CN102330143B - 单晶硅铸锭的制造工艺和铸锭炉热场结构 - Google Patents

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

单晶硅铸锭的制造工艺和铸锭炉热场结构

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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