[发明专利]一种铸造单晶硅的制备方法

说明书

本发明公开了一种铸造单晶硅的制备方法，该制备方法包括以下步骤：在石英坩埚底部中心放置一块单晶硅籽晶，装入硅原料和母合金；对石英坩埚进行加热，使硅原料和母合金完全熔化，单晶硅籽晶部分熔化，进入长晶阶段；控制硅熔体的横向温度梯度和纵向温度梯度，使晶体从单晶硅籽晶和硅熔体的接触面向四周及向上生长，得到铸造单晶硅锭。本发明制备方法具有工艺简单、易操作、成本低廉、单晶硅籽晶用量小、单晶率高、位错率低等优点，适合于大规模制备，利用工业化生产，有着很好的应用价值和应用前景。

技术领域

本发明属于太阳能电池用晶体硅制备领域，涉及一种铸造单晶硅的制备方法。

背景技术

在太阳能光伏领域，普遍采用定向凝固的方法生产多晶硅铸锭，随着铸锭技术的发展和光伏市场需求的变化，采用定向凝固的方法生产铸造单晶硅已经成为新一代的技术。铸造单晶硅结合了多晶硅铸锭和直拉单晶硅的优点，具有低成本、高效率的优势。常规铸造单晶硅的制备方法是在坩埚底部铺设多块（100）晶面的单晶硅块籽晶，通过控制熔化过程使籽晶部分熔化，进而以未熔化的籽晶为基体，生长出铸造单晶硅锭。然而，常规铸造单晶硅的制备技术存在的主要问题有：（1）单晶硅籽晶是从直拉单晶圆棒经过加工得到，加工过程损耗较大，且易造成籽晶的损伤；（2）在坩埚底部铺设多块单晶硅籽晶，原料用量大，原料成本高，且铺设多块单晶硅籽晶时容易导致拼缝不严密、籽晶间侧边接触面的晶向存在偏差，从而造成铸造单晶硅具有较高的位错密度和孪晶界，导致晶体出现大量的位错和栾晶，相比直拉单晶硅的质量存在较大的差距；（3）在定向凝固生长过程中，坩埚侧壁形核、热场不均和异质成核，容易导致硅锭的单晶部分面积较小，从而造成单晶率低。上述问题的存在严重影响了铸造单晶硅的产品质量，严重限制其推广应用。

中国专利文献（公开号为CN 104131332 A）公开了一种籽晶的铺设方法，用于铸造准单晶硅片。通过在单晶硅籽晶之间留有缝隙，缝隙中填充一个异向籽晶的方法，使位错以及位错的增殖优先产生在异向籽晶中，从而减少单晶铸锭中产生位错的几率，但是该专利技术局限性大、操作难度大，不能有效解决问题。中国专利文献（公开号为CN 103526278 A）公开了一种铸造单晶硅的方法，采用局部凝固方法得到初始晶核，采用诱导生长和转向生长和熔化初始晶核的方法得到籽晶，通过逐步扩大凝固区域，使籽晶长大并覆盖坩埚底部，最后让籽晶生长转变为定向凝固，制备出错位密度较低的单晶硅锭，但是这种方法不能保证初始晶核的晶向一致。由此可见，现有工艺中还存在局限性大、操作难度大、不能保证初始晶核的晶向一致等问题，这些问题的存在也使得现有单晶硅锭的制备技术难以被广泛使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、易操作、成本低廉、单晶硅籽晶用量小、单晶率高、位错率低的铸造单晶硅的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种铸造单晶硅的制备方法，包括以下步骤：

（1）在石英坩埚底部中心放置一块单晶硅籽晶，装入硅原料和母合金；

（2）将步骤（1）中装有单晶硅籽晶、硅原料和母合金的石英坩埚进行加热，使硅原料和母合金完全熔化，单晶硅籽晶部分熔化，进入长晶阶段；

（3）进入长晶阶段后控制硅熔体的横向温度梯度和纵向温度梯度，使晶体从单晶硅籽晶和硅熔体的接触面向四周及向上生长，得到铸造单晶硅锭。

上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤（1）中，所述单晶硅籽晶的（001）晶向朝上。

上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤（1）中，所述单晶硅籽晶的径向尺寸为100mm～1000mm；所述单晶硅籽晶的高度为10mm～200mm。

上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤（1）中，所述单晶硅籽晶的形状为长方体、正方体或圆柱体。