CN102264956A

CN102264956A - 用于固化非金属熔融物的方法

Info

Publication number: CN102264956A
Application number: CN2009801520528A
Authority: CN
Inventors: 弗兰克·比勒斯费尔德; 乌韦·萨赫尔; 沃尔弗拉姆·米勒; 彼得·鲁道夫; 乌韦·雷泽; 纳塔沙·德罗普考
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV; Schott Solar AG
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV; Ecoran GmbH
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2011-11-30
Also published as: TWI411708B; DE102008059521B4; US20110309555A1; TW201035391A; EP2370617B1; EP2370617A2; ES2402446T3; WO2010060802A3; DE102008059521A1; WO2010060802A2

Abstract

所揭示的是一种用于凝固位于布置在设备(100)中的坩埚(120)中的非金属熔融物(130)的方法，所述设备(100)包括多个电感器(100)以产生磁场。通过馈送具有第一频率(f1)的第一组相位移交变电流(I1a、I2b、I3c、I4d)而在所述熔融物(130)中产生第一行波磁场(W1)。通过馈送具有第二频率(f2)的至少一个第二组相位移交变电流(I2a、I2b、I3c、I4d)而在所述熔融物(130)中产生与所述第一行波磁场(W1)的方向相逆地行进的第二行波磁场(W2)。所述电感器(100)以垂直布置安置在所述坩埚(120)上，使得所产生的交变场(W1、W2)在垂直方向(Y)上行进穿过所述熔融物(130)且具有沿着所述坩埚或容器的壁的最小流动速率。

Description

用于固化非金属熔融物的方法

技术领域

本发明涉及一种根据独立权利要求项的导言的方法。特定来说，本发明涉及一种用于硅熔融物的定向固化的方法。

背景技术

在太阳能工业中，常规做法是通过定向固化制备硅晶体以用于制备太阳能电池。为此，颗粒形式的起始材料在石英玻璃坩埚中熔融以便接着在施加垂直温度梯度的情况下以定向方式实现固化。以此方式获得的块(称为锭)被锯成薄硅圆片，所述薄硅圆片可在进一步的方法步骤中经处理为太阳能电池。熔融物坩埚常规上以Si₃N₄层覆盖(例如参见T·博纳西西(Buonassis)等人在晶体生长期刊287(2006)，第402-407页中公开的论文“光伏级铸锭多晶硅中的过渡金属：评估杂质在氮化硅坩埚衬里材料中的作用(Transition metals in photovoltaic-grade ingot-cast multicrystalline silicon：Assessing therole of impurities in silicon nitride crucible lining material)”)，所述Si₃N₄层保护坩埚壁以防止受侵入性硅熔融物影响且还促进在冷却之后从坩埚提取锭。熔融物中占主导的对流流动大体上由温度场确定。然而，存在尤其通过施加静止或非静止磁场而影响所述流的可能性。已知产生行波磁场，其以相对弱的场强提供为熔融物中的流带来强大影响的可能性。P.鲁道夫(Rudolph)在晶体生长期刊310(2008)，第1298-1306页中公开的论文“施加到从熔融物的块状晶体生长的行波磁场：从基础研究到工业规模的一步(Travelling magnetic fields applied to bulk crystal growth from the melt：The step from basicresearch to industrial scale)”中存在对在晶体生长中施加静止或非静止磁场的概述。

从第DE 35 27 387 A1号专利申请案中已知一种用于对金属熔融物进行电磁搅拌的方法，其中向位于熔融物坩埚上的电感器馈送不同频率的三相电流以便产生表示为方位角方向上的叠加旋转场的磁场。该处的布置提供成定子绕组的形式，如从三相马达已知，以便表达在水平面上旋转的旋转场。这些措施事实上适于磁性熔融物的电磁搅拌，但其实际上不适于尤其在垂直方向上实行的非金属熔融物的固化。

从第DE 10 2006 020 234 A1号专利申请案中已知一种呈炉形式的装置和一种用于非金属熔融物的固化的方法。其中，产生具有以相位移三相电流进行馈送的三个电路回路的行波场。电路回路或电感器经布置以使得其产生大体上垂直移动的场。然而，以此方式产生的行波场尤其在熔融物坩埚的边缘区域上形成强洛伦兹力密度。这导致坩埚的边缘上熔融物的高速度，这又具有对熔融物坩埚的内涂层的不利(尤其是腐蚀)效果。

第DE 103 49 339 A1号专利申请案描述一种具有加热器的晶体生长系统，所述加热器同时表示用于产生行波磁场的电感器。其中，电感器连接到电源以获得三相旋转电流，且因此产生仅具有一个频率的行波磁场。

第DE 101 02 126 A1号专利申请案描述一种用于通过使用单频率行波磁场从熔融物进行提取而制备晶体的方法。

第DE 10 2007 020 239 A1号专利申请案描述一种用于从含有多卷布置作为加热装置的导电熔融物制备晶体的装置。然而，所述多卷布置仅以单频率交变电流操作。

发明内容

因此，本发明的目的是以有利方式克服上文提出的缺点。特定来说，开头提出的类型的方法应以一方式改进，使得非金属熔融物的流分布和固化可以受控方式实行。

所述目的通过具有根据技术方案1所述的特征的方法实现。

因此，提出一种用于非金属熔融物的固化的方法，其中通过大量电感器产生磁场，其中向所述电感器供应具有第一频率的第一组相位移交变电流，使得通过叠加磁场而在熔融物中产生第一行波场；且向所述电感器供应具有第二频率的至少一个第二组相位移交变电流，其中通过叠加以第二频率产生的磁场而在熔融物中产生第二行波场，与第一行波场相逆地引导所述第二行波场，且其中所产生的所述至少两个行波场在相对方向上，优选在垂直方向上通过熔融物。

为此，提供大量电感器用于产生叠加的磁场，其中向电感器供应具有不同频率的至少两组相位移交变电流，以便在熔融物中产生第一行波场和在与第一行波场相对的方向上引导的至少一个第二行波场，其中所述电感器以垂直延伸的布置在坩埚上执行，使得所产生的行波场在垂直方向上在相对的方向上通过熔融物，且径向场分量彼此相互抵消或补偿。

归因于特征的此组合，在垂直方向上形成两个相对的行波场，这导致以下事实：在边缘区域中，导致比熔融物的体积区域中低的速度的洛伦兹力密度占主导。通过调整参数，尤其通过选择两个频率的比率，可界定最大洛伦兹力密度占主导的到熔融物坩埚的内壁的足够的距离。根据此原理，可产生在垂直方向上叠加的两个以上行波场。

优选的是，电感器形成为例如线圈，因此作为在水平方向上循环的绕组，其中所述绕组可彼此分离地在垂直方向上布置或甚至在垂直方向上彼此交错。在此情形中，坩埚以及绕组两者以及线圈的内部区域或直径可具有矩形形状的横截面。

优选的是，还可向电感器供应用于加热熔融物的加热电流，加热电流由交变电流分量和直流电流分量组成。在此情形中，有效产生行波场需要加热电流具有至少一个可预先设置的百分比(尤其至少10％)的交变电流分量。

如果第一频率和第二频率彼此相差至多可预先设置的倍数(尤其为2-40倍)，则也是有利的。频率的比率或因数可依据过程(例如依据结晶的程度)来设置。

优选的是，第一和/或第二组相位移交变电流也可为彼此不等距的多个相位移交变电流。

本发明尤其适于在硅熔融物的熔融炉或锅炉中使用。在此情形中，熔融物坩埚可在内壁上用保护层覆盖，尤其为Si₃N₄层，且形成为石英玻璃坩埚。

在根据本发明的方法中，可设置优选参数以使得第一频率和第二频率以及第一穿透深度和第二穿透深度针对每一情况下产生的磁场满足以下等式：

D < \frac{ED 1 \cdot ED 2 \cdot \ln (x)}{ED 2 - ED 1},

其中

x = \frac{FD 1 \cdot ED 2}{FD 2 \cdot ED 1} .

穿透深度ED是洛伦兹力密度FD已下降或减小到1/e*FD的距坩埚边缘的距离D。

附图说明

下文通过示范性实施例且参看附图详细描述本发明和由其产生的优点，附图中：

图1示意性地展示适于执行用于非金属熔融物的固化的根据本发明的方法的装置的结构；

图2展示洛伦兹力密度随着到熔融物坩埚的壁的距离的轨迹的功能图；以及

图3展示洛伦兹力密度依据根据本发明的方法的轨迹的功能图。

具体实施方式

图1展示用于位于坩埚120中的非金属熔融物130的固化的装置100的示意性表示。所述熔融物例如为硅熔融物，且坩埚120表示石英玻璃坩埚，此处例如为矩形的。在外部，多个电感器110布置在坩埚120周围以便通过馈入交变电流而感应进入熔融物130中的磁场，使得至少两个叠加的行波场W1和W2在垂直方向Y上在彼此相对的方向上移动。举例来说，四个电感器110a到110d在垂直方向Y上在彼此顶部上布置且向其馈送第一组相位移交变电流I1a-I1d和第二组相位移交变电流I2a-I2d。以例如为200Hz的第一频率f1馈送第一组相位移交变电流。以例如为20Hz的第二频率f2馈送第二组相位移交变电流。

如通过图2所阐释，通过以此方式产生的交变场W1与W2的叠加而产生洛伦兹力密度FD1与FD2到所得洛伦兹力密度FD^*的对应叠加。通过馈入第一组交变电流I1a-I1d而产生第一洛伦兹力密度FD1，其中在坩埚的边缘区域(即D＝0)中设置相对高的洛伦兹力密度。通过馈入第二组相位移交变电流I2a-I2d，产生在边缘区域(即D＝0)中具有负值的洛伦兹力密度FD2的轨迹。通过FD1与FD2的叠加，因此产生在边缘区域中具有减小的值的洛伦兹力密度轨迹FD^*。根据本发明，通过调整参数，尤其调整频率f1和f2，有可能实现在边缘区域中所得流动速度非常低且理想上为零。

图3展示具有以不同方式调整的参数的所得洛伦兹力密度FD^*的轨迹或波形。顶部曲线FD^*′展示当在20Hz处选择第一频率f1且对应的行波场W1从底部延伸到顶部时以及当在400Hz处选择第二频率f2(其中对应的行波场W2从顶部延伸到底部)时的洛伦兹力密度的轨迹。当f1等于20Hz且W1从底部传递到顶部时且当f2等于200Hz且W2从顶部传递到底部时产生第二曲线FD^*″。当f1等于200Hz且从顶部传递到底部时且当f2等于400Hz且从底部传递到顶部时产生第三曲线FD^*″′。

如比较曲线轨迹所展示，在所展示的所有三个实例中，所得洛伦兹力密度FD^*在边缘区域(即D＝0)中明显减小，且近似为0N/m³。通过选择f1与f2的比率，洛伦兹力密度的最大值在熔融物内部(即D＞0)移位。那里的第二曲线FD^*″在范围D＝0.06中具有最大洛伦兹力密度。在其它曲线轨迹中，最大值是在更小距离处出现。曲线轨迹FD^*′在范围D＝0.04中具有最大值，且曲线轨迹FD^*″′在范围D＝0.025中具有最大值。因此，当两个频率中的一者(此处为f1)相对小且例如为20Hz时，且当另一频率(此处为f2)并不大很多(因此例如不大于f1的40倍)时，洛伦兹力密度的最大值可特别广地移位到熔融物内部中。

通过选择频率f1和f2，有可能实现坩埚边缘上的流动速度相当小且不大于0到1厘米/秒。还有可能实现大约处于距离D＝1cm的到熔融物内部的流动速度大于0.01到2厘米/秒。可尤其通过根据传播方向、相位移、振幅和电感器几何形状对频率进行参数化而最佳地调整洛伦兹力密度的轨迹和流动速度或对由此产生的对流的影响。为了产生行波场，必须向电感器馈送例如200A的相对高的电流，作为其结果，由于欧姆损耗，发生电感器的加热。代替于使用冷却措施带走此热量，还可规定与加热元件同时使用电感器以实现熔融物的受控加热。此处如果除了产生行波场的交变电流外还馈入仅具有直流电流的另一加热电流，则是有利的。交变电流分量与直流电流分量的比率可依据过程进行调整。

为了产生洛伦兹力密度的所描述的功能轨迹(参看图2和3)，首先需要交变电流I1a-I1d和I2a-I2d的参数化。其中已展示为了在熔融物内部产生洛伦兹力密度的最大值，必须满足以下条件：

FD1/FD2＞ED1/ED2以及ED2＞ED1。

此处FD1或FD2是指坩埚壁上的洛伦兹力的量，且ED1或ED2是指磁场的穿透深度。

其中通过以下关系产生最大洛伦兹力的出现距坩埚壁的距离：

D^*＜ED1·ED2/(ED2-ED1)·LN(FD1·FD2/FD2·ED1)，

其中D^*表示距壁的最小距离。

为了将本发明用于石英玻璃坩埚中太阳能硅的熔融和固化，已证明如果力场的最大值具有距坩埚壁大约0.1cm到40cm的距离(即，D＝0.1到40cm)则是特别有利的。

当将电力施加到电感器或绕组时，还可规定个别绕组之间的相位移是非等距的。因为电感器的垂直布置表示线性模式的实质上部分区段在垂直方向上延伸，可在若干区段中向所述线性模式施加不同类型的相位移电流。

使用下表1给出第一示范性实施例的参数。

表1

FD1和FD2的数据是涉及参考变量X N/m3的相对数据。以给定参数制备的硅和由此产生的太阳能电池展示比常规太阳能电池明显高的效率。另外，锭可更容易与石英玻璃坩埚脱离。与常规情况相比，存在锭到石英玻璃坩埚的明显更少的结合点。另外，熔融物明显较少受到来自坩埚材料或涂层的组分污染。锭因此含有与外相的较少分离。

表2中给出针对另一实例的参数化，如下：

表2

图2中展示由此产生的洛伦兹力密度。

在根据本发明产生的磁场中，所得洛伦兹力密度因此从熔融物边缘传递到位于距边缘区域距离D^*处的最大值。洛伦兹力密度的轨迹和最大值的位置可尤其通过选择第一频率f1与第二频率f2之间的比率来调整。根据本发明的布置还适于与矩形或正方形熔融物坩埚一起使用。绕组在此情况下可在坩埚边缘上同样以矩形方式延伸，且磁场产生的机能不受此不利影响。电感器在垂直方向上的布置也可彼此交错地组织。优选的是，使用在两个频率下向其施加电力的一组电感器。或者，也可针对每一频率提供一组特定电感器。另外，电感器可用作加热器。为此，还馈入直流电流，其中f1和/或f2下的交变电流分量为至少10％。总的来说，产生用于非金属熔融物(尤其是硅熔融物)的固化的非常有效的装置，其中使熔融物的受控垂直固化成为可能。

参考数字列表

Claims

1.一种用于位于坩埚(120)中的非金属熔融物(130)的固化的方法，其中通过大量电感器(100)产生磁场，其中向所述电感器(100)馈送具有第一频率(f1)的第一组相位移交变电流(I1a、I1b、I1c、I1d)，使得通过叠加磁场，在所述熔融物(130)中产生第一行波场(W1)；且向所述电感器(100)供应具有第二频率(f2)的至少一个第二组相位移交变电流(I2a、I2b、I2c、I2d)，

所述方法的特征在于

通过叠加以所述第二频率(f2)产生的所述磁场，在所述熔融物(130)中产生与所述第一行波场(W1)相逆地引导的第二行波场(W2)，其中所述所产生的两个行波场(W1、W2)在大体上垂直方向(Y)上通过所述熔融物(130)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于

以垂直延伸的布置将所述电感器(100)布置于所述坩埚(120)上，使得所述所产生的两个行波场(W1、W2)大体上在垂直方向(Y)上在所述熔融物(130)中移动。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于

将一组电感器(100)布置于所述坩埚(120)上，向所述组电感器(100)馈送具有所述第一和所述第二频率(f1、f2)的所述交变电流(I1a、I1b、I1c、I1d；I2a、I2b、I2c、I2d)。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于将两组电感器布置于所述坩埚上，向其中一组馈送具有所述第一频率的所述交变电流且向另一组馈送具有所述第二频率的所述交变电流。

5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于产生大体上在垂直方向上移动的两个以上叠加的行波场。

6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于还向所述电感器(100)供应用于加热所述熔融物(130)的由交变电流分量和直流电流分量组成的加热电流(Ih)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述加热电流(Ih)具有至少一个可预先设置的百分比、尤其至少10％的交变电流分量。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述交变电流分量具有所述至少两个频率(f1、f2)。

9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述第一频率(f1)和所述第二频率(f2)彼此相差至多可预先设置的倍数，尤其相差2到40倍。

10.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述第一和/或第二组相位移交变电流具有彼此非等距地相位移的多个交变电流。

11.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述第一频率(f1)和所述第二频率(f2)以及第一穿透深度(d1)和第二穿透深度(d2)针对分别由所述第一或第二频率(f1、f2)产生的所述磁场满足以下等式：

D＜ED1·ED2·ln(X)/(ED2-ED1)，其中

X＝(FD1·ED2/FD2·ED1)且

D给出针对由所述所得行波场(W1、W2)产生的洛伦兹力的到所述坩埚(120)的内壁的可预先设置的最小距离。