[发明专利]一种制备准单晶硅的铸锭炉及制备准单晶硅的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备准单晶硅的铸锭炉及制备准单晶硅的方法。

背景技术

准单晶（Mono Like）是基于多晶铸锭的工艺，在长晶时通过部分使用单晶籽晶，获得外观和电性能均类似单晶的多晶硅片。这种通过铸锭的方式形成单晶硅的技术，其功耗只比普通多晶硅多5%，所生产的单晶硅的质量接近直拉单晶硅。简单地说，这种技术就是用多晶硅的成本，生产单晶硅的技术。

在当今快速发展的光伏行业，高效率和低成本一直是业内人士所追求的目标。晶体硅作为当今最主要的太阳电池材料而广泛应用，而晶体硅市场上单晶硅和多晶硅占主导地位。单晶硅一般采用直拉法（Cz）法制得，使用特定向的单晶籽晶经过化料、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等工序制备，所得晶体具有低缺陷、高效率等优点，但该法对原料及操作要求较高，且每次投炉量少，成本较高；多晶硅一般采用定向凝固法（DSS）制得，通过加热、融化、长晶、退火、冷却等工序制备，所得晶体具有多晶界、低效率等缺点，但该法对原料及操作要求不高，且每次投炉量大，成本较低。为了追求一种兼具单晶硅转换效率高与多晶硅工艺成本较低、易于大规模生产的优点，产业界考虑用多晶铸造的方法来铸造单晶，即用预留的硅单晶籽晶作为晶体生长的起点来实现长晶，浙江大学的杨德仁、余学功针对此展开了一些工作，其专利CN 101654805A提到了一种方法，但其操作较为复杂且难以控制，得到的准单晶比例不高。

DSS铸锭炉准单晶铸锭过程典型方法：在坩埚底部铺设一层籽晶，硅原料逐渐加热到1410℃以上开始融化，此时隔热笼从下往上移动到一定高度，使硅原料全部融化为液体而保证底部籽晶不被完全融化，进入晶体生长后，继续提升隔热笼，热量从坩埚底部导出，形成垂直的温度梯度，从而熔体的定向凝固从下往上开始。因为在融化和长晶阶段都涉及到隔热笼的移动，而隔热笼的移动无法精确控制籽晶温度和固液界面，时常出现部分籽晶过度融化或者没有融化的现象，导致无法形成大面积准单晶或者没有准单晶；在长晶初始阶段隔热笼已经打开，温度控制紊乱，在成核阶段没有提供足够的过冷度以及平坦的固液界面而导致硅锭下部杂质集中，致使硅料利用率下降，增加成本。

发明内容

本发明提供了一种制备准单晶硅的铸锭炉。本发明的另一技术方案是提供了准单晶硅的制备方法。

本发明提供了一种制备准单晶硅的铸锭炉，包括炉体、坩埚、石墨柱；石墨柱安装在炉体底部，坩埚安装在石墨柱上，炉体和坩埚有导流筒相连；炉体和坩埚之间设有隔热装置；坩埚外部设置有加热装置；坩埚底部设置有热交换装置；热交换装置上有冷气管和热气管与热交换器连接。

其中，所述的热交换装置（6）中冷气由中部进入，进入5×5矩阵或6×6矩阵的分流口，由边缘流出。

本发明还提供了一种制备准单晶硅的方法，它是在上述铸锭炉中完成准单晶硅的生长。

具体地，它包括如下步骤：

a、装料：将包含籽晶的原料放入坩埚中，其中籽晶平铺在坩埚底部，在籽晶上部放置原生多晶硅以及掺杂元素，将电阻率调节至1.5Ω.cm；

b、加热：在9个小时内将坩埚温度升至1412-1550℃；

c、熔化：保持坩埚顶部温度1412-1550℃，开启热交换器的气体阀门，在2小时内将气体流量升为30SLM，且持续供应气体，坩埚底部温度调至1390-1410℃，整个融化过程持续8-10小时；

d、长晶：保持坩埚顶部温度1412-1550℃，坩埚底部气体流量在半小时内从30SLM增加至65SLM，底部温度从1390-1410℃迅速降低至1356-1370℃，整个长晶过程持续23-25小时；

e、关闭热交换器的气体阀门，坩埚在1356-1370℃退火、冷却，即得准单晶硅锭。

其中坩埚的顶部温度通常是通过红外测温仪测定熔体表面的温度。坩埚底部温度是通过热电偶来测定坩埚与热交换装置接触面的温度。

进一步优选地，步骤a所述的掺杂元素为硼。

进一步优选地，步骤b所述的坩埚温度为1550℃。

进一步优选地，c步骤所述的坩埚的顶部温度为1430℃；所述的坩埚底部温度为1410℃。

进一步优选地，所述的d步骤为：保持顶部温度1430℃，底部气体流量由30SLM在半小时内增加至65SLM，此时底部温度由1410℃迅速降低至1356℃，整个长晶过程持续24小时。

进一步优选地，所述的e步骤在1370℃退火2小时、并冷却10小时即得准单晶硅锭。