多晶硅锭的制备方法、多晶硅铸锭炉及硅片.pdf

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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410659691.6 (22)申请日 2014.11.18 C30B 28/06(2006.01) C30B 29/06(2006.01) (71)申请人保利协鑫（苏州）新能源运营管理有 限公司 地址 215028 江苏省苏州市工业园区圆融时 代广场国际金融中心19楼 (72)发明人孟召标 张凤 汪晨 (74)专利代理机构广州华进联合专利商标代理 有限公司 44224 代理人唐清凯 (54) 发明名称 多晶硅锭的制备方法、多晶硅铸锭炉及硅片 (57) 摘要 本发明涉及一种多晶硅锭的制备方法，包括 以下步骤：在坩埚内设置熔融状态的硅。

2、料，其中 所述坩埚的内底面为相对水平方向倾斜设置的斜 面，所述坩埚的底部的厚度在水平方向上逐步增 大；控制长晶时的热场，使横向温度梯度大于纵 向温度梯度，使硅料沿水平方向或与竖直方向呈 锐角的方向生长。硅锭生长过程中，由于固液界面 不垂直于坩埚轴向(即竖直方向)，可以减少硅锭 中的小角度晶界，有利于在高位错密度形成前，将 位错密度长出晶体之外。因此，后续可以切割得到 低晶界密度和低位错密度的硅片，提升硅片的转 换效率。此外，还提出一种可实施上述方法的多晶 硅铸锭炉。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 (10。

3、)申请公布号 CN 104372404 A (43)申请公布日 2015.02.25 CN 104372404 A 1/1页 2 1.一种多晶硅锭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 在坩埚内设置熔融状态的硅料，其中所述坩埚的内底面为相对水平方向倾斜设置的斜 面，所述坩埚的底部的厚度在水平方向上逐步增大； 控制长晶时的热场，使横向温度梯度大于纵向温度梯度，使硅料沿水平方向或与竖直 方向呈锐角的方向生长。 2.根据权利要求1所述的多晶硅锭的制备方法，其特征在于，所述控制长晶时的热场， 使横向温度梯度大于纵向温度梯度，使硅料沿水平方向或与竖直方向有夹角的方向生长的 步骤中： 使隔热笼靠近所述坩埚。

4、的底部最薄处的一面先单独上升； 在预定时间后，再使隔热笼的其他部分一起上升。 3.一种多晶硅铸锭炉，包括炉体、置于炉体内的隔热笼、隔热顶板、隔热底板，位于隔热 笼内的热交换台、位于热交换台上的坩埚，置于隔热笼内的顶加热器和侧加热器，所述隔热 笼相对于所述隔热底板和升降，其特征在于，所述坩埚的内底面为相对水平方向倾斜设置 的斜面，所述坩埚的底部的厚度在水平方向上逐步增大，隔热笼靠近所述坩埚的底部最薄 处的一面相对于隔热笼的剩余部分可独立运动。 4.根据权利要求3所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于，所述隔热笼靠近所述坩埚的底 部最薄处的一面的热导率大于隔热笼剩余部分的热导率。 5.根据权利要求3所述的。

5、多晶硅铸锭炉，其特征在于，所述坩埚的四个内侧面中，临近 所述坩埚的底部最薄处的坩埚内侧面上涂有形核促进层。 6.根据权利要求5所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于，所述坩埚设置形核促进层的内 侧面的热导率大于坩埚其余各面的热导率。 7.根据权利要求5所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于，所述侧加热器为三面加热，所述 侧加热器自坩埚除设置形核促进层以外的其他侧面进行加热。 8.根据权利要求3所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于，所述坩埚的内底面的倾斜角度 为520。 9.根据权利要求3所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于，所述坩埚的四周设有侧护板，所 述侧护板临近所述坩埚的底部最薄处的一面的热导率大于侧护板其他三面的热。

6、导率。 10.一种硅片，其特征在于，所述硅片由权利要求1或2所述的方法制得的多晶硅锭切 割而成。 权 利 要 求 书CN 104372404 A 1/5页 3 多晶硅锭的制备方法、 多晶硅铸锭炉及硅片 技术领域 0001 本发明涉及太阳能光伏材料制备领域，具体涉及一种多晶硅锭的制备方法、多晶 硅铸锭炉及硅片。 背景技术 0002 目前晶硅电池占据光伏发电市场的90以上市场份额，其中基于多晶硅片做衬底 的多晶电池占据了晶硅电池的70左右的市场份额。固体硅料投入铸锭炉的坩埚内，通过 石墨电阻或感应加热，将硅料熔化，然后通过铸锭热场构造的温度梯度，从底部向上进行竖 直方向的长晶，再经过退火、冷却制备。

7、多晶硅锭。多晶硅锭经过开方工序加工成小方锭后， 再通过多线切片设备沿着平行或垂直晶体生长方向切割成多晶硅片。光伏发电若要大规模 的应用，必须提高发电效率和降低发电成本。目前，铸锭多晶硅片相对于直拉单晶硅片而 言，具有绝对的成本优势，所以通过多晶硅片质量的提高，进而提升多晶电池效率就显得尤 为重要。 0003 目前的高效多晶硅锭，主要是通过成核促进层诱发长晶，成核促进层可以是碎硅 料、单晶硅方棒或其它熔点1400固体颗粒，诱发成核后晶粒沿着竖直方向向上生长。多 晶硅锭开方成小方锭，再沿着平行或垂直晶体生长方向切割成多晶硅片。但这种方法仅能 通过增加晶界数量抑制初始位错密度，并不能有效减少后期晶粒。

8、竖直向上生长过程的位错 增殖，再加上过多的晶界，如图1的PL照片所示，限制了此类方法制备高效多晶效率的继续 提升。 发明内容 0004 基于此，有必要提供一种能提升多晶硅片转化效率的多晶硅锭的制备方法。 0005 一种多晶硅锭的制备方法，包括以下步骤：在坩埚内设置熔融状态的硅料，其中所 述坩埚的内底面为相对水平方向倾斜设置的斜面，所述坩埚的底部的厚度在水平方向上逐 步增大；控制长晶时的热场，使横向温度梯度大于纵向温度梯度，使硅料沿水平方向或与竖 直方向呈锐角的方向生长。 0006 在其中一个实施例中，所述控制长晶时的热场，使横向温度梯度大于纵向温度梯 度，使硅料沿水平方向或与竖直方向有夹角的方。

9、向生长的步骤中：使隔热笼靠近所述坩埚 的底部最薄处的一面先单独上升；在预定时间后，再使隔热笼的其他部分一起上升。 0007 还提出一种多晶硅铸锭炉，包括炉体、置于炉体内的隔热笼、隔热顶板、隔热底板， 位于隔热笼内的热交换台、位于热交换台上的坩埚，置于隔热笼内的顶加热器和侧加热器， 所述隔热笼相对于所述隔热底板和升降，所述坩埚的内底面为相对水平方向倾斜设置的斜 面，所述坩埚的底部的厚度在水平方向上逐步增大，隔热笼靠近所述坩埚的底部最薄处的 一面相对于隔热笼的剩余部分可独立运动。 0008 在其中一个实施例中，所述隔热笼靠近所述坩埚的底部最薄处的一面的热导率大 于隔热笼剩余部分的热导率。 说 明 。

10、书CN 104372404 A 2/5页 4 0009 在其中一个实施例中，所述坩埚的四个内侧面中，临近所述坩埚的底部最薄处的 坩埚内侧面上涂有形核促进层。 0010 在其中一个实施例中，所述坩埚设置形核促进层的内侧面的热导率大于坩埚其余 各面的热导率。 0011 在其中一个实施例中，所述侧加热器为三面加热，所述侧加热器自坩埚除设置形 核促进层以外的其他侧面进行加热。 0012 在其中一个实施例中，所述坩埚的内底面的倾斜角度为520。 0013 在其中一个实施例中，所述坩埚的四周设有侧护板，所述侧护板临近所述坩埚的 底部最薄处的一面的热导率大于侧护板其他三面的热导率。 0014 还提出一种硅片。

11、，所述硅片由前述任一项所述的方法制得的多晶硅锭切割而成。 0015 上述多晶硅锭的制备方法，通过控制热场，使横向温度梯度大于纵向温度梯度，使 晶粒沿水平方向或与竖直方向呈锐角的方向生长，硅锭生长过程中，由于固液界面不垂直 于坩埚轴向(即竖直方向)，可以减少硅锭中的小角度晶界，有利于在高位错密度形成前， 将位错密度长出晶体之外。因此，后续可以切割得到低晶界密度和低位错密度的硅片，提升 硅片的转换效率。 0016 上述多晶硅铸锭炉，使用时可通过控制隔热笼的运动，结合坩埚、侧护板、加热器， 制造出横向温度梯度大于纵向温度梯度的热场，使晶粒沿水平方向或与竖直方向呈锐角的 方向生长，后续可以切割得到低晶。

12、界密度和低位错密度的硅片，提升硅片的转换效率。 0017 上述硅片，由前述的方法制得的多晶硅锭切割制得，晶界密度低，及位错密度低。 附图说明 0018 图1为传统方法的硅片的PL照片； 0019 图2为多晶硅锭的制备方法的流程图； 0020 图3为多晶硅铸锭炉的示意图； 0021 图4为坩埚的示意图； 0022 图5为实施例一制得的硅片的PL照片； 0023 图6为实施例三制得的硅片的PL照片。 具体实 施方式 0024 请参考图2，本发明提供一种多晶硅锭的制备方法，包括以下步骤。 0025 步骤S110、在坩埚内设置熔融状态的硅料，其中所述坩埚的内底面为相对水平方 向倾斜设置的斜面，所述坩埚。

13、的底部的厚度在水平方向上逐步增大。坩埚的内底面倾斜一 定角度，角度范围为520。这样，坩埚的底部厚度不一致，在水平方向上逐步增大，以 使后续液态硅料长晶时晶粒水平或倾斜生长。 0026 在坩埚内设置熔融状态的硅料少可以通过以下几种方式获得。 0027 方式一：在坩埚内装载固体硅料；对所述坩埚进行加热使得固体硅料熔融。方式 二：在另一个坩埚中加热固体硅料，制得熔融状态的硅料，然后将熔融状态的硅料浇注至长 晶所用的坩埚内。 0028 步骤S120、控制长晶时的热场，使横向温度梯度大于纵向温度梯度，使硅料沿水平 说 明 书CN 104372404 A 3/5页 5 方向或与竖直方向呈锐角的方向生长。。

14、 0029 本步骤中，采取如下方式获得横向温度梯度大于纵向温度梯度的热场：使多晶硅 铸锭炉的隔热笼靠近坩埚的底部最薄处的一面先单独上升；在预设时间后，再使隔热笼的 其他部分一起上升。传统的隔热笼控制方式是整体相对于隔热底板上升，获得纵向的温度 梯度。而本步骤中，使隔热笼靠近坩埚底部最薄处的一面先单独上升，再使隔热笼其他部分 一起上升，这样，硅料自坩埚的一侧开始沿水平或与竖直方向呈锐角的方向长晶。 0030 在硅锭生长过程中，由于固液界面不垂直于坩埚轴向(即竖直方向)，可以减少硅 锭中的小角度晶界，有利于在高位错密度形成前，将位错密度长出晶体之外。制得硅锭后， 先沿着竖直方向将硅锭加工成小方锭，。

15、再沿着水平方向将小方锭切割成硅片，可以得到低 晶界密度和低位错密度的硅片。 0031 请参考图3和图4，本发明还提供一种可实施上述方法的多晶硅铸锭炉100，其包 括炉体110、置于炉体110内的隔热笼120、隔热顶板130、隔热底板140，位于隔热笼内120 的热交换台150、位于热交换台150上的坩埚160，置于隔热笼内120内的加热器170，及位 于坩埚160四周的侧护板180和坩埚160底部的底护板190。 0032 坩埚160的内底面倾斜设置，倾斜角度为520，使坩埚160的底部在水平方 向上厚度不一致。加热器170包括自坩埚160顶部对坩埚160进行加热的顶加热器172和 自侧部对坩。

16、埚160进行加热的侧加热器174。 0033 隔热笼120可相对于隔热底板140升降。硅料加热熔化阶段，隔热笼120与隔热顶 板130、隔热底板140共同形成封闭空腔。长晶阶段，隔热笼120则会相对于隔热底板140 上升。 0034 传统的隔热笼，相对于隔热底板为整体升降。本发明中，隔热笼120靠近坩埚160 的底部最薄处的第一面122与隔热笼120的其他三面的上下运动可以分开控制。也即，隔 热笼120靠近坩埚160的底部最薄处的第一面122相对于隔热笼120的剩余部分可独立运 动。使用两套驱动机构分别控制隔热笼120的两部分即可实现两部分可分开控制运动的目 的。 0035 长晶时隔热笼120。

17、的控制方式为：先使可独立运动的一面单独相对于隔热底板 140上升，由于坩埚160的底部厚度在水平方向上(图3中沿远离第一面122的方向)逐渐 增加，获得了较大横向的温度梯度；经过预定时间后，再使其他三面整体上升，获得纵向温 度梯度，横向的温度梯度大于纵向温度梯度。这样，硅料自坩埚的一侧开始沿水平或与竖直 方向呈锐角的方向长晶。在硅锭生长过程中，由于固液界面不垂直于坩埚轴向(即竖直方 向)，可以减少硅锭中的小角度晶界，有利于在高位错密度形成前，将位错密度长出晶体之 外。 0036 坩埚160为顶部敞开的方形构造。坩埚160具有四个内侧面，其中临近坩埚160 的底部最薄处的一个内侧面上涂有形核促进。

18、层162，该内侧面靠近隔热笼120可独立运动 的第一面122，二者在铸锭炉中的方位一致。形核促进层162的材质为高于硅熔点的物质， 可以为石英砂或碳化硅、氧化硅。形核促进层162的可诱发晶粒成核，可以降低初始位错密 度。 0037 此外，坩埚160设置形核促进层162的内侧面的热导率大于其他各面的热导率。 隔热笼120可独立运动的第一面122的热导率大于隔热笼120的剩余部分的热导率，如可 说 明 书CN 104372404 A 4/5页 6 通过设置不同厚度的保温层的方法获得。侧加热器174为三面加热，其仅自坩埚的三个外 侧面进行加热，在与形核促进层162对应的坩埚160的外侧面处不进行加热。

19、。侧护板180 临近坩埚160的底部最薄处的一面的热导率大于侧护板180其他三面的热导率，例如，热导 率高的一面的材料可以使用热导率高的等静压石墨，其他三面可以使用强度高、热导率低 的碳碳复合材料。底护板190的材质为强度高，热导率在0.1510W/(m.k)的碳碳复合材 料。热交换台150也是如此，可以采用强度高、热导率低的材质。上述改进的特征，均是为 了更好地保证纵向温度梯度小于横向温度梯度，使隔热笼120运动时能够更好地保证硅液 自坩埚160设置形核促进层162的一侧开始长晶，可以同时采用多项改进的特征来配合前 述铸锭炉120及坩埚160，也可以仅选取其中一项改进的特征。 0038 下面。

20、通过具体实施例来进一步说明如何利用上述多晶硅铸锭炉实施上述制备方 法。 0039 实施例1 0040 将750kg的硅料投入坩埚160内，坩埚160的一个内侧面上喷涂有碳化硅层或石 英砂层。坩埚160的内底面的倾斜角度为5。 0041 隔热笼120与隔热顶板130、隔热底板140形成封闭空腔。利用顶加热器172自顶 部对硅料进行加热，利用侧加热器174自坩埚160的三个外侧面对硅料进行加热。 0042 当硅料熔化后，控制隔热笼120的独立运动的第一面122单独上升，上升8cm后， 再控制隔热笼120的其他部分一起上升，硅液在碳化硅的促进下成核，且自坩埚160的一侧 开始沿水平或与竖直方向呈锐角。

21、的方向长晶得到多晶硅锭。沿着竖直方向将硅锭加工成小 方锭，沿着水平方向将小方锭切割成硅片，可以得到低晶界密度和低位错密度的硅片。 0043 对制得的硅片进行光致荧光(Photoluminescence，PL)测试，结果如图5所示。可 以看到，晶界密度和位错密度明显小于图1的传统方案的硅片。将硅片制成电池片后，测试 效率发现实施例1的硅片制成的电池片的转换效率达18.01，较图1所示的正常铸造多晶 硅片提高了0.11。 0044 实施例2 0045 将700kg的硅料投入坩埚160内，坩埚160的一个内侧面上喷涂有石英砂层。坩 埚160的内底面的倾斜角度为10。 0046 隔热笼120与隔热顶板。

22、130、隔热底板140形成封闭空腔。利用顶加热器172自顶 部对硅料进行加热，利用侧加热器174自坩埚160的三个外侧面对硅料进行加热。 0047 当硅料熔化后，控制隔热笼120的独立运动的第一面122单独上升，上升8cmm后， 再控制隔热笼120的其他部分一起上升，硅液在碳化硅的促进下成核，且自坩埚160的一侧 开始沿水平或与竖直方向呈锐角的方向长晶得到多晶硅锭。沿着竖直方向将硅锭加工成小 方锭，沿着水平方向将小方锭切割成硅片，可以得到低晶界密度和低位错密度的硅片。 0048 将硅片制成电池片后，测试效率发现实施例2的硅片制成的电池片的转换效率达 18.04，较图1所示的正常多晶硅片提高了0。

23、.14。 0049 实施例3 0050 将650kg的硅料投入坩埚160内，坩埚160的一个内侧面上喷涂有石英砂层。坩 埚160的内底面的倾斜角度为20。 0051 隔热笼120与隔热顶板130、隔热底板140形成封闭空腔。利用顶加热器172自顶 说 明 书CN 104372404 A 5/5页 7 部对硅料进行加热，利用侧加热器174自坩埚160的三个外侧面对硅料进行加热。 0052 当硅料熔化后，控制隔热笼120的独立运动的第一面122单独上升，上升10cm后， 再控制隔热笼120的其他部分一起上升，硅液在碳化硅的促进下成核，且自坩埚160的一侧 开始沿水平或与竖直方向呈锐角的方向长晶得到。

24、多晶硅锭。沿着竖直方向将硅锭加工成小 方锭，沿着水平方向将小方锭切割成硅片，可以得到低晶界密度和低位错密度的硅片。 0053 对制得的硅片进行光致荧光(Photoluminescence，PL)测试，结果如图6所示。可 以看到，晶界密度和位错密度明显小于图1的传统方案的硅片。将硅片制成电池片后，测试 效率发现实施例3的硅片制成的电池片的转换效率达18.10，较图1所示的正常铸造多晶 硅片提高了0.2。 0054 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 说 明 书CN 104372404 A 1/3页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104372404 A 2/3页 9 图3 图4 说 明 书 附 图CN 104372404 A 3/3页 10 图5 图6 说 明 书 附 图CN 104372404 A 10 。