[发明专利]一种具有均匀细小晶粒的全熔高效锭的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有均匀细小晶粒的全熔高效锭的制备方法，属于多晶硅铸锭领域。

背景技术

目前，多晶硅锭的制备方法主要是利用GTSolar提供的定向凝固系统进行制备，该方法通常包括加热、熔化、长晶、退火和冷却等步骤。在凝固长晶过程中，通过对顶部温度和侧边保温罩开度进行控制，使得熔融硅液在坩埚底部获得足够的过冷度凝固结晶。但由于在长晶初期，坩埚底部属于各向同性结构，硅液结晶时初始形核不能得到有效控制，存在晶粒尺寸分布不均匀（从几十微米到十几厘米）、位错密度高、坩埚杂质扩散宽度大等问题，越来越难以满足市场对于高效率多晶硅片的需求；

针对常规铸锭方式所产生的多晶硅锭存在位错密度高、晶界多且无规则分布的问题，技术人员基于控制初始形核来控制硅锭内部位错产生和增殖的目的，开发了一种在坩埚底部铺设碎硅片等小尺寸硅料作为生长用籽晶，通过合理的熔化工艺控制使得坩埚底部铺设的籽晶层硅料不完全熔化，作为引晶源引晶形成晶粒细小且分布均匀的高效多晶硅片，大大降低了硅锭内部的位错密度，有效提升了多晶硅片的光电转换效率，高效多晶硅片的光电转换效率由普通多晶硅片的16.8%~17.0%的大幅提升到17.6%~17.8%之间，且作为籽晶的为碎硅料等低成本硅料，制造成本相较普通硅片仅略有提升，受到了市场的青睐，得到了全面的推广，其中最为出名的如台湾中美矽晶的A4+硅片、赛维的M3硅片、赛维的S2、S3硅片等；但存在以下缺点：1）半熔引晶生长工艺在熔化阶段，需要通过插高纯石英棒来控制硅料熔化高度，操作难度高；2）半熔引晶生长工艺由于在熔化阶段存在部分未熔化硅料，导致硅锭底部硅料凹凸不平整，且在侧面有气孔存在，难以打磨回收再利用，导致硅料损耗较大；3）半熔引晶生长工艺由于底部有未熔化硅料，导致单锭的硅料有效利用部分相较正常硅锭生产有明显降低，加工成本较高，不利于光伏平价上网目标的实现。

针对半熔高效铸锭过程中存在的一些问题，有厂家借鉴半熔高效铸锭的基本原理，提出了将具有一定颗粒度的石英砂铺在坩埚底部，利用石英砂自身间形成的孔隙使得坩埚底部具有各向异性的特点，达到控制形核提升硅锭光电转换效率的目的，此方法由于制作工艺简单，且对控制形核具有明显帮助，硅片光电转换效率可从普通铸锭的16.8%~17.0%大幅提升到17.6%~17.7%之间，同时无半熔高效硅料利用率低、操作难度大和回收料难处理等问题，受到了市场的关注和推广，但同时也存在的如下问题：

1、目前市场上高效坩埚底部铺设的形核源层一般为具有不规则形状的石英砂，由于石英砂自身结构不规则导致形核源层在坩埚底部铺设均匀度不高，因而虽可控制形核，但难以到达控制均匀形核的目的，不利用光电转换效率的进一步提升；

2、目前由于常规使用的高效坩埚，一般为在坩埚底部铺设的高纯石英砂上直接喷涂一层高纯氮化硅后，正常熔化长晶，但此过程为异质成核，形核所需驱动力相较同质成核明显增大，因而利用普通高效坩埚铸锭时一般会产生15%~20%光电转换效率在16.8%~17.0%的普通效率硅片，大大影响了高效硅片的产出，提升了光伏发电成本；

3、目前市场上流行的全熔高效铸锭方式，通常仅在坩埚底部增加一层形核源层，并未对铸锭工艺等作出较为明显的改善，因而导致全熔高效效率相较半熔高效仍略低于半熔，不能满足客户对于越来越高光电转换效率的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有均匀细小晶粒的全熔高效锭的制备方法，大大提高了硅锭底部细小晶粒的分布均匀性，硅锭内部位错密度大幅降低，硅片光电转换效率相较普通全熔高效多晶硅片效率明显提升0.2%以上，达到17.8%~18.0%，大大提升了长晶初期的晶体质量和降低了普通锭的产生比例，大大降低光伏发电产品的制造成本，提升了硅锭整体的晶体质量，所铸硅锭光电转换效率与半熔高效硅片效率相当。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种具有均匀细小晶粒的全熔高效锭的制备方法，其制备方法为：

1）先在石英坩埚底部刷涂一层粘结浆料，作为形核源层的粘结剂，防止形核源层在铸锭过程中脱落，所述石英坩埚外径d1为885~890mm，内径d2为845~850mm，高度h为480mm，石英坩埚自身纯度大于4N，所述粘结浆料为高纯石英砂料浆和高纯硅溶胶中的一种或两种的组合；

2）在刷涂好粘结剂的石英坩埚底部，铺设一层高纯微球状石英砂，作为形核源层，所述高纯微球状石英砂的粒径为40~100目；