[发明专利]一种多晶硅铸锭的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多晶硅铸锭的制备方法。

背景技术

在太阳能光伏领域中，晶体硅由于其原料来源及制备成本优势，占整个太阳能光伏领域的90％以上。而在晶体硅的制备过程中，又以多晶硅铸锭技术为主导地位。目前，现有多晶硅铸造技术主要有全熔高效多晶硅铸锭技术和有籽晶铸锭技术(包括有准单晶铸锭及目前较流行的半熔高效多晶铸锭技术)。

这几种晶体硅铸锭技术的主要区别在于，准单晶铸锭与半熔高效多晶铸锭在装料时必须在坩埚底部铺设有籽晶，也可称为有籽晶铸锭技术，且需保证该籽晶在后期熔化过程中不被完全熔化，以作为后期晶体生长的形核中心，否则就变成普通多晶铸锭。全熔高效多晶硅铸锭技术以坩埚底部制作的特殊引晶层为媒介，利用坩埚底部的粗糙度促进铸锭初始的形核，生长质量较好的多晶硅。在该铸锭技术中，硅料完全熔化，而不必像有籽晶铸锭技术那样需对籽晶进行保护，故可完全沿用传统多晶铸锭的热场和工艺，并能获得较传统普通多晶更高质量的多晶硅锭。

专利号为CN103014852 A，专利申请名称为一种用于铸造高效多晶硅锭的方法，提供了一种在石英坩埚氮化硅涂层上喷涂硅粉和纯水的混合物，利用龟裂的硅粉涂层之间的裂缝作为形核点生长多晶硅锭的方法。这种方法制作过程不稳定，且属于全熔高效多晶硅铸锭技术的一种，不具有以硅类物料为形核点生长多晶硅锭的优势。

发明内容

本发明解决的技术问题是，通过为多晶硅生长提供晶核生长点，使形成的多晶硅制成太阳能电池后具有较高的光电转换效率，制成的多晶硅铸锭性能稳定。

本发明的技术方案是，提供一种多晶硅铸锭的制备方法，包括以下步骤：(1)在去离子水中加入粘结剂、分散剂和纯度大于99.9％、粒径为1～5000μm的硅颗粒，搅拌均匀得到浆料，其中硅颗粒占浆料的质量百分数不低于50％；(2)在内表面设有氮化硅涂层的石英坩埚内，将所述浆料喷涂、辊涂或刷涂在氮化硅涂层表面，形成1～10mm的浆料层，干燥得到硅涂层坩埚；(3)将所述硅涂层坩埚装上硅料，送入多晶硅铸锭炉，经抽真空后，对硅料加热，硅料全部熔化后，使硅料熔液降温进行多晶硅生长，多晶硅生长完成后，经退火冷却得到多晶硅铸锭。

进一步地，所述步骤(1)中，在去离子水中还加入纯度超过99.99％、粒径为0.1～10μm氮化硅粉，其中氮化硅粉占浆料的质量百分数不超过20％。

进一步地，所述硅颗粒的纯度大于99.999％，粒径为100～500μm。

进一步地，所述粘结剂选自硅溶胶、硅酸、聚乙烯醇和丙烯酸酯中的一种或几种。

进一步地，所述分散剂选自单元醇、多元醇、甲基纤维素、乙基纤维素、乙酸纤维素、丙基纤维素和聚环氧乙烷中的一种或几种。

进一步地，所述步骤(3)中，在将所述硅涂层坩埚装上硅料之前，先在硅涂层坩埚底部铺设多晶硅颗粒或碎片。

本发明的技术方案的详细步骤如下：(i)准备好一只多晶硅铸锭用的坩埚，常选用石英坩埚，对石英坩埚进行常规氮化硅涂层制作；(ii)向去离子水中加入粘结剂，分散剂和硅颗粒，混合搅拌均匀得到浆料，硅颗粒选取纯度超过99.9％的硅颗粒，优选地，硅颗粒的纯度超过99.999％，粒径为100～500μm；(iii)将浆料以喷涂、辊涂或刷涂等方式覆盖在氮化硅涂层上，形成一层1～10mm的浆料层，采用晾干或烘干等方式进行干燥处理，得到硅涂层坩埚；(iv)将硅原料和电活性掺杂剂装入硅涂层坩埚，使用的电活性掺杂剂用来调整硅锭的电阻率；优选地，电活性掺杂剂使用硼硅合金，目标电阻率设为0.8～3Ω·cm；(v)将装好硅料的坩埚放入铸锭炉中，抽真空并加热，硅料熔化后，坩埚底部熔融状态的硅料以浆料层中的硅颗粒为籽晶快速形核结晶，形成形核源层。晶体硅从下往上完成定向凝固生长，生成多晶硅锭。步骤(iv)中可以在坩埚底部先铺设多晶硅颗粒或碎片，起到保护浆料层的作用。步骤(v)中可以使用全熔热场和工艺，本发明对晶体生长初期的温度控制要求较为宽松，工艺窗口较大；也可以使用半熔热场和工艺，降低半熔跳步高度，即使籽晶化完或部分化完，也可以利用浆料层中的硅颗粒为籽晶，生成高质量的铸造多晶硅锭。

在步骤(ii)中，除了向去离子水中加入粘结剂，分散剂和硅颗粒之外，还添加纯度超过99.99％、粒径为0.1～10μm氮化硅颗粉，其中氮化硅粉占浆料的质量百分数不超过20％。由于氮化硅粉较细，可以填充在硅颗粒的间隙中，可以保护颗粒料而不易熔化；另外，加入的氮化硅粉可以与底部的氮化硅涂层结合的更紧密，也有助于保护涂层不脱落。