晶体硅锭的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能光伏材料制备领域，具体涉及一种晶体硅锭的制备方法。
背景技术
铸造单晶硅继承了直拉单晶硅和铸造多晶硅的优点，克服了两种方式各自的缺点，受到了越来越多的关注。
铸造单晶硅中，需要于坩埚的底部铺设一定量的单晶籽晶，在单晶籽晶上方铺设硅料，硅料加热熔化的过程中，控制籽晶不完全熔化，使得晶体在不完全熔化的单晶籽晶上成长为铸造单晶。然而，晶体生长过程中，由于靠近坩埚的侧壁边缘温度较低，即在冷壁效应下，硅溶液在坩埚侧壁冷却结晶，生长为多晶，随着硅锭的生长，多晶也沿着坩埚侧壁向上，由于固液界面温度差异，多晶也向硅液中心区域生长，结果导致单晶面积降低，且随之产生的位错密度较高。
发明内容
基于此，有必要针对铸造单晶侧壁容易生长多晶的问题，提出一种晶体硅锭的制备方法。
一种晶体硅锭的制备方法，包括以下步骤：
在坩埚的底部中央铺设单晶籽晶，形成单晶籽晶层；
在所述单晶籽晶层的四周沿远离所述单晶籽晶层的方向分别依次铺设多个籽晶条，所述籽晶条与籽晶及相邻籽晶条之间相互接触的侧面晶向均不相同；
在所述籽晶条与所述坩埚侧壁之间的区域铺设多晶籽晶，形成多晶籽晶层；
在所述单晶籽晶层、籽晶条及多晶籽晶层上设置硅料，加热熔化，控制所述坩埚内的温度，使所述单晶籽晶层、籽晶条及多晶籽晶层不完全熔化；
控制所述坩埚内的温度，沿垂直于坩埚底部的方向形成由下向上逐步升高的温度梯度，使熔化的硅液在中心区域沿所述单晶籽晶的晶向定向凝固，边缘区域在多晶籽晶层形核生长，得到中间为单晶边缘为多晶的晶体硅锭。
通过上述晶体硅的制备方法制得的晶体硅锭，中间为单晶，边缘为多晶，提高了边缘硅片的转换效率，克服了铸造单晶硅边缘硅片效率偏低的问题。在铸造单晶的过程中，边缘区域多晶的生长被相邻的籽晶条所阻挡，所以阻隔了多晶向中心区域生长，增加了单晶面积，改善了边锭位错，提高了单炉单晶的产量。
在其中一个实施例中，所述籽晶条的长度与所述单晶籽晶的长度相同。
在其中一个实施例中，所述籽晶条为长方体，宽度为3mm～25mm，所述单晶籽晶层每一侧的籽晶条在远离所述单晶籽晶层的方向设置2层以上。
在其中一个实施例中，所述相邻籽晶条相互接触的侧面晶向形成3～90度的夹角。
在其中一个实施例中，所述夹角为30度。
在其中一个实施例中，所述单晶籽晶层的高度为5mm～30mm。
在其中一个实施例中，所述在所述籽晶条与所述坩埚的侧壁之间的区域铺设多晶籽晶，所述多晶籽晶包含小颗粒的硅原料、硅粉或者多晶硅块。
在其中一个实施例中，所述单晶籽晶的截面形状为矩形。
在其中一个实施例中，所述单晶籽晶的截垂直晶向为<100>。
在其中一个实施例中，在所述籽晶条与所述坩埚侧壁之间的区域铺设多晶籽晶，形成多晶籽晶层的步骤包括：
在所述单晶籽晶层的四周籽晶条连接成的图形的四个顶角处分别铺设单晶小条；
在所述单晶小条与所述坩埚的侧壁之间铺设多晶碎料。
附图说明
图1为本发明实施例的晶体硅锭的制备方法的流程图；
图2为本发明一实施例的单晶籽晶、籽晶条、多晶籽晶在坩埚的底部的铺设方式的示意图；
图3为图2所示实施例的铺设方式的俯视示意图；
图4为传统晶体硅锭的PL图；
图5为本发明实施例1的晶体硅锭的PL图；
图6为本发明实施例2的晶体硅锭的PL图；
图7为本发明实施例3的晶体硅锭的PL图；
图8为本发明实施例4的晶体硅锭的PL图。
具体实施方式
请参考图1至图3，一实施例的晶体硅锭的制备方法，包括以下步骤。
步骤S110、在坩埚的底部中央铺设单晶籽晶，形成单晶籽晶层。请参考图2，在坩埚的底部中央区域先铺设单晶籽晶20，形成单晶籽晶层。单晶籽晶层用于制备铸造单晶的引晶层。
单晶籽晶层的形状和尺寸不限制，例如单晶籽晶层可以为与坩埚的底部101大小和形状基本相同的大块单晶籽晶，也可以由多块籽晶拼接而成。当由多块的单晶籽晶20拼接而成时，单晶籽晶20的晶向不限,单晶籽晶20以紧密排列的方式铺设在坩埚的底部中央，使单晶籽晶20之间的缝隙尽可能小，从而减少由籽晶缝隙处引入的晶界和位错。优选地，每个单晶籽晶的垂直晶向都是相同的，优选为<100>。单晶籽晶20的形状优选为矩形。一般地，单晶籽晶层的高度范围为5mm～30mm。本文中，高度指元件在垂直于坩埚10底部方向上的尺寸。
步骤S120、在所述单晶籽晶层的四周沿远离所述单晶籽晶层的方向分别依次铺设多个籽晶条，所述籽晶条与籽晶及相邻籽晶条之间相互接触的侧面晶向均不相同。
铺设单晶籽晶层后，如图2和图3所示，多个籽晶条30围绕在单晶籽晶层的四周铺设，多个籽晶条30与单晶籽晶之间、多个籽晶条30之间彼此紧密排列，尽量减小彼此之间的缝隙。籽晶条30排列的方向为围绕着坩埚底部的单晶籽晶20向坩埚的侧壁102的方向。
步骤S130、在所述籽晶条与所述坩埚侧壁之间的区域铺设多晶籽晶，形成多晶籽晶层。在坩埚的底部101上,于籽晶条30与坩埚的侧壁102之间的区域再铺设多晶籽晶40，形成多晶籽晶层。多晶籽晶的来源不限制，如可以是利用西门子法生长的原生多晶硅。
所述多晶籽晶包含小颗粒的硅原料、硅粉或者多晶硅块。多晶籽晶层可通过以下方法形成。参考图3，一个具体的例子中，单晶籽晶层由6×6个单晶籽晶20拼接而成，单晶籽晶层每一侧边处利用6个籽晶条30拼接成一个长度与单晶籽晶层侧边长度一致的大籽晶条。在远离单晶籽晶层的方向上，上述的大籽晶条层叠数量为3个。如图3所示，由于单晶籽晶层外叠加籽晶条30后，籽晶条30连接成的图形并非完整矩形，在四个顶角A处有部分缺失。为了在顶角部分能更好地阻隔多晶的生长，在该顶角部分铺设尺寸较小的单晶小条402，使矩形完整，然后在籽晶条30、单晶小条402与坩埚的侧壁102之间铺设多晶碎料403，如图3所示，示意了其中一个顶角A处的单晶小条402的铺设情况。
硅液是在单晶籽晶存在的基础上继续生长，是一种再生长过程，从而中间区域可得到与单晶籽晶相同的晶格结构比较完整的铸造晶体硅。
由于步骤S120铺设的籽晶条30相互接触的侧面晶向不同，在晶体生长过程中沿此形成一定的晶界，边缘区域多晶的生长被相邻的籽晶条所阻挡，所以阻隔了多晶向中心区域生长，增加了单晶面积，改善了边锭位错，提高了硅锭的质量。
本发明的实施例中，籽晶条30的长度不限制，但优选地，籽晶条30的长度与单晶籽晶20的长度相同，这样籽晶条30可以更好地单晶籽晶20紧贴铺设。如图3所示，籽晶条30紧贴于单晶籽晶20，二者的长度一致。籽晶条30的高度与单晶籽晶的高度一致。
单晶籽晶每一侧的籽晶条30铺设的数量为两个以上，能形成晶界即可，且籽晶条30的数量越多，阻挡效果越好。一个优选的实施例中，为了取得较好的阻挡多晶向中心区域生长的的效果，获得较大面积的铸造单晶，单晶籽晶层每一侧的籽晶条30层叠的数量均为3层以上，优选地，籽晶条30设置4层，籽晶条30设为长方体，宽度为3mm～25mm。本实施例中，宽度指籽晶条30在层叠方向上的尺寸。
籽晶条30层叠时彼此的宽度比例不限制。例如，可以是各籽晶条30的宽度一致。还可以，各籽晶条30的宽度彼此不相等。
为了取得更好的阻挡多晶向中心区域生长的效果，籽晶条与单晶籽晶及相邻籽晶条30之间相互接触的侧面晶向形成3～90度的夹角。优选地，相邻籽晶条30相互接触的侧面晶向形成30度的夹角。
步骤S140、在所述单晶籽晶层、籽晶条及多晶籽晶层上设置硅料，加热熔化，控制所述坩埚内的温度，使所述单晶籽晶层、籽晶条及多晶籽晶层均不完全熔化。
控制坩埚内的温度，使单晶籽晶层不完全熔化，具体的：加热，使单晶籽晶层上方的硅料完全熔化，而单晶籽晶层、四周的籽晶条30及多晶籽晶层均部分熔化，如熔化10％～90％，然后进入长晶阶段。
步骤S150、控制所述坩埚内的温度，沿垂直于坩埚底部的方向形成由下向上逐步升高的温度梯度，使熔化的硅液在中心区域沿所述单晶籽晶的晶向定向凝固，边缘区域在多晶籽晶层形核生长，得到中间为单晶边缘为多晶的晶体硅锭。
本步骤中，可通过逐步打开隔热笼的方式，或者打开底部保温板的方式，在垂直于坩埚的底部方向形成由下向上逐步升高的温度梯度，使熔化的硅液从坩埚底部沿垂直方向定向凝固生长，以此得到中间为单晶边缘为多晶的晶体硅锭。
利用上述晶体硅的制备方法制得的晶体硅锭，中间为单晶边缘为多晶，在保证中心单晶区域面积的同时，也提高了边缘硅片的质量，克服了铸造单晶硅边缘硅片效率偏低的问题。在铸造单晶的过程中，边缘区域的多晶在底部铺设的多晶籽晶层形核生长，晶界和位错的增殖被相邻的籽晶条所阻挡，该方法可阻隔多晶向中心区域生长，同时还改善了边锭的质量。
进一步地，为更有力的支持本发明的有益效果，提供对比试验数据如下：
对比实施例：
在坩埚底部中央铺设单晶籽晶的尺寸为157×157×10mm，共36块，以6×6紧密排列。在单晶籽晶和坩埚内壁之间的空隙铺设多晶籽晶。在单晶籽晶和多晶籽晶的上方加入800kg的多晶硅料，加热进行熔化，使多晶硅料完全熔化，在单晶籽晶层熔化2mm的高度(也即熔化20％)时进入长晶阶段，得到中间为单晶硅边缘为多晶硅的铸造晶体硅锭。经过开方，对得到的硅片进行光致荧光(Photoluminescence Spectroscopy，PL)测试，得到的PL照片如图4所示。可以看到，铸造单晶中间区域存在大量的位错。
本发明的实施例1：
在坩埚底部中央铺设单晶籽晶的尺寸为157×157×10mm，共36块，以6*6紧密排列，形成单晶籽晶层。在单晶籽晶的四周侧分别设置四根籽晶条，籽晶条相互接触的侧面晶向形成30度夹角。籽晶条长度为157mm，宽度为5mm。在籽晶条和坩埚内壁空隙处铺设多晶籽晶形成多晶籽晶层。
在单晶籽晶层、籽晶条和多晶籽晶层的上方投入800kg的多晶硅料，加热进行熔化，使多晶硅料完全熔化，在单晶籽晶层熔化2mm的高度(也即熔化20％)时进入长晶阶段，得到中间为单晶硅边缘为多晶硅的铸造晶体硅锭。经过开方，对得到的硅片进行光致荧光(Photoluminescence Spectroscopy，PL)测试，得到的PL照片如图5所示。可以看到，图5中，铸造单晶中间区域的位错明显小于图4的硅片。
本发明的实施例2：
在坩埚底部中央铺设单晶籽晶的尺寸为160×160×20mm，共36块，以6×6紧密排列，形成单晶籽晶层。在单晶籽晶的四周侧分别设置三根籽晶条，籽晶条相互接触的侧面晶向形成3度夹角。籽晶条长度为160mm，宽度分别为3mm,10mm，15mm。在籽晶条和坩埚内壁空隙处铺设多晶籽晶形成多晶籽晶层。
在单晶籽晶层、籽晶条和多晶籽晶层的上方投入1000kg的多晶硅料，加热进行熔化，使多晶硅料完全熔化，在单晶籽晶层熔化10mm的高度(也即熔化50％)时进入长晶阶段，得到中间为单晶硅边缘为多晶硅的铸造晶体硅锭。经过开方，对得到的硅片进行光致荧光(Photoluminescence Spectroscopy，PL)测试，得到的PL照片如图6所示。可以看到，图6中，铸造单晶中间区域的位错明显小于图4的硅片。
本发明的实施例3：
在坩埚底部中央铺设单晶籽晶的尺寸为158×158×25mm，共36块，以6×6紧密排列，形成单晶籽晶层。在单晶籽晶的四周侧分别设置四根籽晶条，籽晶条相互接触的侧面晶向形成45度夹角。籽晶条长度为158mm，宽度为20mm。在籽晶条和坩埚内壁空隙处铺设多晶籽晶形成多晶籽晶层。
在单晶籽晶层、籽晶条和多晶籽晶层的上方投入1100kg的多晶硅料，加热进行熔化，使多晶硅料完全熔化，在单晶籽晶层熔化10mm的高度(也即熔化40％时进入长晶阶段，得到中间为单晶硅边缘为多晶硅的铸造晶体硅锭。经过开方，对得到的硅片进行光致荧光(Photoluminescence Spectroscopy，PL)测试，得到的PL照片如图7所示。可以看到，图7中，铸造单晶中间区域的位错明显小于图4的硅片。
本发明的实施例4：
在坩埚底部中央铺设单晶籽晶的尺寸为159×159×20mm，共49块，以7×7紧密排列，形成单晶籽晶层。在单晶籽晶的四周侧分别设置四根籽晶条，籽晶条相互接触的侧面晶向形成60度夹角。籽晶条长度为159mm，宽度为5mm。在籽晶条和坩埚内壁空隙处铺设多晶籽晶形成多晶籽晶层。
在单晶籽晶层、籽晶条和多晶籽晶层的上方投入1200kg的多晶硅料，加热进行熔化，使多晶硅料完全熔化，在单晶籽晶层熔化5mm的高度(也即熔化25％)时进入长晶阶段，得到中间为单晶硅边缘为多晶硅的铸造晶体硅锭。经过开方，对得到的硅片进行光致荧光(Photoluminescence Spectroscopy，PL)测试，得到的PL照片如图8所示。可以看到，图8中，铸造单晶中间区域的位错明显小于图4的硅片。
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。
