技术领域

本发明属于光伏电池技术领域，特别涉及一种用于制备多晶硅锭的坩埚及多晶硅锭的生长方法。

背景技术

随着我国经济的持续快速发展，我国已成为世界上第二大石油消耗国和输入国，能源压力将日趋严重，能源安全问题早己提到议事日程上。根据太阳能利用方面目前的发展状况，在今后几十年，太阳能电池将得到持久的发展。从国内外的发展现状来看，要实现我国太阳能电池工业的跨越式发展，必须解决相关的技术瓶颈和更新发展观念。晶体硅材料是最主要的光伏材料，其市场占有率在90%以上，而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。目前使用较普遍的依旧是晶体硅太阳能电池，其中包括单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。利用直拉法生长的单晶硅，用单晶籽晶进行引晶，经过旋转提拉得到单晶硅棒，仅含一个晶粒，具有低缺陷、高转换效率等特点。但是，这种方法对原料及操作要求高，由于单次投料少，产品成本较高，太阳能电池存在较大的衰减。采用定向凝固法生长的多晶硅，具有单次投料量大、操作简易、成本低廉等特点，电池效率的衰减比单晶硅电池小很多。但在利用这种方法生长的多晶硅通常含有大量晶界及缺陷，使得多晶硅太阳能电池的转换效率较单晶硅电池低。

近年来，融合单晶硅和多晶硅的优势、基于多晶铸锭的工艺的准单晶技术引起了人们的极大兴趣，这种通过铸锭的方式形成单晶硅的技术，其能耗只比普通多晶硅高出5%左右，但所生产的单晶硅的质量接近直拉单晶硅。与多晶硅相比，准单晶硅片晶界少，位错密度低，电池的转换效率接近直拉单晶硅电池片；与单晶硅相比，准单晶电池的光致衰减低，单次投炉料大，生产效率高，切片工艺简单，成本低。

国内众多高校、研究所与企业对用铸锭法生长高效多晶硅锭进行了研究。中国专利申请201010198142.5公布了使用籽晶生长准单晶硅的方法，该方法虽说对籽晶经行了重复利用，但是使用硅锭头尾料作为下一次生长的籽晶，由于硅锭头尾料中富含大量的杂质与缺陷，重复效果并不良好。若使用单晶硅块，成本的增加是在所难免的。中国专利申请201010564154.5 公布了一种坩埚及用该坩埚生长准单晶硅的方法，该类坩埚结构复杂，同时若使用籽晶不单单增加了铸锭成本，其难度也上升了较多。在不增加成本或增加较少成本的情况下，利用生长多晶硅锭的设备生长出高质量的多晶硅或准单晶硅，是提高晶硅太阳能电池转换效率和产品竞争力的关键。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种能够使晶体根据生长几何淘汰规则，实现竞争生长、淘汰，最终形成高质量单晶的坩埚。

本发明的另一个目的是提供一种利用上述坩埚生长多晶硅锭的生长方法。

为实现第一个发明目的，本发明的技术方案是：一种用于制备多晶硅锭的坩埚，其特征在于：所述坩埚为中空的矩形结构，底面为正方形；所述正方形的底面上设有若干个的“V”型长槽，所述“V”型长槽均平行于正方形底面的其中一边；所述“V”型长槽两边的夹角为直角。

进一步地，所述正方形的底面上设有一个“V”型长槽，“V”型长槽位于坩埚底部的中间。

进一步地，所述正方形的底面上设有两个互相平行的“V”型长槽，两个“V”型长槽邻近坩埚壁的边的延长线与坩埚壁的交点和两个长槽相邻边的延长线的交点处于同一高度。

进一步地，所述正方形的底面上设有三个互相平行的“V”型长槽，其中一个长槽位于坩埚底部的中间，另外两个“V”型长槽邻近坩埚壁的边的延长线与坩埚壁的交点和这两个槽的另一边的延长线与中间长槽的相邻边的延长线的交点处于同一高度。

进一步地，所述正方形的底面上设有多个互相平行的“V”型长槽，所述“V”型长槽靠近坩埚壁的斜边的延长线与坩埚壁的交点所处的高度和两相邻“V”型长槽的相邻斜边的延长线的交点所处的高度是一致的。

进一步地，所述“V”型长槽的槽深为8 mm，槽口距离为16 mm，槽长度与坩埚内底部正方形边长一致。

进一步地，所述坩埚底面厚度为20 mm，坩埚壁厚度为12 mm，内表面喷涂氮化硅涂层。

  为实现第二个发明目的，本发明的技术方案是：一种多晶硅锭的生长方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）控制温度使“V”型长槽内的熔融硅率先降温到1410 ℃；

2）提升保温桶使熔融硅从“V”型长槽内的底部开始形核生长；

3）控制保温桶的提拉速度，使生长速度快的晶体首先达到“V”型长槽的上顶面，“V”型长槽内晶体的结晶速度2 mm/h；

4）加快保温桶的提拉，以10 mm/h的速度完成接下去的晶体生长，获得柱状晶。

本发明利用的是选晶法来获得单晶，通过对坩埚底部的优化设计，使得晶体在生长初期只形成一个晶粒或者在形成多个晶粒的情况下，利用不同晶向的晶体生长速率的差异，在“V”型长槽的作用下，使大部分晶体的生长被终止，最终只有一个晶粒长大，进入晶锭。本发明针对底面为正方形的坩埚，通过在坩埚底部开设若干个“V”型长槽。由于“V”型长槽的两边与相邻坩埚内壁呈线与面平行，在“V”型长槽的作用下，优势晶体沿着凹槽两斜面所成的角度生长。通过对“V”型长槽两斜面延长，延长线与坩埚内壁相交可以模拟在“V”型长槽的作用下晶体的生长趋势。最终当晶体生长到对应高度时，所在水平面受“V”型长槽影响的晶粒的比例达到最高，最高影响程度可达到100%。在这个高度以上的区域，晶体将以柱状晶的形式生长到顶部。

本发明的有益效果在于：通过坩埚底部“V”型长槽的引晶作用，使得优势晶体进入晶锭，减少了工业上普通的定向生长多晶硅锭中晶界的数量，提高了晶粒的尺寸，降低了位错密度，减少了杂质在晶体缺陷处的聚集，使得少数载流子的复合中心也相对降低，提高了硅锭的电学性能；同时提高了对多晶硅锭底部的利用率，对效益的提高具有显著的效果。因此本发明在倡导低碳和高效的时代具有较大了潜力。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式来做进一步详细的说明。

图1为本发明中底部具有1个“V”型长槽的坩埚的结构示意图。

图2为本发明中底部具有1个“V”型长槽的坩埚的剖视图。

图3为本发明中底部具有1个“V”型长槽的坩埚的俯视图。

图4为本发明中“V”型长槽的局部放大图。

图5为本发明中底部具有2个“V”型长槽的坩埚的剖视图。

图6为本发明中底部具有3个“V”型长槽的坩埚的剖视图。

具体实施方式

    参见附图。本实施例所述坩埚1为中空的矩形结构，底面12为正方形；所述正方形的底面11上设有若干个“V”型长槽2，所述“V”型长槽2均平行于正方形底面11的其中一边；所述“V”型长槽2两边的夹角θ为90度，“V”型长槽2的槽深h为8 mm，槽口距离s为16 mm，“V”型长槽2的长度与坩埚1内底部正方形边长一致。

    实施例1：

底面开有1个“V”型长槽2的坩埚1，其结构的剖视图如图2所示，坩埚壁12厚度f为12 mm，底面11厚度d为20 mm，底面11边长L为198 mm，坩埚壁12高度H为200 mm；“V”型长槽2位于坩埚1中正方形底面11的中线上，平行于正方形底面11的其中一边；“V”型长槽2的深度h为8 mm，“V”型长槽两斜边的夹角θ为90度。坩埚1内壁喷涂氮化硅，并在1050 ℃下热处理5小时，形成一层致密的氮化硅涂层；将6 kg 纯度为6N的P型多晶硅原料，按照一定方式置于坩埚1内；将炉体抽至真空度为10 Pa，开始加热；使用氩气作为保护性气体；在完全保温的情况下加热至1540 ℃，使炉内多晶硅原料充分熔化；降低温度，使“V”型长槽2内熔融硅温度降至1410 ℃，准备进入长晶阶段；控制保温桶以2 mm/h的速度提拉，使“V”型长槽2内晶粒进行竞争生长；生长速度较快的晶粒获得优势进入硅锭，此时控制保温桶提拉速度，使径向温度梯度为零，逐渐增加提拉速度至10 mm/h。最终获得较大尺寸的柱状晶，生长出高质量多晶硅锭。

使用此实施例得到的多晶硅锭中部区域的多晶硅片平均晶粒尺寸在15 mm，平均少子寿命为12.5 μs。

实施例2：

底面开有2个“V”型长槽2的坩埚1，其结构的剖视图如图5所示，坩埚壁12厚度f为12 mm，底面11厚度d为20 mm，底面11边长L为198 mm，坩埚壁12高度H为200 mm，两个“V”型长槽2以过正方形底面11的中心平行于一边的线为对称线呈对称分布，两个“V”型长槽2两边延长线与坩埚壁12的交点与两个“V”型长槽2相邻边延长线的交点处于同一高度，交点距离坩埚内底部垂直距离h2为36 mm，“V”型长槽2的深度h为8 mm，“V”型长槽2两斜边的夹角θ为90度。使用所述坩埚生长多晶硅锭的工艺与实施例1相同。

实施例3：

底面开有3个“V”型长槽2的坩埚1，其结构的剖视图如图6所示，坩埚壁12厚度f为12 mm，底面11厚度d为20 mm，底面11边长L为198 mm，坩埚壁12高度H为200 mm，一个“V”型长槽2位于坩埚1底面11的中间，另外两个“V”型长槽2邻近坩埚壁12的边的延长线与坩埚壁12的交点和这两个“V”型长槽2的另一边的延长线与中间“V”型长槽2的相邻边的延长线的交点处于同一高度，交点距离坩埚1内底部垂直距离h3为21.3 mm，“V”型长槽2的深度h为8 mm，“V”型长槽2两斜边的夹角θ为90度。使用所述坩埚生长多晶硅锭的工艺与实施例1相同。

从实施例2与实施例3得到的多晶硅锭，根据晶粒纵向生长图，晶粒尺寸随着“V”型长槽数量的增加呈现线性增长。