[发明专利]一种利用单晶硅籽晶诱导生长铸造单晶硅的方法及产品

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能硅材料技术领域，具体涉及一种利用单晶硅籽晶诱导生长铸造单晶硅的方法及产品。

背景技术

太阳能电池发电是最优的可持续能源利用形式。晶体硅目前是太阳能电池生产中应用最广泛的材料，太阳能电池晶体硅材料主要分为直拉单晶硅和铸造多晶硅。直拉单晶的缺陷较少，制备电池转换效率高，但是缺点很多，如：直拉法生产投料量小，生长周期长，能耗高；硅片中氧含量高，导致光衰减严重；圆形硅片在加工时需要切割导致材料浪费和电池面积损失。这些因素都增加了直拉法单晶电池的成本。而铸造多晶硅投料量大，生长过程简单周期短，可切割获得方形硅片，但是在生长过程中会产生大量缺陷，使得电池效率严重下降。

铸造单晶硅是将无位错的单晶硅作为籽晶铺满石英坩埚底部，化料时控制温度使籽晶部分熔化进而凝固时在单晶硅表面形核生长，然后定向凝固最终获得外观和电性能类似单晶的硅锭。铸造单晶硅同时具有直拉单晶硅与铸造多晶硅的优势：生长过程时间短，产量高，耗能低；方形硅片利于加工且减少浪费；氧含量低减少了光衰减；缺陷浓度大幅降低意味少子寿命和电池效率的增加。

近年来，基于多晶铸锭工艺的铸造类单晶工艺受到了广泛关注，见发明人之前的专利，公开号为CN101597787B的专利文献公开了一种在氮气下铸造氮浓度可控的掺氮单晶硅的方法，采用在氮气保护气氛下铸造单晶硅，使得氮在多晶硅铸造过程中掺入，通过控制氮气的压力和流量来调节氮的掺杂浓度，以未融化的部分无位错的单晶硅块作为籽晶，定向凝固铸造单晶硅，得到氮浓度可控的掺氮铸造单晶硅。公开号为CN101597788B的专利文献公开了一种在氮气下融化多晶硅制备掺氮铸造单晶硅的方法，通过在多晶硅融化阶段通入氮气与融硅反应的方式掺入氮，通过控制融硅时间来控制掺氮浓度，以未融化的部分无位错的单晶硅块作为籽晶，定向凝固铸造单晶硅，得到氮浓度可控的掺氮铸造单晶硅。本发明还公开了上述方法制得的掺氮铸造单晶硅，含有浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm³的硼、镓和磷，还含有浓度为1×10¹³～5×10¹⁵/cm³的氮。

然而，目前铸造单晶硅的制备及应用还存在很多问题，由于单晶硅籽晶需要铺满坩埚底部，所以单晶硅籽晶的用量较大，提高了生产成本。另外，铺设籽晶时多使用多块单晶籽晶铺设，籽晶间难以很好对准，导致定向凝固过程中产生大量亚晶界与微晶，这些缺陷作为位错源经过增殖使得铸造单晶电池良品率降低。更为重要的是，在定向凝固过程中，由于熔硅在坩埚侧壁的形核，使得生长出来的铸造单晶硅边缘形成多晶，此多晶区域面积占整个晶体的20%以上，降低了类单晶的比例，这样材料的利用率大幅度降低。所以，寻找一条有效的方法来降低铸造单晶硅的制造成本、提高类单晶的比例是非常必要的。

发明内容

本发明提供了一种采用单晶硅籽晶诱导生长铸造单晶硅的制备方法，通过热场控制利用一块单晶硅籽晶来制备铸造单晶硅。单块单晶硅籽晶的使用大幅度降低了籽晶的制备和材料成本，同时通过改进热场控制有效减少边缘多晶硅区域、提高类单晶的比例。

本发明公开了一种利用单籽晶诱导生长铸造单晶硅的方法，包括如下步骤：

（1）将一块无位错的单晶硅块放置在内表面有涂层的坩埚底部，再将多晶硅料置于单晶硅块上，加入电性掺杂剂，装炉；

所述的电性掺杂剂为硼、镓或磷；

（2）炉室内抽真空后通入高纯氩气，同时在对应单晶硅块底部的坩埚外部通入冷却水或冷却气体，然后将炉室内加热到1400℃以上，使得多晶硅料及电性掺杂剂完全融化呈液相，而单晶硅块未被完全融化呈固相；

（3）进一步增加单晶硅块底部的坩埚外部通入的冷却水或冷却气体的流量，并将炉体的保温罩打开，保证热场等温面呈球冠型分布，温度梯度为5～30℃/cm，定向凝固20～60h后，降温冷却，得到了所述的铸造单晶硅。

本发明的铸造单晶硅制备方法中仅仅使用了单块单晶硅籽晶，通过热场设计控制化料温度使得单晶硅籽晶部分融化，在定向凝固过程中单晶硅籽晶是唯一的形核源，球冠型固液界面向四周扩展并形成单晶区域。这种制备方法需要设计好热场，同时控制溶硅中的杂质含量。

在定向凝固过程中，始终保证坩埚底部中心的小块单晶硅籽晶部位温度最低，同时通过热场改进设计使得等温面呈球冠型分布，温度梯度为5～30℃/cm，进而获得呈球冠型的固液界面，最终形成全单晶的铸锭。