CN101805924A - 用于生产太阳能电池的晶态硅衬底的装置 - Google Patents

用于生产太阳能电池的晶态硅衬底的装置 Download PDF

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CN101805924A CN201010001221A CN201010001221A CN101805924A CN 101805924 A CN101805924 A CN 101805924A CN 201010001221 A CN201010001221 A CN 201010001221A CN 201010001221 A CN201010001221 A CN 201010001221A CN 101805924 A CN101805924 A CN 101805924A
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Abstract

一种用于生产太阳能电池的晶态硅衬底的装置。所述装置包括反应器；设置在反应器内的硅容器，用于在其内容纳硅原料；设置在硅容器上部的上部加热器，其用于加热容纳在硅容器内的硅原料；设置在硅容器下部的下部加热器，其用于加热容纳在硅容器内的硅原料；以及设置在反应器内部的隔热体单元，其用于包围硅容器、上部加热器和下部加热器。所述隔热体单元设有一个侧部隔热体，所述侧部隔热体包括固定的侧部隔热部件，与固定的侧部隔热部件结合的多个可移动侧部隔热部件，以及多个侧部驱动器，其可操作地连接到可移动侧部隔热部件上，用于朝向或远离硅容器移动可移动侧部隔热部件。

Description

用于生产太阳能电池的晶态硅衬底的装置
技术领域
本发明涉及一种用于生产太阳能电池的晶态硅衬底(crystallized siliconbody)的装置，尤其涉及一种生产如下的晶态硅衬底的装置，其在熔化阶段能够解除隔热以使热转移率最大和增加熔化率，在结晶阶段能够对硅容器的侧面隔热，但是对硅容器的下部解除隔热，以在以一个方向实施冷却并且在结晶后期打开隔热空间，以缩短冷却时间并促进下一生产循环。
背景技术
一般来说，太阳能电池的多晶硅铸块通过如下方式进行生产，即在石英或石墨炉内装满硅原料，将所述硅原料融化成硅液体并且直接将硅液体固化成多晶硅铸块。由于太阳能电池的需求每年以百分之几十的速度急增，因此用于生产太阳能电池的多晶硅铸块的需求在近些年也急剧增长。
日本专利申请号11-101706公开了一种典型的传统多晶硅的生产装置，其在图1中示出。
参考图1，所述多晶硅生产装置1包括具有双壁2a的反应器2，在所述双壁之间限定一个冷却剂通道，通过所述冷却剂通道可以循环冷却剂；设置在反应器2内的硅容器4，在该硅容器内容纳硅原料3a；冷却板5，其设置在硅容器4下部，并从反应器2的外部提供冷却剂以用于冷却包含在硅容器4内的硅液体3；包围单元6，其设有多个隔热部件，用于包围硅容器4和冷却板5；用于包围硅容器4外围的容器隔热部件4a，以隔热硅容器4；上部加热器7a，其设置在所述包围单元6内的硅容器4的上部，用于加热放入硅容器4内的硅原料3a；下部加热器7b，其设置在所述包围单元6内的硅容器4的下部，用于加热放入硅容器4内的硅原料3a；气体入口8，通过所述气体入口8可以将惰性气体引入反应器2内；隔热部件移动单元9，用于移动行成为包围单元6一部分的可移动隔热部件6a；以及分隔部件6d，其围绕冷却板5设置，用于将包围单元6的内部空间分成上部空间6b和下部空间6c。
采用上述结构的多晶硅生产装置1，硅原料3a放入硅容器4内，并且通过上部加热器7a和下部加热器7b加热成硅液体3。然后，通过远离包围单元6移动可移动隔热部件6a，将冷却的惰性气体引入到下部空间6c并且通过冷却板5循环冷却剂，来使硅液体3冷却并结晶。这可以以增长的冷却速度冷却硅容器4和硅液体3。
但是，在传统的装置中，所述容器隔热部件固定在某一位置，以便与硅容器永久隔热。在加热硅原料的过程中，上部加热器的热量通过隔热部件被阻断，不能传递到硅容器的侧面。这就减小了硅原料的熔化速度。
而且，传统的装置结构复杂，难以操作，因为冷却剂需要供应到具有特殊设计的冷却剂供应单元的冷却板上。
由于在结晶完成之后，只有硅容器的下部冷却，因此传统的装置受到冷却速度减小，为下一生产循环而需要长时间等待的困扰。这就导致生产率减小。
在这些情况下，急需要存在一种用于生产太阳能电池的晶态硅衬底的装置，其能够通过增加热传递面积增强熔化效率，并且通过在结晶阶段后期快速冷却硅液体，也能够缩短为下一生产循环等待的时间。
发明内容
鉴于现有技术中的上述和其他内在的问题，本发明的一个目的是提供一种用于生产太阳能电池的晶态硅衬底的如下的装置，其在熔化阶段能够解除隔热以增加熔化率，在结晶阶段实施隔热，并且在结晶阶段之后打开隔热空间，以快速实施冷却。
本发明的另一目的是提供一种生产太阳能电池的晶态硅衬底的如下的装置，其能够使用一部分侧部隔热部件作为容器隔热部件，从而不需要使用另外的隔热部件来对硅容器的侧面进行隔热，同时确保硅晶体的单向增长。
本发明的另一目的是提供一种生产太阳能电池的晶态硅衬底的如下的装置，其在硅晶体生长的后期能够打开隔热空间，从而快速冷却硅容器并且快速进入下一生产循环。
本发明的又一目的是提供一种生产太阳能电池的晶态硅衬底的如下的装置，其中，用于对硅容器的侧面进行隔热的可移动隔热部件在其移动过程中通过工作台支撑，从而可以阻止可移动隔热部件偏转或变形。
根据本发明，提供一种用于生产太阳能电池的结晶硅衬底的装置，其包括反应器；设置在反应器内的硅容器，其用于在其内容纳硅原料；设置在硅容器上部的上部加热器，其用于加热容纳在硅容器内的硅原料；设置在硅容器下部的下部加热器，其用于加热容纳在硅容器内的硅原料；以及设置在反应器内部的隔热体单元，其用于包围硅容器、上部加热器和下部加热器，其中所述隔热体单元包括：侧部隔热体，其具有顶部和底部开口，上部隔热体，其结合到所述侧部隔热体的顶部开口，以及下部隔热体，其结合到侧部隔热体的底部开口，其中，所述侧部隔热体包括侧部固定隔热部件，与侧部固定隔热部件结合并相对于硅容器移动的多个侧部可移动隔热部件，以及多个侧部驱动器，其可操作地连接到侧部可移动隔热部件上，用于朝向或远离硅容器移动侧部可移动隔热部件。
在上述的装置中，所述上部隔热体包括具有一个孔的上部固定隔热部件，固定到上部固定隔热部件的孔上的上部可移动隔热部件，以及相对于上部固定隔热部件移动上部可移动隔热部件的上部驱动器，以打开和关闭上部固定隔热部件的孔。
在上述的装置中，下部隔热体包括具有一个孔的下部固定隔热部件，固定到下部固定隔热部件的孔上的下部可移动隔热部件，以及相对于下部固定隔热部件移动下部可移动隔热部件的下部驱动器，以打开和关闭下部固定隔热部件的孔。
上述的装置还包括用于支撑硅容器的工作台，当侧部可移动隔热部件朝向或远离硅容器移动时，所述工作台设置成支撑侧部隔热体的侧部可移动隔热部件。
在上述的装置中，隔热体单元可以具有一个由侧部隔热体、上部隔热体和下部隔热体限定的内部隔热空间，所述内部隔热空间可以由工作台分成用于容纳硅容器和上部加热器的上部隔热空间和用于容纳下部加热器的下部隔热空间。
采用上述的本发明的结构，可以提供如下优点，即在熔化阶段能够解除隔热，以增加熔化效率，在结晶阶段实施隔热，并在结晶阶段之后打开隔热空间，以快速实施冷却。
本发明用于生产太阳能电池的结晶硅衬底的装置的另一优点在于能够使用一部分侧部隔热部件作为容器隔热部件，从而不需要使用另外的隔热部件来隔热硅容器的侧面，同时确保硅晶体的单向增长。
本发明的用于生产太阳能电池的晶态硅衬底的装置另一优点在于在硅晶体生长的后期能够打开隔热空间，从而快速冷却硅容器和快速进入下一生产循环。
本发明的另一优点在于用于隔热硅容器的侧面的可移动隔热部件在其移动过程中通过工作台支撑，从而可以阻止可移动隔热部件偏转或变形。
附图说明
本发明的上述和其他目的和特征通过优选实施例的下面描述以及附图的结合更加明确，其中：
图1是示出了传统的晶态硅衬底生产装置的垂直剖视图；
图2是根据本发明的生产太阳能电池的晶态硅衬底的装置的垂直剖视图；
图3是示出了本发明装置的熔化操作的垂直剖视图，通过所述熔化操作可以熔化固态的硅原料；
图4是示出了本发明装置的冷却操作的垂直剖视图，通过所述冷却操作可以结晶硅液体；
图5是示出了本发明装置的快速冷却操作的垂直剖视图，通过所述快速冷却操作可以快速冷却晶态硅衬底；以及
图6示出了在生产晶态硅衬底的过程中温度和时间之间的相互关系的曲线图。
具体实施例
本发明的一个优选实施例将结合附图在下面进行详细地描述。
首先，参考图2和图3，根据本发明，用于生产太阳能电池的晶态硅衬底的装置100包括：具有气体入口11的反应器10，通过所述气体入口11可以将惰性气体引入反应器10内；设置在反应器10内的硅容器20，用于在其内容纳硅原料22；工作台21，用于支撑放置在其上的硅容器20；设置在硅容器20上部的上部加热器30，其用于加热容纳在硅容器20内的硅原料22；设置在硅容器20下部的下部加热器40，其用于加热容纳在硅容器20内的硅原料；以及设置在反应器10内部的隔热体单元50，其用于包围硅容器20、上部加热器30和下部加热器40。
所述隔热体单元50包括具有顶部开口和底部开口的侧部隔热体51，结合到所述侧部隔热体51的顶部开口的上部隔热体52，以及结合到侧部隔热体51的底部开口的下部隔热体53。所述侧部隔热体51、上部隔热体52和下部隔热体53在它们之间共同限定隔热空间。所述工作台21设置在隔热体单元50内，以便能支撑硅容器20。
所述侧部隔热体51包括：如大致矩形管状的侧部固定隔热部件51a，与侧部固定隔热部件51a结合的多个侧部可移动隔热部件51b以及多个侧部驱动器51c，所述侧部驱动器51c可操作地连接到侧部可移动隔热部件51b，用于朝向或远离硅容器20水平移动侧部可移动隔热部件51b。在移动过程中，侧部可移动隔热部件51b通过工作台21支撑并沿工作台21滑动。
所述上部隔热体52包括：具有一个孔的上部固定隔热部件52a，固定到上部固定隔热部件52a的孔上的上部可移动隔热部件52b，以及相对于上部固定隔热部件52a垂直移动上部可移动隔热部件52b的上部驱动器52c，以打开和关闭上部固定隔热部件52a的孔。
类似地，下部隔热体53包括具有一个孔的下部固定隔热部件53a，固定到下部固定隔热部件53a的孔上的下部可移动隔热部件53b，以及相对于下部固定隔热部件53a垂直移动下部可移动隔热部件53b的下部驱动器53c，以打开和关闭下部固定隔热部件53a的孔。所述侧部驱动器51c，上部驱动器52c和下部驱动器53c可以形成例如空气气缸。
所述反应器10包括外壁12和内壁13，两个壁彼此分隔以限定冷却剂流动路径10a。冷却剂通过冷却剂流动路径10a流动。所述侧部隔热体51的侧部固定隔热部件51a通过多个连接器57连接到反应器10的内壁13上。
所述硅容器20充当储蓄器的作用，其用于容纳通过熔化硅原料22获得的硅液体23。上部加热器30和下部加热器40以有效地加热硅容器20的方式设置在隔热空间内。延伸通过反应器10的外壁12和内壁13的上部电极31和隔热体单元50的上部隔热体52连接到上部加热器30上。同样，延伸通过反应器10的外壁12和内壁13的下部电极41和隔热体单元50的下部隔热体53连接到下部加热器40上。用于感测上部加热器30的温度的热电偶32连接到上部加热器30上。
隔热体单元50的隔热空间由工作台21分成用于容纳上部加热器30和硅容器20的上部隔热空间50a和用于容纳下部加热器40的下部隔热空间50b。
在硅原料22熔化成硅液体23的熔化阶段，侧部隔热体51的侧部可移动隔热部件51b保持远离硅容器20移动，然而上部隔热体52的上部可移动隔热部件52b和下部隔热体53的下部可移动隔热部件53b保持与上部固定隔热部件52a和下部固定隔热部件53a结合。在硅液体23经过晶体成长的结晶阶段，侧部可移动隔热部件51b朝向硅容器20移动，以与其侧面接触，下部可移动隔热部件53b远离下部固定隔热部件53a移动，以打开下部隔热空间50b，从而允许硅液体23以一个方向固化。在结晶阶段的后期，侧部可移动隔热部件51b远离硅容器20移动，以解除其隔热，上部可移动隔热部件52b远离上部固定隔热部件52a移动，以打开上部隔热空间50a，从而允许硅容器20快速冷却。
接下来，详细描述本发明的装置100的操作。
打开反应器10的门(未示出)，在设置于工作台21的硅容器20内放入硅原料22，如图3所示。关闭所述门，存在于反应器10内的空气通过真空泵(未示出)排出，以使反应器10抽空成真空状态(未示出)。通过反应器10上的气体入口11将惰性气体引入反应器10内。
然后，上部加热器30和下部加热器40开始加热上部隔热空间50a和下部隔热空间50b。加热温度设定成比1410℃高一点，因为硅原料22在1410℃开始熔化。容纳在硅容器20内的硅原料22完全在此加热温度熔化。上部加热器30直接加热硅容器20的上部，同时，下部加热器40通过工作台21间接加热硅容器20的底部。
这时，操作侧部驱动器51c以远离硅容器20移动侧部可移动隔热部件51b，从而解除硅容器20的侧面的隔热，以便热量能够直接传递到硅容器20的侧面。上部可移动隔热部件52b和下部可移动隔热部件53b保持与上部固定隔热部件52a和下部固定隔热部件53a的孔结合，从而关闭上部隔热空间50a和下部隔热空间50b。当实施加热操作时，硅原料22熔化成硅液体23。
一旦通过加热操作获得硅液体23时，如图4和图6所示，下部加热器40关闭，同时保持上部加热器30打开。操作侧部驱动器51c以朝向硅容器20移动侧部可移动隔热部件51b，从而硅容器20的侧面通过侧部可移动隔热部件51b隔热。同时，操作下部驱动器53c以远离下部固定隔热部件53a移动下部可移动隔热部件53b，以便反应器10的内部空间10b能够通过下部固定隔热部件53a的孔与下部隔热空间50b相通。因此，由循环通过冷却剂流动路径10a的冷却剂冷却的惰性气体引入下部隔热空间50b，以逐渐冷却含有硅液体23的硅容器20的底部。通过调节上部加热器30的热产生量和下部可移动隔热部件53b的打开程度，硅液体23的冷却速度以这种方式控制，即硅液体23能够逐渐从其底部固化，并同时保持硅液体23的上部熔化。
侧部可移动隔热部件51b用于阻止热从硅容器20的侧面散发或者阻止热作用到硅容器20的侧面，以便没有水平温度梯度出现在硅容器20内。假定硅容器20的侧面比其中心的温度高，那么晶体成长方向或杂质浓度可以变得不规则。这就减小了晶态硅衬底的质量和其生产率。
通过控制硅液体23的冷却速度，也就是，控制上部加热器30的热生产量和下部可移动隔热部件53b的打开程度，在硅液体23固化成晶态硅衬底24之后，晶态硅衬底24在大约1200℃经过退火，以除去保留在其内的温度应力。
在退火的后期阶段，关闭上部加热器30，侧部可移动隔热部件51b远离硅容器20移动，如图5和图6所示。同时，操作上部驱动器52c以远离上部固定隔热部件52a移动上部可移动隔热部件52b，从而打开后者的孔。因此，由循环通过冷却剂流动路径10a的冷却剂冷却的惰性气体引入上部隔热空间50a，以快速冷却硅容器20和包含在其内的晶态硅衬底24。同时，下部可移动隔热部件53b保持打开状态。
如果硅容器20和反应器10充分冷却，那么上部可移动隔热部件52b和下部可移动隔热部件53b移入原始位置，以关闭上隔热空间50a和下隔热空间50b。此后，反应器10的门打开，以取出晶态硅衬底24，从而终止晶态硅衬底24的生产周期。
如上所述，当侧部可移动隔热部件51b朝向硅容器20移动或远离硅容器20移动时，它们通过工作台21支撑并沿所述工作台21移动。这就减小了由侧部驱动器51c承受的负载，并阻止了侧部驱动器51c的活塞杆偏转或变形。因此，侧部驱动器51c能够在结构上以稳定的状态进行操作。
在熔化硅原料22的熔化阶段，侧部可移动隔热部件51b远离硅容器20移动，以便上部加热器30和下部加热器40的热量能够作用到硅容器20的侧面。这有助于增加熔化效率。
在结晶硅液体23的结晶阶段，侧部可移动隔热部件51b与硅容器20的侧面接触，从而使水平温度梯度最小。另外，下部可移动隔热部件53b远离上部固定隔热部件52a移动，以打开下部隔热空间50b。然后，充入反应器10的内部空间10b的冷却惰性气体引入到下部隔热空间50b内，以确保硅晶体的单向增长。这就可以产生具有高质量和增加生产率的晶态硅衬底24。
在结晶的后期阶段，侧部可移动隔热部件51b远离硅容器20移动，上部可移动隔热部件52b远离上部固定隔热部件52a移动，以允许上部隔热空间50a与反应器10的内部空间10b相通。因此，冷却的惰性气体引入上部隔热空间50a内，以快速冷却硅容器20和晶态硅衬底24。此时，下部可移动隔热部件53b保持与下部固定隔热部件53a远离，以便下部隔热空间50b能够与反应器10的内部空间10b相通。这就减小了进入下一生产周期所需要的时间。
通过使用侧部可移动隔热部件51b，上部可移动隔热部件52b和下部可移动隔热部件53b，可以增加熔化速度和冷却速度同时确保硅晶体的单向增长。这有助于彻底增加晶态硅衬底24的生产率。
虽然本发明的某些实施例在上面已经进行了描述，但是本发明并不限于此。本领域技术人员可以理解的是，可以作出多种改变和修改而不脱离本发明权利要求书限定的范围。

Claims (5)

1.一种用于生产太阳能电池的晶态硅衬底的装置，其包括
反应器；
设置在反应器内的硅容器，该硅容器用于在其内容纳硅原料；
设置在硅容器上部的上部加热器，该上部加热器用于加热容纳在硅容器内的硅原料；
设置在硅容器下部的下部加热器，该下部加热器用于加热容纳在硅容器内的硅原料；以及
设置在反应器内部的隔热体单元，该隔热体单元用于包围硅容器、上部加热器和下部加热器，
其中所述隔热体单元包括：具有顶部开口和底部开口的侧部隔热体，结合到所述侧部隔热体的顶部开口的上部隔热体，以及结合到侧部隔热体的底部开口的下部隔热体，
其中，所述侧部隔热体包括：侧部固定隔热部件；与侧部固定隔热部件结合并相对于硅容器移动的多个侧部可移动隔热部件；以及多个侧部驱动器，其可操作地连接到侧部可移动隔热部件上，用于朝向或远离硅容器移动侧部可移动隔热部件。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上部隔热体包括：具有一个孔的上部固定隔热部件；固定到所述上部固定隔热部件的孔上的上部可移动隔热部件；以及相对于所述上部固定隔热部件移动所述上部可移动隔热部件的上部驱动器，以打开和关闭所述上部固定隔热部件的孔。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述下部隔热体包括：具有一个孔的下部固定隔热部件；固定到所述下部固定隔热部件的孔上的下部可移动隔热部件；以及相对于所述下部固定隔热部件移动下部可移动隔热部件的下部驱动器，以打开和关闭所述下部固定隔热部件的孔。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于支撑硅容器的工作台，当所述侧部可移动隔热部件朝向或远离所述硅容器移动时，所述工作台设置成支撑所述侧部隔热体的所述侧部可移动隔热部件。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔热体单元可以具有一个由所述侧部隔热体、所述上部隔热体和所述下部隔热体限定的内部隔热空间，所述内部隔热空间可以由所述工作台分成用于容纳所述硅容器和所述上部加热器的上部隔热体空间和用于容纳所述下部加热器的下部隔热空间。
CN201010001221A 2009-02-17 2010-01-08 用于生产太阳能电池的晶态硅衬底的装置 Pending CN101805924A (zh)

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