[发明专利]多晶硅锭及其制备方法和多晶硅片

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和多晶硅片。

背景技术

近年来，太阳能作为一种新兴的可再生绿色能源已经成为了人们开发和研究的热点。伴随着太阳能电池业的快速发展，成本低且适于规模化生产的多晶硅成为行业内最主要的光伏材料之一，并逐步取代传统的直拉单晶硅在太阳能电池材料市场中的主导地位。

目前，多晶硅锭的制备方法主要为采用GT Solar所提供的定向凝固系统法（简称DSS）炉晶体生长技术，该方法通常包括加热、熔化、凝固长晶、退火和冷却等步骤。在凝固长晶过程中，伴随着坩埚底部的持续冷却，熔融状态的硅料自发形成随机形核并且随机形核逐渐生长。但由于初始形核没有得到控制，形核过程中容易产生位错，导致晶向杂乱，晶粒不均匀，因此通过该方法制备得到的多晶硅锭质量较低。利用该多晶硅锭制得的太阳能电池的光电转换效率低。此外，日本学者FUJIWARA以及台湾学者蓝崇文提出利用枝晶生长铸锭的方法。其方法为在初始形核时提高过冷度，使得硅主要以枝晶方式生长，晶向控制为（110）以及（112），晶粒较大，一般为数厘米，并以狭长型为主，初始位错少，增殖也慢。但该方法存在以下缺陷：（1）不容易在大尺寸工业中生产；（2）枝晶生长快，不同的枝晶容易相互挤压，产生应力和缺陷；（3）晶粒过大，一旦大晶粒内部有位错，很容易在整个大晶粒内部扩展，并占据整个晶粒。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种多晶硅锭的制备方法，该制备方法能够有效利用微晶核生长大量细小晶粒，最终获得高质量的多晶硅锭，并且所使用的提供微晶核的微晶形核层材料尺寸不限，来源广泛，成本低，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。

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：

（1）在坩埚底部铺设微晶形核层，所述微晶形核层为微晶硅、无定形硅、微晶硅化物材料和无定形硅化物材料中的一种或几种；所述微晶形核层的厚度为第一高度值；

（2）在所述微晶形核层上方填装硅料，加热使所述硅料熔化形成硅熔体，待所述硅料完全熔化后形成的固液界面刚好处在或深入微晶形核层时，调节热场形成过冷状态，使所述硅熔体在微晶形核层基础上开始长晶；

（3）待全部硅熔体结晶完后，经退火冷却得到多晶硅锭。

本发明中，所述微晶形核层是指提供微晶或接近微晶形核点的材料层。

步骤（1）在坩埚底部设置微晶形核层。所述微晶形核层的材料即提供硅锭生长的微晶核的材料为微晶硅、无定形硅、微晶硅化物材料和无定形硅化物材料中的一种或几种。

所述微晶硅、无定形硅、微晶硅化物材料和无定形硅化物材料的铺设方式为随意铺设，无需人为地进行排布，所述微晶硅或无定形硅，以及微晶硅化物材料或无定形硅化物材料的尺寸不限。此外微晶硅或无定形硅，以及微晶硅化物材料或无定形硅化物材料的来源、形状不限。所述微晶硅或无定形硅，以及微晶硅化物材料或无定形硅化物材料的纯度为3N以上。

优选地，所述微晶硅化物材料或无定形硅化物材料为熔点高于硅熔点的硅化物材料。当微晶硅化物材料或无定形硅化物材料熔点高于硅熔点时，加热过程中，微晶形核层硅化物不会熔化，这就不会使硅熔体中引入杂质，从而能有效保证硅锭质量。

优选地，所述微晶硅化物材料为微晶玻璃或微晶陶瓷。

优选地，所述无定形硅化物材料为无定形玻璃或熔融石英。

优选地，所述微晶硅或无定形硅，以及微晶硅化物材料或无定形硅化物材料为棒状、块状、片状、条状或颗粒状。

优选地，所述无定形硅由西门子法、改良西门子法或流化床法制备得到。

微晶形核层的厚度即第一高度值不限，可根据实际情况确定。优选地，所述第一高度值为1～150mm。更优选地，所述第一高度值为5～150mm。进一步优选地，所述第一高度值为5～30mm。

当所述微晶形核层为熔点高于硅熔点的微晶硅化物材料或无定形硅化物材料或两者混合时，由于其熔点比硅高，因此在铸锭过程中，硅化物不会熔化，所以为避免不必要的浪费，铺设厚度可小一点。优选地，当微晶形核层为熔点高于硅熔点的微晶硅化物材料或无定形硅化物材料时，所述第一高度值为0.01～30mm。更优选地，当微晶形核层为熔点高于硅熔点的微晶硅化物材料或无定形硅化物材料时，所述第一高度值为0.1～1mm。

本发明所述的坩埚指容置多晶硅锭生长的容器，其形状和种类不限。