[发明专利]一种类单晶硅晶体生长方法和热场结构

说明书

一种类单晶硅晶体生长方法和热场结构，本发明涉及一种太阳能晶体硅材料的技术领域。使用单块板状籽晶，在籽晶诱导下从上向下沿籽晶厚度方向，从硅熔液中生长高度略等于宽度的准方形晶体。为实现所述晶体生长方法，本发明热场结构包括主、副炉室、籽晶装载腔、晶棒卸载腔，晶体提拉机构，坩埚，加热器，保温筐，隔热板等部件，副炉室中的晶体提拉机构挂载籽晶诱导晶体生长，在晶体生长过程中，在籽晶装载腔和晶棒卸载腔进行籽晶模块的准备和晶棒的取出，晶棒生长完成后，晶体提拉机构可快速卸载并再次挂载籽晶块生长下一根晶体。本发明所生长类单晶硅晶体，具有晶向统一，边皮料比例低，产品合格率高，缺陷密度低，生产效率高的特点。

技术领域

本发明涉及一种太阳能硅材料的技术领域，特别是一种类单晶硅晶体生长方法和热场结构。

背景技术

太阳能光伏发电因其环境友好、转换高效、安装便利等优点，是太阳能光电应用的主要方式。近十年光伏发电的度电成本快速下降到接近传统火力的上网电价，为光伏发电进一步的大规模应用提供了强有力支撑。

单晶硅片和多晶硅片是光伏电池制作的两种基本材料。单晶硅片由提拉法（Cz）晶体生长、切割而来，其特点在于缺陷少、少子寿命高、品质稳定，因而备受高效电池工艺产线的青睐；多晶硅采用定向凝固法，熔化后的硅料自坩埚底部向上结晶而成，存在位错和晶界密度大，金属杂质含量好等缺陷，但由于产能大、对硅料的要求不高，硅片性价比高等特点，在过去几年，多晶硅片一直是最主要的光伏电池基底材料之一。

单晶硅目前的主要生长方法是直拉法，又称为切克劳斯基法，它是1918年由切克劳斯基（Czochralski）建立起来的一种晶体生长方法，简称CZ法。CZ法的特点是在一个直筒型的热系统中，用石墨电阻加热，将装在高纯度石英坩埚中的多晶硅熔化，然后将籽晶插入熔体表面进行熔接，同时转动籽晶，再反转坩埚，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、缩颈、放大、转肩、等径生长、收尾等过程，一支硅单晶就生长出来了。Cz法优点是工艺方法成熟、稳定，晶体缺陷少。在生长光伏单晶硅晶体中，主要缺点是石英坩埚在整个硅料熔化和晶体生长阶段始终接受加热器的高温烘烤，导致坩埚内氧元素进入单晶硅棒中，单晶硅片氧含量高，造成后续光伏电池及组件的LID衰减问题，降低光电转化效率；再者，Cz法生长圆柱形晶棒，需要切割成“准方形（带圆角的正方形）”晶棒才能使用，切割产生4块弓形下角料，只能清洗后作为循环硅料使用，造成Cz单晶产出与投料比，合格率仅有60%～70%；其次晶体生长面积小，生长截面仅能切割成单张硅片，产能低，制约了晶体生产成本的下降空间。

相比较Cz单晶，铸造多晶产能大，生长截面可切割成多张硅片。例如，对于G6晶锭，晶体生长截面可切割6*6=36张硅片，相当于同时生长36张硅片，而Cz法仅能生长单张硅片。为整合Cz单晶和铸造多晶两种晶体生长方式各自的优点，在过去几年，开发出所谓“铸造单晶”、“类单晶硅”、“Mono-II”等不同叫法，但实为相似工艺的晶体生长方法，其特点是： 首先，在坩埚底部铺设用于引导晶体生长的籽晶（切割自Cz单晶）；然后，再向其上面投入其它硅料。在硅料熔化阶段，通过热场和工艺调整，使硅料自上而下逐渐熔化到坩埚底部铺设籽晶区域内。通过热场结构优化，控制熔化过程中的固液界面，使得籽晶部分熔化，之后在热场底部散热下，晶体在剩余籽晶的诱导下向上完成定向结晶过程。这一工艺过程也称为“铸造半熔工艺”。理想的铸造单晶硅，其晶体结构保持与籽晶一致。籽晶块的应用使得相比普通铸造多晶，晶界密度大幅下降。在靠近籽晶区域的类单晶晶体，晶界少，位错密度低，在和Cz单晶硅片采用同样的工艺制程做成电池后，电池转换效率达到Cz单晶硅片近似相同的水平。因而铸造单晶工艺被认为是下一代太阳能硅材料的重要发展方向，引起广泛的研究热情。