[发明专利]制备铸造单晶硅的装置及方法

说明书

【技术领域】

本发明属于太阳能光伏技术领域，具体涉及一种制备铸造单晶硅的装置及方法。

【背景技术】

目前，应用最为普遍的太阳能电池材料是晶体硅材料，包括单晶硅和多晶硅材料，晶体硅太阳能电池最突出的特点是它的稳定高效性。

目前太阳能用单晶硅主要是通过直拉法(CZ法)制得的，具有低缺陷高效率的特点，并且可以通过碱制绒的方法形成金字塔型的织构，提高对光的吸收，从而提高转化效率。但同时单晶硅也存在生产成本较高的缺点。多晶硅主要通过定向凝固(铸造)的方法获得，其以生产成本较低的优势占领了一半以上的太阳能光伏市场。但多晶硅中存在大量的位错和晶界，它们和杂质作用会在硅中引入深能级降低少数载流子的扩散长度从而降低多晶硅太阳能电池的转换效率。另外，由于多晶硅中存在多个晶粒取向，高效碱制绒方法不适用于多晶硅片，以上因素使得多晶硅电池的转换效率要比单晶硅电池低1-2个百分点。同时由于多晶硅中含有大量的晶界和位错，导致机械强度较单晶硅要低，使多晶硅片在生产、加工、电池制备和组件组装过程中容易破碎，增加生产成本。目前，铸造单晶硅将单晶硅太能电池片转换效率高、机械强度高的优点与铸造生产成本低的优点结合起来，成为研究的重点。

目前，BP Solar公司申请了利用铸造法生产单晶硅的专利申请(申请号：200780002763.8)，其基本思想是在坩埚的底部加入籽晶，再在籽晶的上面装填硅料，在硅原料熔化的过程中，控制籽晶的熔化，是籽晶或者籽晶的一部分始终保持固态，在冷却的过程中，准单晶沿着籽晶的晶向结晶，这种方法生产的晶体的缺陷密度较低，由这种准单晶制造的太阳能电池的性能也得到了提高。但这种方法需要加入额外的单晶籽晶，直接增加了铸造法的生产成本；同时，这种方法的熔化方式也对坩埚内部的涂层提出了更高的要求，间接的增加了生产成本。

因此，需要进一步开发使用定向凝固法制备铸造单晶硅的装置和工艺，降低生产成本。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种生产成本较低的制备铸造单晶硅的装置及制备方法。

一种制备铸造单晶硅的装置，包括炉体、引晶组件、气体导流筒、安装在所述炉体中的隔热组件、放置在所述隔热组件内的坩埚及加热器，所述气体导流筒的一端穿插于所述隔热组件，所述气体导流筒的另一端延伸至所述炉体外，所述引晶组件包括用于夹持籽晶的夹持头及用于驱动所述夹持头的驱动件，所述夹持头位于所述坩埚的上方。

在优选的实施例中，所述引晶组件还包括连杆，所述驱动件安装在所述隔热组件或所述炉体上，所述连杆连接所述夹持头及所述驱动件。

在优选的实施例中，所述制备铸造单晶硅的装置还包括提升组件及悬挂组件，所述隔热组件包括环绕所述坩埚四周的侧隔热笼、分别设置于所述侧隔热笼两端的下隔热板及顶隔热板，所述下隔热板与所述炉体固接，所述顶隔热板通过所述悬挂组件固定至所述炉体，所述侧隔热笼通过所述提升组件连接至炉体，所述提升组件驱动所述侧隔热笼朝远离下隔热板的方向运动，使所述侧隔热笼与所述下隔热板之间形成散热通道。

在优选的实施例中，所述制备铸造单晶硅的装置还包括用于监测所述坩埚内收容的单晶硅的生长状况的监测器。

在优选的实施例中，所述监测器为红外高温计或摄像机。

在优选的实施例中，所述加热器有顶加热器、侧加热器或底部加热器，各部分独立控温。

一种采用上述制备铸造单晶硅的装置的制备铸造单晶硅的方法，包括以下步骤：步骤一、将籽晶夹持在所述引晶组件的夹持头上；步骤二、将多晶硅料及掺杂剂放置于坩埚内；步骤三、加热坩埚，使多晶硅料及所述掺杂剂完全融化形成硅液；步骤四、驱动件驱动夹持头相对坩埚移动并使夹持在夹持头上的籽晶与硅液接触，对籽晶依次进行浸润、缩颈及放肩工艺处理；步骤五、当放肩得到的单晶硅的外边缘接近坩埚的内壁时，驱动件所形成的单晶硅相对坩埚移动使所述单晶硅沉入所述坩埚底部；步骤六、降低硅液的温度使硅液沿所形成的单晶硅定向凝固生长，经退火冷却后得到与所述籽晶的晶向相同的铸造单晶硅。

在优选的实施例中，所述掺杂剂与所述籽晶中含有的掺杂剂类型相同。

在优选的实施例中，所述步骤三至步骤六是在真空或惰性气氛下进行。

上述制备铸造单晶硅的装置及制备铸造单晶硅的方法，通过设置引晶组件，夹持头夹持籽晶进行浸润、缩颈及放肩工艺处理，当经过放肩得到的单晶硅的边缘接近坩埚的内壁时，驱动件驱动夹持头相坩埚移动使单晶硅坩埚底部，降低硅液的温度使硅液沿得到的单晶硅定向凝固生长即可得到与籽晶的晶向相同的铸造单晶硅，该制备铸造单晶硅的方法仅需要一个籽晶，生产成本较低。