因素外，传统多晶硅片的位错密度过高是限制多晶硅电池转换效率的主要因素之一。传统多晶硅片内的位错产生原因一方面是硅锭内碳含量过高，碳原子较硅原子半径小，会引起较大的晶格畸变，产生大量位错；另一方面是传统定向凝固方法的局限性，晶体生长初期，晶体内存在较大的位错密度，后期位错增殖，造成整锭位错密度过高。上述位错产生的两个原因中后者占主要地位。

因此，有必要提供一种改进的制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种制备低位错密度硅锭的新型定向凝固方法，所述方法包括以下步骤：S1，在坩埚底部均匀铺设一定量的碎硅料，并在均匀铺设的碎硅料上放置一具有规则形状的多晶硅块，再装入铸锭用硅原料；S2，将上述装有硅料的坩埚置于一定向凝固铸锭炉中抽真空，然后加热至一定温度后向上打开定向凝固铸锭炉侧部隔热笼至一定位置，保持坩埚底部温度低于碎硅料的熔点且坩埚上下具有较大温差，再调节控温热电偶控制硅原料熔化界面的推进速度，待碎硅料部分熔化后进入长晶阶段；S3，调节控温热电偶的温度和侧部隔热笼向上移动的速率，使热量向下辐射而使熔硅在未熔化的碎硅料上迅速成核，形成均匀的小晶粒，小晶粒在竖直向上的温度梯度下自下向上竖直生长；S4，待熔硅结晶完后经退火和冷却形成晶粒小且均匀的多晶硅锭。

作为本发明的进一步改进，S1步骤中所述的具有规则形状的多晶硅块为边长为150-160mm、厚度为25-50mm的正方形多晶硅块。

作为本发明的进一步改进，S1步骤中所述的碎硅料为以下硅料中的一种或几种：尺寸小于6mm的原生多晶碎料，太阳能级多晶或单晶碎硅片、电子级单晶碎硅片、尺寸小于6mm的硅烷法制备的颗粒硅、以及尺寸小于5cm的多晶硅块。

作为本发明的进一步改进，S1步骤中所述的一定量的碎硅料是指10-20kg。

作为本发明的进一步改进，S2步骤中所述的加热到一定温度是指加热到1200-1500℃。

作为本发明的进一步改进，S2步骤中所述的向上打开定向凝固铸锭炉侧部隔热笼的位置为5-6cm。

作为本发明的进一步改进，S2步骤中所述的坩埚底部温度为1320-1350℃。

作为本发明的进一步改进，S2步骤中所述的较大温差为170-180℃。

作为本发明的进一步改进，S2步骤中所述的控温热电偶的温度调节范围为1500-1510℃。

作为本发明的进一步改进，S3步骤中所述的侧部隔热笼提升速率为0.5-0.6cm/h。

作为本发明的进一步改进，S3步骤中所述隔热笼的最高提升位置为14cm。