CN102330143A - 单晶硅铸锭的制造工艺和铸锭炉热场结构 - Google Patents
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Abstract
单晶硅铸锭的制造工艺包括下述步骤:先在石英坩埚底部铺洒一层籽晶,上面放置多晶硅原料,并加热熔化;然后缓慢提升隔热笼,让热量从下面的热交换台散发出去,固液临界面的高度逐步上移,硅料向上长晶,最终形成固态单晶硅铸锭;保温隔热环条在加热、长晶过程中处于零位,在退火与冷却阶段则向下移动。单晶硅铸锭炉热场结构,包括炉体,石英坩埚、顶部提升装置,隔热笼,加热装置,保温材料,交换台,底部提升装置;本发明的特点是:控制隔热笼的提升速度来完成硅材料长晶,通过升降保温隔热环条来保护固态籽晶和确保整个铸锭均匀退火。优点是:获得大容量的单晶硅铸锭,既增加了单晶硅单锭产量,又提高了硅片的光电转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及光伏行业晶体生长技术领域,具体说是涉及单晶硅铸锭的制造工艺和铸锭炉热场结构。
背景技术
随着太阳能电池应用的日益广泛,对硅材料的需求量也越来越大,其中包括直拉单晶硅、薄膜非晶硅、铸造多晶硅、带状多晶硅和薄膜多晶,各有各的优缺点,目前应用最广泛的是直拉单晶硅与铸造多晶硅,约占太阳能光电材料的80%左右。
相比较而言,单晶硅的转化率要高于多晶硅,商业使用的单晶硅电池片转换率在17%~18%左右,现行制备单晶硅的方法主要是直拉单晶硅,这种方法提炼出来的单晶硅是圆形,直径在140~200mm左右,单铸产量偏低,而电池片所需的形状是方形,所以,还需将圆形的直拉单晶硅切割成方形,这样实际利用率更低。
多晶硅单锭产量已经达到550kg,最大的铸锭甚至达到1吨,可切率在57%~60%上下,铸锭的形状为长方体,切成方形的电池晶片,材料利用率大大提高,但多晶硅的转化率只有15%~16% 。
发明内容
本发明的目的在于综合直拉单晶硅和铸造多晶硅两种材料的优势,既能铸造多晶硅那样的大硅锭来增加单锭产量,又能实现直拉单晶硅的高转换效率。
本发明是通过下述技术方案得以实现的:
单晶硅铸锭的制造工艺包括下述步骤:
熔炼:先在石英坩埚底部均匀铺洒一层籽晶,然后在籽晶上放置大量多晶硅原料,通过加热熔化,将上层多晶硅原料熔化至籽晶,固体籽晶与熔融的多晶硅籽晶之间形成一个固液临界面;
长晶:然后缓慢提升隔热笼,让坩埚内部的热量从下面的热交换台散发出去,随着坩埚底部的温度下降,固液临界面的高度逐步上移,从液态转化为固态的过程中,硅料开始向上长晶,形成单晶硅,最终坩埚内的液态硅材料全部固化,形成单晶硅铸锭;在加热、熔化、长晶过程中,保温隔热环条处于零位,起着保护籽晶和上下层隔热的作用,确保石英坩埚底部的籽晶不被熔化;
退火:保温隔热环条通过底部升降装置向下移动;隔热笼下降复位,保温板下端和保温底板平齐,封闭热场环境,保证包括底部在内的整个硅锭都处在均匀的温度下退火,消除内应力,避免在后道剖方工序中出现裂纹。
冷却:停止加热,保温隔热环条回到零位,顶部提升装置提升隔热笼进行冷却。
单晶硅铸锭炉热场结构,包括炉体,石英坩埚、顶部提升装置,隔热笼,加热装置,保温板,热交换台,底部提升装置;
顶部提升装置置于炉体顶端,通过吊杆提升隔热笼,隔热笼内壁四周设置了保温板,热交换台下面设置了位置固定的保温底板,在隔热笼提升前和保温板组合成一个活动的五面壳体;
加热装置由耐高温、导电性好的石墨片制成,围绕在坩埚上部外层,通电后加热坩埚熔化硅材料;
硅料放置于石英坩埚内,矩形的石英坩埚外层套着石墨坩埚,一起搁置在热交换台上;
热交换台用导热性能好的石墨板制成,便于散热,由三根石墨立柱支撑着;
保温隔热环条由四条保温条组成,置于底部框架上,位于坩埚与保温板之间,起着保护籽晶和上下层隔热的作用;底部框架由提升杆支撑着,由底部提升装置带动升降。
本发明的设计特点是:隔热笼的提升速度能控制石英坩埚的冷却速度,完成硅材料长晶和从液态转化为固态的进度,通过升降保温隔热环条来保护固态籽晶和确保整个铸锭均匀退火。
本发明的优点是:使用多晶硅的铸锭技术,获得大容量的单晶硅铸锭,既增加了单晶硅单锭产量,又提高了硅片的光电转化效率,使企业经济效益大大提高。
附图说明
图1 为单晶硅铸锭炉热场加热熔化阶段结构剖面图;
图2 为单晶硅铸锭炉热场长晶阶段结构剖面图;
图3 为单晶硅铸锭炉热场退火阶段结构剖面图。
附图标记说明:
1炉体,2顶部提升装置,3隔热笼,4保温隔热环条,5保温板,51保温底板,6石墨坩埚,7石英坩埚,8提升杆,9底部提升装置,10底部框架,11热交换台,12石墨立柱,13硅料。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来进一步阐述本发明具体实施方式:
单晶硅铸锭炉热场结构如图1所示,顶部提升装置(2)置于炉体(1)顶部,隔热笼(3)固定在顶部提升装置(2)的吊杆下端,并由伺服电机驱动提升装置(2)带动隔热笼(3)上下移动,控制石英坩埚7的冷却和硅材料的长晶速度。
底部提升装置(9)固定于炉体(1)底部,其主要作用是带动保温隔热环条(4)上下移动,保护籽晶不被熔化。
保温隔热环条(4)由固定在底部框架(10)上端面的四条保温条组成,位于石墨坩埚(6)与保温板(5)之间,初始位置与石墨坩埚(6)的下端平齐,业内称作“零位”。底部框架(10)的下端面设置了提升杆(8),由底部提升装置(9)带动升降。
硅料(13)放置于石英坩埚(7)内,石英坩埚(7)外层由石墨坩埚(6)保护,石英坩埚(7)和石墨坩埚(6)搁置于热交换台(11)上,热交换台(11)由三根石墨立柱(12)支撑。
准备阶段:打开炉体1的上壳体,在石英坩埚(7)底部放置一层单晶硅籽晶颗粒,然后按顺序放置660kg多晶硅料(13),用叉车将石英坩埚(7)送置热交换台(11)上,合上炉体(1)的上下壳体,抽真空,使炉体1达到真空状态。
加热熔化阶段:加热装置通过铜电极与变压器相连,通电时产生高温用来熔化硅料(13),由上向下逐步熔化,当硅料(13)熔化至铺在石英坩埚(7)底部的籽晶颗粒处,固体籽晶与熔融的多晶硅籽晶之间形成一个固液临界面,熔化结束,进入长晶阶段。在熔化阶段,保温隔热环条(4)处于零位,保护石英坩埚(7)底部的籽晶不被熔化;隔热笼3处于最低位置,保温板5的下端和保温底板51平齐,组合成一个保温盒子,确保硅料的熔化有足够的热量。
长晶阶段:如图2所示,顶部提升装置(2)按照设定的工艺参数缓慢提升隔热笼(3),石英坩埚(7)内部的热量通过下面热交换台(11)向外散发,熔融的硅料(13)开始从下向上逐步固化,硅料(13)的固液临界面逐步上移,沿籽晶方向慢慢向上长晶生成单晶硅,当硅料(13)顶层全部固化后,长晶结束,进入退火阶段。在长晶阶段结束时,隔热笼(3)处于长晶阶段最高位置,保温板(5)的下端和保温底板(51)距离最远。
退火阶段:如图3所示,顶部提升装置(2)控制隔热笼(3)下降,让保温板(5)的下端和保温底板(51)平齐,控制长晶后的铸锭在设定温度下保温一段时间,进行退火以消除铸锭的内部应力,减少后道切割工序时产生裂纹。底部提升装置(9)带动保温隔热环条(4)下降到工艺设定位置,使硅锭底部和硅锭上部处在同一的的温度下均匀退火,消除内应力。
冷却阶段:到退火结束后,停止加热,底部提升装置(9)再次带动保温隔热环条(4)上升,回到零位。顶部提升装置(2)根据工艺要求提升隔热笼(3)达到设定位置,进行冷却。当炉内温度降到300摄氏度以下时,打开炉体1的下壳,用电动叉车取出石墨坩埚(6)。待自然冷却后,卸下石墨坩埚(6)和石英坩埚(7),取出单晶硅铸锭,送去进行下一道的剖方工序。
Claims (3)
1.单晶硅铸锭的制造工艺,包括下述步骤:
熔炼:先在石英坩埚底部均匀铺洒一层籽晶,然后在籽晶上放置大量多晶硅原料,通过加热熔化,将上层多晶硅原料熔化至籽晶,固体籽晶与熔融的多晶硅籽晶之间形成一个固液临界面;
长晶:然后缓慢提升隔热笼,让坩埚内部的热量从下面的热交换台散发出去,随着坩埚底部的温度下降,固液界面的高度逐步上移,从液态转化为固态的过程中,硅料开始向上长晶,形成单晶硅,最终坩埚内的液态硅材料全部固化,形成单晶硅铸锭;在加热、熔化、长晶过程中,保温隔热环条处于零位,起着保护籽晶和上下层隔热的作用,确保石英坩埚底部的籽晶不被熔化;
退火:保温隔热环条通过底部升降装置向下移动;隔热笼下降复位,保温板下端和保温底板平齐,封闭热场环境,保证包括底部在内的整个硅锭都处在均匀的温度下退火,消除内应力;
冷却:停止加热,保温隔热环条回到零位,顶部提升装置提升隔热笼进行冷却。
2.单晶硅铸锭炉热场结构,包括炉体,石英坩埚、顶部提升装置,隔热笼,加热装置,保温板,热交换台,底部提升装置;
顶部提升装置置于炉体顶端,通过吊杆提升隔热笼,隔热笼内壁四周设置了保温板,热交换台下面设置了位置固定的保温底板,在隔热笼提升前和保温板组合成一个活动的五面壳体;
加热装置由耐高温、导电性能好的石墨片制成,围绕在坩埚上部外层,通电后加热坩埚熔化硅材料;
硅料放置于石英坩埚内,矩形的石英坩埚搁置在热交换台上;
热交换台用导热性能好的石墨板制成,由三根石墨立柱支撑着;
保温隔热环条由四条保温条组成,置于底部框架上,位于坩埚与保温板之间;底部框架由提升杆支撑着,由底部提升装置带动升降。
3.根据权利要求2所述的单晶硅铸锭炉热场结构,其特征在于:所述的石英坩埚外层套着石墨坩埚。
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