[发明专利]多晶硅锭及其制备方法、多晶硅片和多晶硅铸锭用坩埚

说明书

技术领域

本发明涉及多晶硅铸锭领域，尤其涉及多晶硅锭及其制备方法、多晶硅片和多晶硅铸锭用坩埚。

背景技术

目前，多晶硅锭的制备方法主要为定向凝固系统法，而氧为上述现有多晶铸锭过程中引入的常见有害杂质，硅锭中的氧一部分来自硅料本身，另一部分硅锭中的氧来源于坩埚。硅锭中氧的含量直接影响到多晶硅太阳能电池片的性能，这是由于，氧在铸造多晶硅的生长过程中会形成氧沉淀，而氧沉淀会成为过渡族金属的吸杂中心，具有很强的少子复合能力，从而显著降低材料的电学性能，此外，氧还会在硼掺杂的晶体硅材料中形成氧硼对，导致晶体硅太阳能电池的转换效率不稳定。因此，为了获得高质量的多晶硅锭，寻求一种有效降低氧杂质含量的铸锭方法显得尤为重要。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供多晶硅锭的制备方法，该制备方法可大幅降低多晶硅锭中杂质氧的含量，制备获得质量高的多晶硅锭，且该制备简单方便，易于操作，适于大规模生产。本发明同时提供了通过该制备方法获得的高质量的多晶硅锭，以及利用所述多晶硅锭制备获得的多晶硅片，以及一种多晶硅铸锭用坩埚。

第一方面，本发明提供了多晶硅锭的制备方法，包括以下步骤：

在坩埚内壁设置一层厚度为2μm-1mm的碳层，然后在所述坩埚内设置熔融状态的硅料；

控制所述坩埚内的温度沿垂直与所述坩埚底部向上的方向逐渐上升形成温度梯度，使所述熔融状态的硅料开始结晶；

待全部结晶完后，经退火冷却得到多晶硅锭。

优选地，上述制备方法进一步包括，在所述碳层上喷涂制备一层氮化硅层，和/或在设置所述碳层之前，在所述坩埚内壁设置一层氮化硅层，所述氮化硅层的厚度为10μm-1mm。

本发明中碳层和氮化硅层的厚度可根据实际需要设定。

更优选地，所述氮化硅层的厚度为100μm-500μm。

优选地，所述碳层的厚度为50μm-500μm。

优选地，所述碳层为碳粉涂层，采用下述方式制备：将碳粉喷涂或刷涂在所述坩埚内壁或所述坩埚内壁的氮化硅层上，所述碳粉的颗粒粒径为100nm-1mm。

优选地，所述碳层为高分子化合物烧结碳层，采用下述方式制备：将高分子化合物涂覆在所述坩埚内壁或所述坩埚内壁的氮化硅层上，再在100℃-1200℃下烧结碳化。

优选地，所述高分子化合物为聚氨酯、聚丙烯酸酯、醇酸树脂、聚氯乙烯树脂或乙烯-醋酸乙烯共聚物。

优选地，所述高分子化合物烧结碳层的厚度为30μm～60μm。

硅锭中氧主要来源于坩埚，其次是硅料表面或者内部中的氧。其中，坩埚中的氧向硅锭/硅熔液中输送的方式主要有以下两种可能的方式：一种是由于坩埚内壁氮化硅涂层被破坏，硅液与坩埚直接反应：Si+SiO₂=SiO；反应生成的SiO部分以气体的形式进入硅液，部分保持气体的形式挥发出去；另一种是由于硅蒸汽与坩埚反应生成SiO，并部分进入硅液。

本发明通过在熔融硅与坩埚的间隔中引入碳层，从而阻隔坩埚中氧向硅锭/硅熔液中输送，降低硅锭中或硅锭局部中的氧含量，降低电池中硼氧对的浓度，降低衰减量，同时还可降低硅锭侧面及底面由于氧沉淀等导致的红区缺陷，提高硅片的质量，继而降低电池黑边的投诉。

当碳层表面未设置氮化硅层时，其阻隔原理为：硅与坩埚发生反应Si+SiO₂=SiO，碳与坩埚发生反应C+SiO₂=CO+SiO，继而CO+SiO=Si+CO₂，由于CO、CO₂在硅熔液中的溶解度小，因而加快以上反应并携带氧出去，降低氧浓度。

当碳层表面设置氮化硅层时，其阻隔原理为：由于氮化硅层与硅熔液的不浸润性，因此导致硅熔液无法进入碳层和坩埚表面，因此硅锭制备过程中只有硅蒸汽进入碳层，发生反应Si+C=SiC，从而阻隔了大部分硅蒸汽与坩埚的反应，同时氮化硅层也可阻隔生成的SiC进入硅熔液中；而少量穿透碳层的硅蒸汽与坩埚反应Si+SiO₂=SiO，生成的SiO从坩埚进入碳层后，继续发生反应C+SiO=Si+CO，由于CO气体在硅熔液中的低溶解度而大部分挥发出去。

而当氮化硅层局部破坏或存在孔洞时：硅与坩埚发生反应Si+SiO₂=SiO，碳与坩埚发生反应C+SiO₂=CO+SiO，继而CO+SiO=Si+CO₂，由于CO、CO₂在硅熔液中的溶解度小，因而加快以上反应并携带氧出去，降低氧浓度。