[发明专利]一种定向凝固法准单晶硅生长炉及准单晶硅的生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造太阳能级准单晶硅铸锭的准单晶硅生长炉及准单晶硅的生长方法,尤其涉及一种定向凝固法准单晶硅生长炉及准单晶硅的生长方法。

背景技术

光伏电池可以将太阳能转化为电能，而它的最重要特征之一是其转化效率。虽然很多半导体材料可以用于生产光伏电池，但硅材料由于其适中的成本、合适的电学、物理学和化学性质，广泛应用于光伏电池的制造。由于铸造多晶硅的制备工艺相对简单，成本远低于单晶硅，目前已经成为太阳光伏电池的主流产品。但相对于直拉单晶硅而言，铸造多晶硅有较高的杂质、缺陷和晶界，使得多晶硅电池的转换效率比单晶硅低1-2％ (绝对效率)，可见硅锭质量对电池效率有着直接影响，这也限制了铸造多晶硅的进一步发展。

目前太阳光伏行业广泛使用的多晶硅铸锭技术是定向凝固法（DSS）。该方法是坩埚上方和侧面装有加热器，坩埚底部是安装散热部件，硅料在平底石英坩埚中融化后打开侧壁隔热笼进行原位定向凝固。熔融硅首先在石英坩埚底部异质形核，形成很多具有不同晶向的单晶硅晶粒，通过控制轴向和径向温度梯度，尽量控制固液界面水平并略凸，利用不同晶向晶粒的生长速率差异，择优生长出大晶粒铸锭多晶硅。因为初始成核是发生在石英坩埚底部的无籽晶随机过程，因此晶粒大小和晶向均无法人为控制，多晶硅柱状晶粒的大小和分布完全决定于初始形核。这使得“类单晶”或“准单晶”生长技术应运而生。

利用现有多晶硅铸锭炉生长准单晶或大晶粒硅锭已有很多种尝试，大多是通过在石英坩埚底部铺上多块单晶籽晶来生长“类单晶”或“准单晶”，而籽晶通常是将6寸或8寸的单晶硅棒横向或纵向截断形成的厚为2-5 cm的硅块。众多科研机构和厂家已经在类单晶铸造方面进行了深入研究，并申请了相关专利，如BP Solar，浙江大学硅材料实验室，晶澳，煜辉，LDK 等。各个厂家对此技术的称谓不同，有“准单晶”、“类单晶”、“近单晶”等。此技术在光伏行业前景光明，已进入批量中试阶段。

中国专利（专利号201110300537.6）公开了一种单晶铸锭用大面积籽晶的制备方法和设备，该发明虽然解决了铸造单晶所必需的大面积籽晶的难题，但该方法需要利用切割的单晶硅块作为籽晶，并利用水平定向凝固法生长出大面积单晶硅平板，增加了生产成本的同时，也受制于水平定向凝固技术。中国专利（专利号201210058375.4）公开了一种用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，该发明利用单晶硅切方锭过程中切除的边角料作为籽晶，铺设于石英坩埚底部，利用定向凝固炉生长准单晶铸锭。此设计虽然实现了准单晶硅生长，但坩埚底部散热无法实现主动控制，影响功耗的同时，准单晶质量也无法保证。美国专利（专利号US2013/0213297A1）公开了一种利用籽晶生长铸锭硅的炉体和生长方法，该发明在石英坩埚底部中心区铺设籽晶，并在底部散热块中心区域留有凹槽，以加强该区域散热，达到保护籽晶不被熔融、并使籽晶处优先生长的目的。但底部散热块的设计是被动散热，很难主动控制该区域散热，容易造成籽晶全部熔化，后期生长过程也难于控制。中国专利（专利号201210583938.1）公开了一种制备准单晶硅的铸锭炉及制备准单晶硅的方法，该发明虽然通过使用特殊的热交换装置，用气体换热的方式替代传统的隔热笼换热方式，控制籽晶温度，但热交换装置的流道设计无法实现气体的均匀分配，容易造成坩埚底部散热不均，固液界面形状过凸等问题。中国专利（专利号201120040603.6）和中国专利（专利号201120379783.0）公开了一种用于多晶铸锭炉的气体冷却装置，该发明通过在热场底部增加一个主动散热的气体冷却装置，并通过调节通入装置内的气体流量控制主动散热幅度，但气体流道设计同样无法实现坩埚底部的均匀冷却，气体进口处冷却量过大，而远离进口处又得不到有效冷却，造成固液界面形状不规则，不利于准单晶硅的生长。美国专利（专利号US2013/0193559A1）公开了一种定向凝固法生长铸锭硅的设备和方法，该发明将多块方形单晶硅籽晶铺设于石英坩埚底部，从而利用定向凝固法生长准单晶，但该方法容易造成籽晶在熔料过程中熔融，并且浪费大量单晶硅籽晶，大大增加了生产成本。中国专利（专利号201110083260.6）公开了一种单晶硅铸锭的生产方法，该方法利用底部为圆锥形的石英坩埚，将籽晶按照相同晶向放置于坩埚底部的籽晶槽中，采用坩埚下降法促使硅熔体由底部向上定向凝固，由未熔化的籽晶诱导准单晶的生长，最终形成单晶硅铸锭。该方法仅适用于小型铸锭硅的生长，对于大型铸锭硅，该方法很难控制籽晶不被熔融，并且轴向和径向的温度梯度也难于控制。中国专利（专利号201120254245.9）公开了一种坩埚，该发明在传统定向凝固法石英坩埚底部中心处开有倒圆锥形的槽口，以提高该位置的热导率，使该位置形成适宜的过冷度而生成硅孪晶结构，并且以此孪晶结构作为籽晶来实现整个硅熔体的定向凝固，得到高质量的多晶硅锭。但该方法只有石英坩埚中间一小块区域，即使实现了增加该区域过冷度的目的，对于大尺寸铸锭来说，也很难扩展到整个坩埚底部。