多晶硅锭及其制造方法、太阳能电池

摘要

本发明公开了一种多晶硅锭的制造方法，包括：在多晶硅锭生长炉内的容器底部铺设籽晶，形成籽晶层，籽晶层的铺设方式为：由一整块与容器底部大小和形状基本相同的大块单晶籽晶铺设而成，或由多个小块单晶籽晶拼接而成，或由从所述多晶硅锭主体中切割下的块状板坯铺设形成；将固态的硅原料装载到籽晶层的上方；对所述容器进行加热，熔化硅原料和部分籽晶层，形成液体层，至少保持与容器底部接触的部分籽晶层为固态；控制多晶硅锭生长炉内的热场，对液体层进行结晶形成结晶层，以使固液界面向远离所述容器底部的方向移动，完成多晶硅锭的生长。采用本发明的方法生产出的多晶硅锭杂质含量低，生产出的太阳能电池成本低、衰减系数低，光电转换效率高。

权利要求

1.一种多晶硅锭的制造方法，其特征在于，包括：

在多晶硅锭生长炉内的容器底部铺设籽晶，形成籽晶层，其中，所述籽晶层的铺设方式为：由一整块与容器底部大小和形状基本相同的大块单晶籽晶铺设而成，或由多个小块单晶籽晶拼接而成，或由从所述多晶硅锭主体中切割下的块状板坯铺设形成，所述多晶硅锭含有连续的大尺寸的单晶硅区域，所述单晶硅区域的晶体学取向与位于其下方的所述籽晶的晶体学取向相同；

将固态的硅原料装载到所述籽晶层的上方；

对所述容器进行加热，熔化所述硅原料和部分所述籽晶层，以形成液体层，至少保持与所述容器底部接触的部分籽晶层为固态；

控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述液体层进行结晶形成结晶层，以使固液界面向远离所述容器底部的方向移动，完成多晶硅锭的生长；

所述控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述液体层进行结晶形成结晶层，以使固液界面向远离所述容器底部的方向移动，完成多晶硅锭的生长的过程具体为：控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述液体层进行结晶形成结晶层，以使固液界面向远离所述容器底部的方向移动；

所述固液界面向远离所述容器底部的方向移动相应距离后，进入回熔结晶过程，至少执行一次所述回熔结晶过程后，得到多晶硅锭；

其中，所述回熔结晶过程包括，控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述结晶层进行回熔，使所述固液界面向靠近所述容器底部的方向移动，之后，控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对液体层进行结晶，以使所述固液界面向远离所述容器底部的方向移动，所述固液界面向靠近所述容器底部的方向移动的距离小于所述固液界面向远离所述容器底部的方向移动的距离。

2.根据权利要求1所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述籽晶层为由从所述多晶硅锭主体中切割下的多个小块块状板坯拼接而成。

3.根据权利要求1所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述籽晶层为由从所述多晶硅锭主体中切割下的整体块状板坯铺设而成。

4.根据权利要求2或3所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述块状板坯上的多晶区域处切割有凹槽。

5.根据权利要求4所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述凹槽的纵切面为V形。

6.根据权利要求4所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述凹槽的纵切面为梯形。

7.根据权利要求4所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述块状板坯为底部为具有规则形状的多面体，上部为凸台的结构。

8.根据权利要求1所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述籽晶为底部为具有规则形状的多面体，上部为凸台的结构。

9.根据权利要求1所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述籽晶层包括至少一种晶体学取向的单晶硅层。

10.根据权利要求9所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，形成所述籽晶层的过程具体为，采用晶体学取向相同的籽晶拼接平铺形成所述籽晶层，所述籽晶层与所述容器底部基本平行。

11.根据权利要求9所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，形成所述籽晶层的过程具体为：采用具有第一晶体学取向的籽晶拼接铺贴，覆盖所述容器底部的部分区域，形成具有第一晶体学取向的籽晶区域；

采用具有第二晶体学取向的籽晶覆盖所述容器底部的部分区域，形成具有第二晶体学取向的籽晶区域，所述具有第一晶体学取向的籽晶区域和所述具有第二晶体学取向的籽晶区域共同形成所述籽晶层，所述籽晶层与所述容器底部基本平行，其中，所述具有第一晶体学取向的籽晶区域被所述具有第二晶体学取向的籽晶区域包围。

12.根据权利要求1所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述籽晶层的厚度为

10mm-100mm。

13.根据权利要求12所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，第一次开始结晶时，固态籽晶层的厚度为1mm-50mm。

14.根据权利要求1所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于，所述籽晶层的面积占据所述容器底部面积的50％-99％。

15.一种太阳能电池，采用权利要求1所述的方法制作出的多晶硅锭，其特征在于，该太阳能电池包括：晶片，所述晶片上具有晶体学取向一致的连续大尺寸的单晶硅区域；

所述晶片中的P-N结；

所述晶片上的导电触点；

涂镀在所述晶片上的减反射膜。

说明书

多晶硅锭及其制造方法、太阳能电池

技术领域

[0001] 本发明涉及单晶硅、多晶硅的制造技术和光电领域，尤其涉及一种多晶硅锭及其制造方法、太阳能电池。

背景技术

[0002] 太阳能电池可将光能转换为电能，光电转换效率的高低以及电池衰减的快慢是衡量太阳能电池质量好坏的重要参数。目前，根据材料的不同，太阳能电池主要分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池两种。

[0003] 其中，单晶硅锭是将含有掺杂剂的硅原料熔融后，将结晶硅拉出熔融区域而结晶形成的，通常生产单晶硅锭的方法有熔体直拉法(Czochralski，简称CZ法)和悬浮区熔法(简称FZ法)，CZ法是将单晶硅锭从熔融的硅液中缓慢拉出，FZ法是通过熔融区域供应固体材料并在所述熔融区域的另一侧上重新凝固。

[0004] 由于晶粒间的取向是固定的，因此单晶硅太阳能电池的光电转换效率较高，但是，从生产成本上来看，采用这两种方法生产的单晶硅单次产量少，而且生产成本较高，尤其是FZ法生产的单晶硅棒的尺寸较小；从生产的单晶硅棒的性能上来看，单晶硅棒中包含径向分布的杂质和缺陷，如氧诱导堆垛层错(OSF)的环和空隙，或者空位团的“漩涡”缺陷，以CZ法为例，由于石英坩埚的使用，在单晶硅锭内部不可避免的就会包含较多的氧杂质，氧杂质与掺杂的硼结合后产生的硼氧(B-O)复合体又是引发太阳能电池衰减的主要因素，因此，使用这种单晶硅棒制作的太阳能电池的衰减系数较高。

[0005] 多晶硅锭通常是采用铸造的方法加工而成的，铸造多晶硅是将熔融的原料硅置于石英坩埚中，并通过控制熔融硅的冷却过程，使熔融硅结晶后得到的。相对于单晶硅锭，多晶硅锭内存在较多的缺陷，晶粒小，常规多晶硅晶粒之间的晶界和位错较多，从而造成了电荷载流子的快速复合，导致少子寿命低，并且，由于晶粒之间的取向是随机的，导致难以对晶片表面进行较好的织构，使得常规多晶硅太阳能电池比单晶硅太阳能电池的光电转换效率低，但是多晶硅锭内的氧含量能够控制在较好的水平，从而使得多晶硅太阳能电池的衰减系数较低。

发明内容

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种多晶硅锭及其制造方法、太阳能电池，相对于现有技术中的单晶硅太阳能电池，采用本发明实施例提供的多晶硅锭生产出的太阳能电池的成本底、衰减系数更低，同时，相对于现有技术中的多晶硅太阳能电池，采用本发明实施例提供的多晶硅锭生产出的太阳能电池的光电转换效率更高。

[0007] 为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

[0008] 一种多晶硅锭的制造方法，包括：

[0009] 在多晶硅锭生长炉内的容器底部铺设籽晶，形成籽晶层，其中，所述籽晶层的铺设方式为：由一整块与容器底部大小和形状基本相同的大块单晶籽晶铺设而成，或由多个小块单晶籽晶拼接而成，或由从所述多晶硅锭主体中切割下的块状板坯铺设形成，所述多晶硅锭含有连续的大尺寸的单晶硅区域，所述单晶硅区域的晶体学取向与位于其下方的所述籽晶的晶体学取向相同；

[0010] 将固态的硅原料装载到所述籽晶层的上方；

[0011] 对所述容器进行加热，熔化所述硅原料和部分所述籽晶层，以形成液体层，至少保持与所述容器底部接触的部分籽晶层为固态；

[0012] 控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述液体层进行结晶形成结晶层，以使固液界面向远离所述容器底部的方向移动，完成多晶硅锭的生长。

[0013] 优选的，所述籽晶层为由从所述多晶硅锭主体中切割下的多个小块块状板坯拼接而成。

[0014] 优选的，所述籽晶层为由从所述多晶硅锭主体中切割下的整体块状板坯铺设而成。

[0015] 优选的，所述块状板坯上的多晶区域处切割有凹槽。

[0016] 优选的，所述凹槽的纵切面为V形。

[0017] 优选的，所述凹槽的纵切面为梯形。

[0018] 优选的，所述块状板坯为底部为具有规则形状的多面体，上部为凸台的结构。

[0019] 优选的，所述籽晶为底部为具有规则形状的多面体，上部为凸台的结构。

[0020] 优选的，所述籽晶层包括至少一种晶体学取向的单晶硅层。

[0021] 优选的，形成所述籽晶层的过程具体为，采用晶体学取向相同的籽晶拼接平铺形成所述籽晶层，所述籽晶层与所述容器底部基本平行。

[0022] 优选的，形成所述籽晶层的过程具体为：

[0023] 采用具有第一晶体学取向的籽晶拼接铺贴，覆盖所述容器底部的部分区域，形成具有第一晶体学取向的籽晶区域；

[0024] 采用具有第二晶体学取向的籽晶覆盖所述容器底部的部分区域，形成具有第二晶体学取向的籽晶区域，所述具有第一晶体学取向的籽晶区域和所述具有第二晶体学取向的籽晶区域共同形成所述籽晶层，所述籽晶层与所述容器底部基本平行，其中，所述具有第一晶体学取向的籽晶区域被所述具有第二晶体学取向的籽晶区域包围。

[0025] 优选的，所述籽晶层的厚度为10mm-100mm。

[0026] 优选的，第一次开始结晶时，固态籽晶层的厚度为1mm-50mm。

[0027] 优选的，所述籽晶层的面积占据所述容器底部面积的50％-99％。

[0028] 优选的，所述控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述液体层进行结晶形成结晶层，以使固液界面向远离所述容器底部的方向移动，完成多晶硅锭的生长的过程具体为：

[0029] 控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述液体层进行结晶形成结晶层，以使固液界面向远离所述容器底部的方向移动；

[0030] 所述固液界面向远离所述容器底部的方向移动相应距离后，进入回熔结晶过程，至少执行一次所述回熔结晶过程后，得到多晶硅锭；

[0031] 其中，所述回熔结晶过程包括，控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述结晶层进行回熔，使所述固液界面向靠近所述容器底部的方向移动，之后，控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对液体层进行结晶，以使所述固液界面向远离所述容器底部的方向移动，所述固液界面向靠近所述容器底部的方向移动的距离小于所述固液界面向远离所述容器底部的方向移动的距离。

[0032] 本发明实施例还公开了一种太阳能电池，采用以上所述的多晶硅锭，包括：

[0033] 晶片，所述晶片上具有晶体学取向一致的连续大尺寸的单晶硅区域；

[0034] 所述晶片中的P-N结；

[0035] 所述晶片上的导电触点。

[0036] 与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

[0037] 本发明实施例所提供的技术方案，采用铸造的方法生产多晶硅锭，通过在容器底部预先铺设大面积籽晶形成籽晶层，由籽晶引导单晶硅区域的生长，并且通过多次回熔结晶，使生产出的多晶硅锭中包含连续大尺寸的单晶硅区域，即铸造出的多晶硅锭是由大部分与籽晶晶体学取向一致的单晶硅区域，以及少部分的多晶硅区域组成的。由于铸造过程中底层的籽晶层隔绝了容器底部的氧，从而降低了多晶硅锭中的氧杂质含量，而且，多晶硅锭中含有大尺寸的单晶硅区域。因此，采用本发明实施例提供的多晶硅锭生产出的太阳能电池，较现有技术中的单晶硅太阳能电池衰减系数更低，较现有技术中的多晶硅太阳能电池光电转换效率更高。

附图说明

[0038] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图

[0039] 图1为本发明实施例一公开的多晶硅锭的制造方法的流程示意图；

[0040] 图2为本发明实施例二公开的多晶硅锭的制造方法的流程示意图；

[0041] 图3为本发明实施例二公开的籽晶铺设方式俯视图；

[0042] 图4为本发明实施例二公开的装载硅原料方式的剖面图；

[0043] 图5为本发明实施例三公开的多晶硅锭的制造方法的流程示意图；

[0044] 图6为本发明实施例三公开的籽晶铺设方式俯视图；

[0045] 图7为本发明实施例三中生产的多晶硅锭的剖面图；

[0046] 图8为本发明实施例五公开的籽晶铺设方式俯视图；

[0047] 图9为本发明实施例六所公开的籽晶层的纵切面主视图；

[0048] 图10为本发明实施例七所公开的籽晶层的纵切面主视图；

[0049] 图11为本发明实施例八所公开的籽晶层的纵切面主视图；

[0050] 图12为本发明实施例九公开的多晶硅锭的制造方法的流程示意图；

[0051] 图13a-图13d为本发明实施例九公开的多晶硅锭的回熔生长过程示意图。

具体实施方式

[0052] 正如背景技术部分所述，采用现有技术的方式生产的单晶硅锭产能小，生产成本高，并且由于氧杂质较多，使得采用现有技术中的单晶硅锭制作的太阳能电池的衰减系数较高；而采用现有技术中生产的多晶硅锭，虽然产能大，但由于多晶硅自身晶粒取向随机，不能采用化学方法对其表面进行较好的织构，从而不能更好的降低多晶硅表面对光的反射率，提高对光的吸收率等特点，导致多晶硅太阳能电池光电转换效率低。

[0053] 单晶硅的缺陷是由于生产方式本身形成的，多晶硅晶粒取向随机的缺陷是由其本身结构决定的，若仍采用同样的方式生产同样的产品，这些缺陷就是不可避免的。

[0054] 另外，多晶硅锭除晶粒取向随机等自身结构的缺陷外，还有其它因工艺原因引起的缺陷，如杂质硬质点及其引发的位错和蚀坑等缺陷，发明人研究发现，出现这些情况的原因是，在晶体生长的定向凝固过程中，由于分凝系数较小，硅原料中的碳、氮等杂质会在固液界面处富集，当生长速度比较快时，杂质来不及分凝，就会形成碳化硅、氮化硅等，从溶液中析出，存留在结晶后的固态多晶硅中，成为杂质富集层或在晶体内钉扎的硬质点。

[0055] 如果杂质在铸造主体内集中呈层状析出，则包含杂质层的部分硅块就会被切除，某些情况下甚至会造成整个硅块报废；如果杂质以硬质点的形式析出，则会成为位错和蚀坑等缺陷的引发源，导致晶体缺陷密度增加，质量下降，并且，由于碳化硅、氮化硅的硬度都高于硅晶体，在切片和开方过程中，其较高的硬度会大大的影响切割的质量，在切割表面形成线痕、沟槽，甚至断线，使整个硅块报废，不能加工为最终产品。

[0056] 基于以上原因，发明人考虑铸造方法生产的多晶硅锭的产量较大，并且生产出的多晶硅锭的氧含量较低，恰恰解决了单晶硅锭的生产方式的缺陷，而且，单晶硅太阳能电池由于材料的原因，恰恰没有多晶硅太阳能电池的诸多缺陷，若是将二者的优点相结合，采用生产多晶硅锭的方式去生产含有大尺寸的单晶硅区域的多晶硅锭，应该能够在一定程度上解决现有技术中单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池的缺点。

[0057] 并且，采用铸造的方法进行生产过程中，可以采取减缓晶体的凝固速度的方式，来减少铸造主体内的硬质点和杂质富集层，从而提高成品的质量。

[0058] 以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0059] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0060] 其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

[0061] 实施例一

[0062] 基于上述研究的基础上，本发明实施例提供了一种多晶硅锭的制造方法，该方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：

[0063] 步骤S101：在多晶硅锭生长炉内的容器底部铺设籽晶，形成籽晶层，其中，所述籽晶层为一整块与容器底部大小和形状基本相同的大块单晶籽晶，或由多个小块单晶籽晶拼接而成；

[0064] 其中，所述籽晶为晶体学取向固定的单晶硅，所述籽晶层包括至少一种晶体学取向的单晶硅层，优选的，本实施例中的籽晶为(100)、(110)或(111)取向的单晶硅。

[0065] 具体的，本实施例中籽晶层包括至少一种晶体学取向的单晶硅层，换句话说，所述籽晶层可以全部选择具有同一晶体学取向单晶硅，如全部采用具有(100)取向的单晶硅，也可以部分选择具有第一晶体学取向的单晶硅，另一部分选择具有第二晶体学取向的单晶硅，所述第一晶体学取向与所述第二晶体学取向不同，如：一部分选择具有(100)取向的单晶硅，另一部分选择具有(110)取向的单晶硅，具体选择哪种籽晶，根据对多晶硅锭的要求而定。

[0066] 本实施例这并不限定所述籽晶的形状和尺寸，所述籽晶层可以为与容器底部大小和形状基本相同的大块籽晶，也可以由多个小块籽晶拼贴形成，若是后者，为了铺设过程的方便以及满足完整平铺的需要，籽晶体的截面形状最好具有规则的几何形状，优选所述籽晶形状为长方形，更优选为正方形，要尽可能选择较大的籽晶，以使拼贴形成的籽晶间的缝隙尽可能小，以保证多晶硅锭的质量。关于所述籽晶的形状、尺寸、铺设方式等在以下实施例中详细说明，本实施例中不做具体限定。

[0067] 并且，本实施例中也不具体限定所述籽晶层的铺贴方式，但是为了保证多晶硅锭中的单晶硅的质量，优选的，所述籽晶铺设于所述容器的中间区域，另外，为了更好的控制所述多晶硅锭的制作过程和质量，所述籽晶层应与所述容器底部保持基本平行或近似平行。

[0068] 同样的，本实施例中也不具体限定所述籽晶层的厚度，以具体生产过程和生产条件而定，优选的，所述籽晶层的厚度为2mm-400mm，更优选的，所述籽晶层的厚度为10mm-100mm，更优选的，所述籽晶层的厚度为10mm-60mm。

[0069] 另外，本实施例中的多晶硅锭生长炉内的容器形状和材质由生产过程中采用的多晶硅锭生长炉内而定，一般情况下，由于本实施例中是采用铸造的方式生产多晶硅锭的，所述容器为坩埚，更普遍的为石英坩埚，当然，所述容器还可以选择其它可用于多晶硅锭的铸造过程的可一次性使用的坩埚或可重复使用的坩埚，如碳化硅坩埚或氮化硅坩埚等。

[0070] 本实施例中所述“铸造”过程具体是指在用于保持熔融硅的模具或容器中通过对熔融硅进行冷却形成硅锭。一般情况下，目前普遍采用定向凝固法(Directional Solidification System，简称DSS)炉晶体生长技术，采用该工艺可生产大的方形多晶硅片，降低了下游电池加工的成本。本实施例中优选采用定向凝固法的生长炉。

[0071] 步骤S102：将固态的硅原料装载到所述籽晶层的上方；

[0072] 本实施例中不限定装载所述固态的硅原料的方式，具体装载硅原料的方式根据硅原料的大小而定，只要保证能够能够把料合理的装载到容器中，并能保证熔料过程坩埚等的安全即可。

[0073] 步骤S103：对所述容器进行加热，熔化所述硅原料和部分所述籽晶层，以形成液体层，至少保持与所述容器底部接触的部分籽晶层为固态；

[0074] 采用不同的多晶硅锭生长炉，对所述容器进行加热的方法也就不尽相同，如采用热交换法的生长炉、采用布里奇曼法的生长炉或是采用二者相结合技术的生长炉，其加热方法各有不同，只要能够将固态的硅原料和部分籽晶层熔化，满足该步骤的熔化需求即可。

[0075] 需要说明的是，该步骤中并不限定固液界面与容器底部的接触状态，固液界面可以与容器底部具有小的夹角，或者固液界面有少量的凹凸不平的区域，也可以与容器底部平行，但是为了保证制造出的多晶硅的质量，本实施例中优选为，在对容器进行加热过程中，尽量保持固液界面与所述容器底部基本平行或近似平行，可使未熔化的籽晶能够占据整个容器底部，而且未熔化的部分籽晶层可以阻挡来自容器(坩埚)底部的氧杂质进入熔融硅中，以减少铸造主体中氧杂质的含量，如减少氧杂质与掺杂的硼结合形成的硼氧复合体，以降低太阳能电池的衰减系数。

[0076] 步骤S104：控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述液体层进行第一次结晶形成结晶层，以使所述固液界面向远离所述容器底部的方向移动，完成多晶硅锭的生长。本实施例中第一次开始结晶时，固态籽晶层的厚度为1mm-50mm，优选为5mm-30mm，更优选为20mm。

[0077] 与上一步骤类似，采用不同的多晶硅锭生长炉，对熔融硅进行冷却的方法也不相同，可以利用生长炉底部的冷却装置吸热，也可以通过降低生长炉底部加热器的功率的方式，来降低坩埚底部的温度，同样使炉膛内形成与坩埚底部垂直的温度梯度，以实现熔融硅的从下往上的结晶过程。

[0078] 在本步骤中对熔融硅进行冷却结晶过程中，由于杂质的分凝作用，硅原料中的杂质(如碳化硅、氮化硅等)就会富集在固液界面处，而结晶后的固态多晶硅中的杂质含量很少，但是如果结晶速度过快，碳化硅、氮化硅等杂质会来不及分凝而存留在固态的多晶硅中，成为杂质富集层或在晶体内钉扎的硬质点。

[0079] 本实施例中为了避免因生长速度过快而形成杂质富集层和硬质点，可以通过控制结晶温度的变化来尽量控制结晶的速度，以使结晶速度不至于过快或过慢，具体如何控制可根据生产过程的情况而定。

[0080] 本发明实施例所提供的技术方案，采用铸造的方法生产多晶硅锭，通过在容器底部预先铺设大面积籽晶形成籽晶层，由籽晶引导单晶硅区域的生长，使生产出的多晶硅锭中包含连续大尺寸的单晶硅区域，所述单晶硅区域的晶体学取向与位于其下方的所述籽晶的晶体学取向相同。

[0081] 由于铸造过程中底层的籽晶层隔绝了容器底部的氧向硅原料中扩散，从而降低了多晶硅锭中的氧的含量，而且，由于多晶硅锭中含有大尺寸的单晶硅区域，晶体的晶粒面积大，相应的晶界密度就大大降低了，因此，采用本发明实施例提供的多晶硅锭生产出的太阳能电池，较现有技术中的单晶硅太阳能电池衰减系数更低，较现有技术中的多晶硅太阳能电池光电转换效率更高。

[0082] 实施例二

[0083] 本实施例中公开的多晶硅锭的铸造方法的流程图如图2所示，与上一实施例不同的是，本实施例中将所述籽晶的选择、籽晶层的形成方式以及装载硅原料的过程具体化，该方法包括以下步骤：

[0084] 步骤S201：在多晶硅锭生长炉内的容器底部，采用晶体学取向相同的籽晶拼接平铺形成所述籽晶层，所述籽晶层与所述容器底部基本平行；

[0085] 本实施例中优选为采用(100)取向的单晶硅平铺形成所述籽晶层，优选的，所述籽晶层的面积占据所述容器底部面积的百分比，即所述籽晶层的面积占所述容器底部面积的50％-99％，更优选的，所述籽晶层的面积占据所述容器底部面积的70％-99％，更优选的，所述籽晶层的面积占据所述容器底部面积的90％-99％，更优选的，所述籽晶层的面积占据所述容器底部面积的95％-99％。

[0086] 具体的，本实施例中的籽晶在容器底部的排列方式的俯视图如图3所示，本实施例中的籽晶的形状优选为规则的几何形状，更优选为长方形，更优选为正方形。结合生长炉和容器底部的形状，以方形为例，本实施例中完成铺贴后的籽晶层也为方形，由于铺贴方式的限制，籽晶层不能占据容器底部的全部面积，优选的，本实施例中由(100)取向的单晶硅21铺贴形成的籽晶层的各个边与容器边缘的距离近似，以保证多晶硅锭中的单晶硅区域更均匀。

[0087] 步骤S202：将小颗粒的硅原料装载到所述籽晶层的上方，以填充所述籽晶间的缝隙以及所述籽晶层与所述容器侧壁间的缝隙；

[0088] 本实施例中由于采用小块的籽晶铺贴形成籽晶层，考虑到铺贴过程中会在拼接缝的位置以及籽晶层与容器侧壁间会出现缝隙，在铸造过程中，这些缝隙容易导致铸造主体中出现空洞等缺陷，从而影响产品质量，采用小颗粒的硅原料填充缝隙，一方面可以避免铸造主体中的空洞缺陷，还能够排除缝隙中的杂质气体，以减小漩涡缺陷及各种氧诱导缺陷等，并且还可以利用小颗粒硅原料的具有较大的比表面积，较为容易吸热熔化的优点，填充缝隙，可以更好的阻挡容器底部的氧等杂质。

[0089] 步骤S203：将大体积的硅原料装载到所述小颗粒硅原料的上方，直至容器(坩埚)被填满，即完成硅原料的装载过程。

[0090] 本实施例中完成硅原料装载后的示意图如图3和图4所示，图3为俯视图，图中由(100)取向的单晶硅21铺贴形成的籽晶层被硅原料22包围，图4为剖面图，籽晶层23上方为小颗粒的硅原料24，再上方是大体积的硅原料26，籽晶层23不直接与坩埚25的侧壁接触，籽晶层23与坩埚25的侧壁间的缝隙有小颗粒硅原料24填充。

[0091] 之后执行步骤S204-步骤S205，对所述硅原料和部分籽晶层进行熔化-结晶过程，该过程与上一实施例中的步骤S103-步骤S104类似，这里不再赘述。

[0092] 实施例三

[0093] 与上一实施例不同的是，本实施例中籽晶层的铺设方式和籽晶的选择不同，本实施例中籽晶的晶体学取向不同。本实施例公开的多晶硅锭的铸造方法的流程图如图5所示，该方法包括以下步骤：

[0094] 步骤S301：采用具有第一晶体学取向的籽晶拼接铺贴，覆盖所述容器底部的部分区域，形成具有第一晶体学取向的籽晶区域；

[0095] 步骤S302：采用具有第二晶体学取向的籽晶覆盖所述容器底部的部分区域，形成具有第二晶体学取向的籽晶区域，所述具有第一晶体学取向的籽晶区域和所述具有第二晶体学取向的籽晶区域共同形成所述籽晶层，所述籽晶层与所述容器底部基本平行，其中，所述具有第一晶体学取向的籽晶区域被所述具有第二晶体学取向的籽晶区域包围，本实施例中所述第一晶体学取向与第二晶体学取向是不同的，二者均可取(100)、(110)或(111)等晶体学取向中的一种；

[0096] 步骤S303：将小颗粒的硅原料装载到所述籽晶层的上方，以填充所述籽晶间的缝隙以及所述籽晶层与所述容器侧壁间的缝隙，本步骤与上一实施例类似，不在赘述；

[0097] 步骤S304：将大体积的硅原料装载到所述小颗粒硅原料的上方，直至容器(坩埚)被填满，即完成硅原料的装载过程，本步骤与上一实施例类似，不在赘述。

[0098] 之后执行步骤S305-步骤S306，对所述硅原料和部分籽晶层进行熔化-结晶过程，该过程与上一实施例中的步骤S204-步骤S205类似，这里不再赘述。

[0099] 本实施例中优选采用(100)晶体学取向的单晶硅作为第一晶体学取向的籽晶，采用(110)晶体学取向的单晶硅作为第二晶体学取向的籽晶，具体铺贴效果如图6所示，本实施例中的籽晶的形状优选为规则的几何形状，更优选为长方形，更优选为正方形。结合生长炉和容器底部的形状，以方形为例，本实施例中完成铺贴后的籽晶层也为方形，其中，(100)晶体学取向的单晶硅21占据容器底部的中间区域，优选的，由(100)晶体学取向的单晶硅21铺贴形成的籽晶区域的边缘与容器边缘的距离基本相同，(110)晶体学取向的单晶硅41铺贴形成的籽晶区域包围由(100)晶体学取向的单晶硅21铺贴形成的籽晶区域，优选的，由(110)晶体学取向的单晶硅41铺贴形成的籽晶区域的边缘与容器边缘的距离基本相同，以保证多晶硅锭中的单晶硅区域更均匀。

[0100] 当然，本实施例中并不限定各个区域的籽晶的晶体学取向，以上仅以(100)晶体学取向的单晶硅和(110)晶体学取向的单晶硅为例对本实施例的方案进行说明。

[0101] 采用本实施例的方法铸造出的多晶硅锭的剖面图如图7所示，此多晶硅锭的中间部分为第一晶体学取向的单晶硅区域31，本实施例中优选为(100)晶体学取向，第一晶体学取向的单晶硅区域31与其下方的籽晶具有一致的晶体学取向，第二晶体学取向的单晶硅区域35包围着第一晶体学取向的在单晶硅区域31，在第二晶体学取向的单晶硅区域35周围为晶体学取向随机的多晶硅区域33，在坩埚底部还有未熔化的籽晶层23，由于铺贴的籽晶间具有缝隙，缝隙间填充的是小颗粒的硅原料，从而制作出的多晶硅锭的单晶硅区域31间存在晶界34。

[0102] 由于坩埚杂质的扩散，坩埚壁32的边缘成核点较多，容易形成较多的多晶晶体，因此在(100)晶体学取向的籽晶周边，包围其他晶向的籽晶，形成了一个保护边界，防止周边无序的多晶对内部单晶硅的生长区域的侵占，使最终得到的硅片上有尽可能多的具有(100)晶体学取向(即目标取向)的晶体面积，以及包含尽可能少的晶体生长方向，从而保证了最终产品的质量。

[0103] 实施例四

[0104] 本实施例公开的多晶硅锭的制造方法与上述实施例不同的是，本实施例中铺设籽晶层的单晶籽晶，在其上表面的几个棱边和边角处，沿倾斜方向切除一定的深度，形成底部具有规则形状的多面体，上部为凸台结构的籽晶，拼接成籽晶层。

[0105] 由于籽晶层的拼接缝区域，比较容易生长成多晶，在后续的生长过程中，多晶区域延伸和扩展，会侵占单晶硅区域的生长空间。而利用本实施例所提供的多晶硅锭的制造方法生长晶体时，在拼接缝区域能够形成局部凹的固液界面。由于晶体生长的方向垂直于固液界面，两边的的籽晶就会向着拼接缝的区域优先生长，从而抑制多晶区域的生长，以减少籽晶拼接缝所带来的不利影响。

[0106] 需要说明的是，如果所述籽晶层为一整块与容器底部大小和形状基本相同的大块单晶籽晶，那么利用本实施例所提供的多晶硅锭的制造方法生长晶体时，能够在边缘缝隙区域形成局部凹的固液界面。由于晶体生长的方向垂直于固液界面，边缘的的籽晶就会向着存在缝隙的区域优先生长，从而抑制多晶区域的生长，有助于单晶硅的生长。

[0107] 实施例五

[0108] 本实施例公开的多晶硅锭的制造方法与以上实施例不同的是，本实施例中的籽晶层为从所述多晶硅锭主体中切割下的一整块与硅锭横截面尺寸相同的块状板坯，所述多晶硅锭含有连续的大尺寸的单晶硅区域，所述单晶硅区域的晶体学取向与位于其下方的所述籽晶的晶体学取向相同。清洗干净后，作为新的铸造主体的籽晶层，如图8所示，为本实施例中的籽晶层铺贴完成后的铺贴效果示意图，容器底部的中间区域为从多晶硅锭中切割下来的块状板坯，也称为整体籽晶，该整体籽晶周边铺设有小块的硅原料，以填满整体籽晶与容器内壁间的缝隙。

[0109] 下面结合图8，以实施例二中生产出的多晶硅锭为例，对本实施例中的多晶硅锭的制造方法进行详细说明。

[0110] 按照实施例二中的方法铸造底面尺寸为840*840mm的含有单晶硅区域的多晶硅锭，然后在所铸多晶硅锭的主体上整体切割下一840*840*30mm厚度的板坯，对其侧面进行适当的打磨以便于后续籽晶的铺设，之后对其进行化学处理，去除在加工过程引入的杂质，并用纯水彻底清洗干净并烘干后，作为新的籽晶层。

[0111] 将其放置在840mm*840mm*420mm的准方形石英坩埚中，并添加400kg硅原料和一定比例的硼或磷等掺杂剂后，加热并监控固液界面的位置，使硅原料和部分厚度的籽晶熔化，并保持坩埚底部约20mm厚度的籽晶保持固态。

[0112] 控制生长炉内的热场，对液态的硅原料进行降温，使熔融硅沿着垂直于坩埚底部的方向自上而下结晶，完成晶体的生长。由于籽晶的引晶作用，生长的晶体为由多个大面积单晶硅区域组成的多晶硅锭，其中单晶硅区域具有与籽晶相同的晶体学取向。采用以上方法铸造出的多晶硅的结构与实施例二中的多晶硅锭的结构类似，这里不再赘述。

[0113] 以上具体实施例中的晶体生长过程和晶体尺寸并不能作为对本实施例方法主体思想的限定。

[0114] 需要说明的是，理论上，由于本实施例中的籽晶层的大小已与容器尺寸相近似，并且籽晶间不存在铺贴形成的缝隙，因此，在装载硅原料时，可以直接装载大块的硅原料，但是实际生产过程中，由于籽晶层放置的需要，在籽晶层与容器壁间可能存在一定缝隙，因此，在装载硅原料时，也可以根据周边缝隙的情况决定是否需先装载小颗粒的硅原料，以填充缝隙。

[0115] 实施例六：

[0116] 参考图9，本实施例公开的多晶硅锭的制造方法与上一实施例不同的是，本实施例中的籽晶层虽同样为从所述多晶硅锭主体中切割下的一块与硅锭横截面尺寸相同的块状板坯，将其洗净后，整体放入坩埚中，作为新的铸造主体的籽晶层。但在将整块块状板坯作为籽晶之前，需要对其进行一定的处理，即将其上表面的几个棱边和边角处，沿倾斜方向切除一定的深度，形成底部具有规则形状的多面体，上部为凸台结构的籽晶。

[0117] 由于籽晶层的边缘缝隙区域，比较容易生长成多晶，在后续的生长过程中，多晶区域延伸和扩展，会侵占单晶硅区域的生长空间。而利用本实施例所提供的多晶硅锭的制造方法生长晶体时，在边缘缝隙区域能够形成局部凹的固液界面。由于晶体生长的方向垂直于固液界面，边缘的的籽晶就会向着存在缝隙的区域优先生长，从而抑制多晶区域的生长，有助于单晶硅的生长。

[0118] 实施例七：

[0119] 参考图10，本实施例公开的多晶硅锭的制造方法与上一实施例不同的是，本实施例中的籽晶层虽同样为从所述多晶硅锭主体中切割下的一块与硅锭横截面尺寸相同的块状板坯，将其洗净后，整体放入坩埚中，作为新的铸造主体的籽晶层。但在将整块块状板坯作为籽晶之前，需要对其进行更进一步的处理，即将其边皮以及周边的边皮去掉以后，在切割下来的板坯中含有多晶硅区域的位置，切割具有一定深度的凹槽，这样在生长硅锭时，籽晶层上的凹槽便于形成局部凹的固液界面。由于晶体的生长方向垂直于固液界面，因此两边的籽晶区域就会向着缝隙的方向生长，从而抑制了块状板坯中的多晶硅区域在后续生长过程中的延伸和扩展，进而避免了由于多晶区域的延伸和扩展而影响到后续生长的晶体质量的问题。

[0120] 需要说明的是，本实施例中对凹槽的形状并不做限定，只是所述凹槽的纵切面可以为方形，也可以为弧形，优选为V形或梯形。

[0121] 实施例八：

[0122] 参考图11，本实施例公开的多晶硅锭的制造方法与上一实施例不同的是，本实施例中将上述块状板坯切割成多个小块，并将每个小块块状板坯上表面的棱边和边角，沿一定角度切除一部分，从而形成底部具有规则形状，上部为凸台结构的形状，然后将多个小块块状板坯拼贴形成籽晶层。

[0123] 为了铺设过程的方便以及满足完整平铺的需要，块状板坯的截面形状最好具有规则的几何形状，优选所述块状板坯的形状为长方形，更优选为正方形，要尽可能选择较大的块状板坯，以使拼贴形成的籽晶间的缝隙尽可能少，以保证多晶硅锭的质量。另外，为了更好的控制所述多晶硅锭的制作过程和质量，所述籽晶层应与所述容器底部保持基本平行或近似平行。

[0124] 本实施例所提供的多晶硅锭的制造方法在晶体生长时，拼接缝区域就会形成局部凹的固液界面，又由于晶体的生长方向垂直于固液界面，两边的籽晶就会向着拼接缝的方向优先生长，抑制了多晶区域的生长，以减少籽晶拼接缝所带来的不利影响。

[0125] 需要说明的是，本实施例中对凹槽的形状并不做限定，只是所述凹槽的纵切面可以为方形，也可以为弧形，优选为V形或梯形。

[0126] 本实施例所提供多晶硅锭的制造方法，不仅解决了用单晶籽晶铺设籽晶层所带来的成本高的问题，还解决了用块状板坯铺设籽晶层所引起的易于多晶延伸和扩展的问题，而且易于铺设，不用借助辅助工具。

[0127] 实施例九：

[0128] 在正常铸锭过程中，晶体生长完成后，需将晶体冷却到一定温度，从铸锭炉中移除多晶硅锭，之后对多晶硅锭进行进一步的加工。

[0129] 如实施例一中步骤104中所述，熔融硅的结晶速度会影响最终产品的质量，可以通过减缓生长速度的方式来减少产品中的硬质点和杂质富集层，但是由于在开始结晶初期，晶体的生长速度比较难以控制，为避免上述缺陷，因此，本实施例在实施例一的基础上，对步骤S104中完成晶体生长的过程进行了进一步的限定，详细描述了多晶硅锭形成的具体过程。

[0130] 参考图12，本实施例中所述控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述液体层进行结晶形成结晶层，以使固液界面向远离所述容器底部的方向移动，完成多晶硅锭的生长的过程具体包括：

[0131] 步骤S404：控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述液体层进行结晶形成结晶层，以使固液界面向远离所述容器底部的方向移动；

[0132] 步骤S405：所述固液界面向远离所述容器底部的方向移动相应距离后，进入回熔结晶过程，至少执行一次所述回熔结晶过程后，得到多晶硅锭；

[0133] 其中，所述回熔结晶过程包括，控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对所述结晶层进行回熔，使所述固液界面向靠近所述容器底部的方向移动，之后，控制所述多晶硅锭生长炉内的热场，对液体层进行结晶，以使所述固液界面向远离所述容器底部的方向移动，所述固液界面向靠近所述容器底部的方向移动的距离小于所述固液界面向远离所述容器底部的方向移动的距离。

[0134] 通过回熔结晶过程，即在一定的生长阶段，对结晶后的晶体进行重新熔化(即回熔)，可使已经析出留存在固态晶体中的杂质再重新溶解在溶液中，在后续的再次结晶过程中，杂质继续分凝，如此往复，相当于在一定程度上延长了杂质的分凝时间，避免了杂质析出留存在晶体中，改善了晶体的质量。

[0135] 需要说明的是，本实施例不限定结晶过程进行到何种程度时进行回熔，也不具体限定回熔到何种程度后进行再次结晶，即不限定所述固液界面向远离所述容器底部的方向移动相应距离是多少，以及所述固液界面向靠近所述容器底部的方向移动相应距离是多少，只要保证每次结晶的高度大于回熔的高度即可，即所述固液界面向靠近所述容器底部的方向移动的距离小于所述固液界面向远离所述容器底部的方向移动的距离，以保证晶体处于生长状态。

[0136] 另外，本实施例中不限定每次回熔开始的时间，也不限定每次回熔的多少和回熔的次数，即本实施例中的晶体生长过程可以有多种，下面对本实施例中晶体生长的过程进行说明。

[0137] 一是在步骤S404中熔融硅结晶生长到一定高度时，进行一次回熔过程，使固态的晶体硅进行二次熔化，熔化的高度小于生长的高度，当回熔到一定高度后，进行二次结晶过程，一直使生长炉内的温度维持在较低水平，直至多晶硅锭生长完成，如图13所示，该过程为结晶-回熔-结晶，直至生长完成，其中，图13a为所述硅晶体结晶前的状态示意图，图13b为所述硅晶体在图13a的基础上结晶后的状态示意图，图13c为所述硅晶体在图13b的基础上回熔后的状态示意图，图13d为所述硅晶体在图13c的基础上结晶后的状态示意图，图13中示出了：硅液91、固液界面92、硅晶体93以及坩埚底部94。图中h1、h2、h3、h4分别表示图13a～图13d中所述硅晶体的高度，则图13a～图13d中所述硅晶体的高度间的关系为h4＞h2＞h3＞h1；二是首先通过几次回熔结晶过程的循环，使晶体阶梯式的生长一定高度后，一直降低炉内温度，使晶体持续结晶，即固液界面一直沿着远离容器底部的方向前进，直至完成多晶硅锭的生长过程，该过程为重复多次的过程后，一直结晶，直至生长完成；
三是整个晶体的生长过程中一直进行回熔-结晶过程，该过程为一直重复结晶-回熔-结晶过程，直至硅锭生长完成。具体选用上述哪种晶体生长过程，本实施例中不做具体限定，选择的依据应该是在尽可能保证多晶硅锭的质量的前提下，节省晶体生长的时间和所需的能量损耗。

[0138] 由于本实施例中采用多次回熔结晶的方式形成多晶硅锭，整体上相当于在一定程度上减缓了晶体的凝固速度以及杂质的分凝速度，使杂质(如碳化硅、氮化硅等)有足够的时间并且能够充分的进行分凝，即便是先期析出的杂质，在后续的回熔过程中，也可以再次溶解到硅液中，从而避免了杂质留存在已经凝固的晶体区域，进而减少了铸造主体内的杂质含量，提高了少子寿命，从而提高了太阳能电池的光电转化效率。

[0139] 需要说明的是，本发明实施例中所述籽晶层的铺设方式，除了可以为与容器底部大小和形状基本相同的大块籽晶，也可以由多个小块籽晶拼贴形成外，还可以为实施例三～实施例八任一种实施例中所提供的籽晶层铺设方式。

[0140] 实施例十：

[0141] 本实施例公开了采用以上各实施例的方法制作出的多晶硅锭和采用制作出的多晶硅锭制作的太阳能晶片和太阳能电池。

[0142] 其中，所述多晶硅锭中包含晶体学取向一致的连续大尺寸的单晶硅区域，将所述多晶硅锭两端的杂质富集层切除后，对其它主体区域进行切割得到太阳能晶片，利用所述晶片制作太阳能电池，所述太阳能电池包括：

[0143] 晶片，所述晶片上具有晶体学取向一致的连续大尺寸的单晶硅区域；

[0144] 所述晶片中的P-N结；

[0145] 所述晶片上的导电触点。

[0146] 另外还包含涂镀在所述晶片上的减反射膜，以降低晶片对光的反射，增强对光的吸收。

[0147] 本实施例中的多晶硅锭中氧、碳和其它杂质的含量都较低，并且晶界密度等缺陷大大降低，由于生产过程中对铸造主体内的硬质点进行了良好的控制，因此铸造主体内的缺陷密度也大大降低。

[0148] 由于得到的晶片具有连续大面积的晶体学取向一致的单晶硅区域，因此可以采用化学方法择优腐蚀金字塔绒面，对晶片表面进行较好的织构，增加对光的吸收，并且，晶片中较低的晶界密度，可以有效的避免了因材料中的晶界密度过高造成的太阳能电池片的光电转换效率低的缺陷。

[0149] 综上所述，相对于现有技术中的单晶硅太阳能电池，本实施例中的太阳能电池具有更低的衰减系数，相对于现有技术中的多晶硅太阳能电池，本实施例中的太阳能电池具有更高的光电转换效率。

[0150] 本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

[0151] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。