[發(fā)明專利]低碳準(zhǔn)單晶鑄錠爐及應(yīng)用該鑄錠爐進(jìn)行鑄錠的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210194736.8
• 申請日: 2012-06-14
• 公開（公告）號: CN102703969A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅大偉;路忠林;林洪峰;盛雯婷;張鳳鳴
• 申請（專利權(quán)）人: 天威新能源控股有限公司;保定天威集團(tuán)有限公司
• 主分類號: C30B11/00
• 分類號: C30B11/00;C30B28/06;C30B29/06;H01L31/18
• 代理公司: 成都行之專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51220
• 代理人: 譚新民;謝敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到一種鑄錠爐及其鑄錠方法，特別是涉及到一種低碳準(zhǔn)單晶鑄錠爐及應(yīng)用該鑄錠爐進(jìn)行鑄錠的方法。

背景技術(shù)

目前晶體硅太陽電池憑借其電池的高效穩(wěn)定一直占據(jù)著太陽電池市場的。其中單晶硅太陽電池具有低缺陷、高轉(zhuǎn)換效率等特點，特別是堿制絨方法形成的金字塔型織構(gòu)化表面大大加強了光的吸收，提高了轉(zhuǎn)換效率。目前，單晶硅電池片大規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)18%。但是該方法對原料及操作要求高，且單次投料少，產(chǎn)品成本較高。對于摻硼單晶，由于坩堝中氧的引入，使得單晶太陽能電池衰減較大。而多晶硅主要是采用定向凝固方法制得，單次投料量大，具有易操作、低成體等特點，但在傳統(tǒng)的鑄錠條件下，由于鑄造多晶硅中存在大量的晶界和位錯，它們能在硅禁帶中引入深能級，成為光生少數(shù)載流子的有效復(fù)合中心，同時鑄造多晶硅由于各晶粒晶向不一，不能采用各向異性的堿制絨方法進(jìn)行表面處理，而各向同性的酸制絨方式則很難達(dá)到同樣的效果，使得多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率較單晶硅電池約低1.?5～2%。為了能夠?qū)尉Ч枧c多晶硅的優(yōu)勢集中體現(xiàn)出來，準(zhǔn)單晶鑄造技術(shù)應(yīng)運而生，由于準(zhǔn)單晶鑄錠既具有單晶的高轉(zhuǎn)換效率又具有多晶硅地制造成本的特點，目前準(zhǔn)單晶太陽電池已成為太陽電池行業(yè)中的主流產(chǎn)品。

準(zhǔn)單晶鑄造技術(shù)是最早由美國的BP?SOLAR公司提出的（專利US2007/0169684A1），目前準(zhǔn)單晶鑄錠制備工藝如下：按配料、裝料、將裝料坩堝放入定向凝固爐中加熱熔融、晶體生長、退火、冷卻工序生產(chǎn)得到，與傳統(tǒng)的多晶硅鑄造所不同的是在坩堝底部放入了籽晶，在融化階段控制籽晶的融化，讓部分籽晶融化，然后開始長晶。生長出的準(zhǔn)單晶鑄錠按照晶粒分布可以分為三個區(qū)域，如圖1所示，中間區(qū)域C為表面大晶粒面積為100%，此區(qū)域的硅片可視為準(zhǔn)單晶硅片，約占整個鑄錠的35%至40%左右；鑄錠周圍與坩堝接觸的區(qū)域為B區(qū)，硅片表面大晶粒約占硅片的50%至70%，此區(qū)域的的硅片可視為優(yōu)質(zhì)的多晶硅硅片，占硅錠的比例在45%至50%左右；鑄錠的四個角落區(qū)域為A區(qū)，硅片表面大晶粒面積小于50%左右，次區(qū)域的硅片為普通的多晶硅硅片，約占整個鑄錠的10%至20%。由于目前用于準(zhǔn)單晶的鑄錠爐基本上與傳統(tǒng)的多晶硅鑄錠爐相同，因此在準(zhǔn)單晶鑄錠中普遍存在碳含量偏高的問題。這是因為在鑄造多晶硅生產(chǎn)過程中不可避免的會受到爐體內(nèi)部環(huán)境的污染，硅中碳的來源主要有以下幾個來源：①高純硅，這是多晶硅中碳的主要來源；②石墨部件的粉塵；③真空系統(tǒng)中的油脂和密封材料中的易揮發(fā)碳化物；④多晶硅制造氣氛中的碳?xì)浠衔镂廴荆虎菔考c氧和石英坩堝等的反應(yīng)產(chǎn)物。其中最主要的原因就是由于石墨材料制成的護(hù)板，底板以及隔熱籠等會與一氧化硅制成的石英坩堝在高溫下發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生含碳?xì)怏w，如一氧化碳及一氧化碳等，這些產(chǎn)生的氣體在現(xiàn)有的石英坩堝及護(hù)板、蓋板的結(jié)構(gòu)中，會流經(jīng)硅液的表面，從而使碳元素被吸附及溶入硅液中，從而造成生長出的硅錠中的碳含量高。準(zhǔn)單晶產(chǎn)生碳污染的原因有以下兩種方式：氣相污染和灰塵粒子污染。

（1）隨著定向凝固的進(jìn)行，坩堝內(nèi)部的凝固界面逐漸向上移動，由于C在硅中具有很小的分凝系數(shù)液體硅中的C含量隨著凝固的進(jìn)行時逐漸增加的，當(dāng)C的含量超過了它在硅中的最大溶解度時，在定向凝固過程中雜質(zhì)C將以SiC顆粒的形式析出。反應(yīng)方程式如方程所示

因此替位C的數(shù)量減少同時在熔體中形成了SiC顆粒。SiC也分為兩類α相(六邊形),β相(立方體),?SiC的密度為3.22?g/cm3。C在固體硅中的溶解度為3ppm-3.85ppm，K0?值為0.058-0.07，C在液體硅Si（熔點）中的溶解度為40ppm+10ppm。結(jié)晶前對硅熔體中的初始C含量進(jìn)行了測量，大約為10－43ppm，因此在1500℃左右時，對于所有的液體硅樣品C含量都低于C在硅中的溶解度極限。爐體內(nèi)氣體中會存在CO氣體，由于二氧化硅與石墨以及一氧化硅與石墨之間的反應(yīng)。CO在到達(dá)熔體表面時需要經(jīng)過一個氣體保護(hù)層，一旦擴散進(jìn)熔體還有一個液體邊界層，液體邊界層內(nèi)的C含量比熔體內(nèi)的含量高，C在熔體中的傳輸系數(shù)對于在大塊硅體內(nèi)的傳輸很重要。爐體內(nèi)CO與硅熔體的相互作用分為三個步驟：（a）氣體邊界層內(nèi)的傳輸；(b)?反應(yīng)；(c)?溶質(zhì)邊界層內(nèi)的傳輸。然而CO與熔體的作用程度不清楚，有可能受以下環(huán)節(jié)控制：氣相中的傳輸，石墨元件向大氣中的傳輸以及氣相邊界層內(nèi)的傳輸，但CO交互作用相對于系統(tǒng)是比較慢的。

（2）爐中使用很多的石墨元件例如隔熱器，加熱元件和支撐元件反應(yīng)方程：