CN102471924B - 通过感应方法生产多晶硅锭的装置 - Google Patents

Abstract

一种通过感应方法生产多晶硅锭的装置，包括外壳，该外壳包括启动加热硅的装置；和由感应器包围的冷却坩埚。该坩埚具有可活动底部和四个壁，该四个壁包括由纵向延伸狭缝分隔开的部分；用于移动可活动底部的装置，和设在冷却坩埚下面的控制冷却隔室。在坩埚的内面界定有正方形或长方形横截面的熔化腔室。冷却坩埚的壁至少从感应器朝向冷却坩埚的最低部分向外延伸，以扩张熔化室，且熔化腔室扩张的β角通过方程式β＝arctg[2·(k-1.35·10^-3·b)/d]限定，其中，d是熔化腔室在感应器的水平上的长方形横截面的较小边或正方形横截面的边的长度，b是熔化腔室在感应器的水平上的横截面的相邻边的长度，k是经验系数，在1.5到2之间。该装置使降低硅熔体溢出和提高所生产的多晶硅质量成为可能。

Description

通过感应方法生产多晶硅锭的装置

技术领域

本发明涉及通过感应方法生产多晶硅锭的装置和其能够用在从多晶硅制造太阳能电池中。

背景技术

从太阳光线产生电能的太阳能电池是由晶体硅构成的，单晶硅和多晶硅，即含有大晶体的多结晶硅，两者均可。

对于多晶硅的兴趣一直在增长，因为多晶硅太阳能电池的效率接近于单晶硅太阳能电池的效率，而多晶硅生长设备的生产率是单晶硅生长设备的生产率的许多倍。也就是说，多晶硅的生长比单晶硅生长要更容易。

本领域现有一种通过感应方法生产多晶硅锭的装置，该装置包括腔室，其安装在由感应器包围的、具有可活动底部和四个壁的冷却坩埚内，该四个壁包括由纵向延伸狭缝分隔开的部分。还有一套用于锭控制冷却的加热装置(欧洲专利号1754806，公开日：2007年02月21日，国际专利分类号：S30B11/00)[1]。同样地，该设备安装有分离的分隔装置，该装置能够安装在冷却坩埚的熔化容积内的结晶锭上，并进一步加热加入的块状硅料，在分隔装置顶部位置的上面进行熔化和铸造。

该现有装置的缺点在于多晶硅的生产率低且获得的多晶硅质量不好。多晶硅在晶体结构上具有大量缺陷。

与本发明相近的一种通过感应方法生产多晶硅锭的装置，该装置包括外壳，其包括启动加热硅的装置；由感应器包围的、具有可活动底部和四个壁的冷却坩埚，该四个壁包括由纵向延伸狭缝分隔开的部分；用于移动可活动底部的装置，和设在冷却坩埚下面的控制冷却隔室，其中在冷却坩埚的里面界定有正方形或长方形横截面的熔化腔室，冷却坩埚的壁至少从感应器朝向冷却坩埚的最低部分向外延伸，从而扩张了熔化腔室(欧洲专利号0349904，公开日：1990年01月10日，国际专利分类号：B22D11/10)[2]。熔化腔室扩张的角度从0.4°到2°。

该现有装置的缺点在于，由于频繁的硅熔体的溢出，使得多晶硅锭的质量降低且生产多晶硅锭的生产率下降。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种通过感应方法生产多晶硅锭的改进装置，在该装置中，通过提出的结构上的改变，减少了硅熔体溢出，从而得到具有较好质量的多晶硅，且提高了多晶硅的生产率。

这个目标是通过提供一种利用感应方法生产多晶硅锭的装置实现的，该装置包括外壳，该外壳包括启动加热硅的装置；由感应器包围的、具有可活动底部和四个壁的冷却坩埚，该四个壁包括由纵向延伸狭缝分隔开的部分；用于移动可活动底部的装置；和设在冷却坩埚下面的控制冷却隔室，其中在冷却坩埚的内面界定有正方形或长方形横截面的熔化腔室，且冷却坩埚的壁至少从感应器朝向冷却坩埚的最低部分向外延伸，以扩张熔化腔室。根据本发明，冷却坩埚的每一个壁都具有中央部分，该中央部分在熔化腔室侧的中间没有纵向延伸狭缝，且熔化腔室扩张的β角通过如下方程式限定：

β＝arctg[2·(k-1.35·10^-3·b)/d]，

其中，

d是熔化腔室在感应器的水平上的长方形横截面的较小边或正方形横截面的边的长度，

b是熔化腔室在感应器的水平上的横截面的相邻边的长度，

k是经验系数，在1.5到2之间。

当正在生长的锭的周长很长时，系数k取最大值。

冷却坩埚的每一个壁的中央部分的宽为熔化腔室边长度的1/6到1。

通过感应熔化在带有活动壁的冷却坩埚底部内进行硅熔化和铸造过程中，其中该活动壁设计为导电或导热材料的水冷却的垂直面，部分熔体形成的弯面，由来自于坩埚内表面的电磁力压出，且通过它的流体静压达到平衡。在原料连续供应下，平衡被打破，较低水平的弯面周期性地流向冷却坩埚的内表面，在冷却坩埚的内表面熔体进行结晶，并在冷却坩埚的周界上形成炉壁结瘤，以容纳硅熔体并防止其与熔炉接触。

随着熔化工艺的继续和锭向下运动，炉壁结瘤变得更厚。当炉壁结瘤内表面的温度与硅的熔点相同时，结在坩埚上的炉壁结瘤的外表面的温度低于硅的熔点，且该温度取决于它的导热性和到坩埚壁的热传递。所形成的炉壁结瘤在横截面上和在熔池高度上均具有温度梯度。

在通过感应熔化生产多晶硅锭中，由于多种因素，熔体溢出到炉壁结瘤和冷却坩埚之间的空隙中。

因素之一是与在炉壁结瘤上的温度的横向梯度相关。

由于温度梯度，出现了炉壁结瘤的热收缩。另外，在比硅流动温度高的900℃到1050℃的温度下，炉壁结瘤发生塑性变形。炉壁结瘤的热收缩的幅度取决于温度梯度和由冷却坩埚形成的熔化腔室的尺寸和形状。高于允许值的任何过量热收缩，导致不足的炉壁结瘤冷却，它过热，熔化，并溢出到炉壁结瘤和冷却坩埚内壁之间的空隙中。

导致硅溢出到炉壁结瘤和冷却坩埚内壁之间的空隙的另一个因素是，当炉壁结瘤粘结在冷却坩埚的内壁上时，炉壁结瘤会破碎。当在冷却坩埚的内壁表面上没有缺陷时，液态硅不能润湿冷却坩埚壁的里面且不能粘结到壁上。冷却坩埚内壁表面的主要缺陷是在壁部分之间的纵向狭缝，该狭缝对于感应器的电磁场渗透到硅熔体内并对其加热是必要的。

在实验上已经确定，由纵向狭缝分隔开的壁部分，其排列成长方形或正方形的外周，形成四个壁，每一壁具有中央部分，该中央部分在相应的冷却坩埚壁的中间没有纵向狭缝，且当熔化腔室扩张时，通过冷却坩埚的壁形成的熔化腔室的大小被考虑进去，稳定了由于炉壁结瘤在硅感应熔化中的热收缩导致的空隙形成，这使得减少了硅熔体溢出。

此外，大体上该装置设置成有利于除去粘结在冷却坩埚壁表面上的炉壁结瘤，包括在炉壁结瘤和冷却坩埚壁表面之间的最小空隙的区域，且考虑了热收缩和得到的多晶硅锭的横截面长度。因此，硅熔体溢出显著减少且硅在稳定的条件下以恒定的速度结晶。

熔化及结晶过程稳定性的提高，导致能产生多晶硅的大结晶的形成。此外，结晶过程的稳定消除了在晶体结构上的缺陷，使得可以提供从其获得的合格产品，也就是，太阳能电池。

因此，提出的生产多晶硅锭的装置的构思，提供了适用于太阳能电池生产的较高产量的多晶硅。

附图说明

下图用于进一步作为参考描述本发明，然而不限于下图的描述，其中：

图1：通过感应熔化生产多晶硅锭装置的纵向切面图；

图2：含有熔体的冷却坩埚的纵向切面图；

图3：表明熔化腔室的冷却坩埚的横切面图。

具体实施方式

一种通过感应熔化生产多晶硅锭的装置(图1)，包括与进料斗2相连的外壳1。在外壳1内，设有用于启动加热硅的装置3，由感应器5包围的冷却坩埚4，和设置在冷却坩埚4的下面的控制冷却隔室6。冷却坩埚4由可活动底部7和部分8和中央部分9围成(图3)，部分8和中央部分9由纵向狭缝10分隔开。可活动底部7与部件11关联，用于在控制冷却隔室6内进行相同的纵向移动。由纵向狭缝10分隔开的部分8和中央部分9，形成了四个互相垂直的炉壁12，13，14和15。冷却坩埚4的内表面界定有正方形或长方形横截面的熔化腔室16，块状的硅原料17加入其中。冷却坩埚4的每一个壁12，13，14和15的中央部分9，在熔化腔室16侧的中间没有纵向狭缝。冷却坩埚4的壁12，13，14和15的部分8和中央部分9(图2)，通过向外倾斜，至少从感应器5朝向冷却坩埚4的最低部分或底部扩张熔化腔室16，且熔化腔室扩张的β角通过如下方程式限定：

β＝arctg[2·(k-1.35·10^-3·b)/d]

其中，

d是熔化腔室16在感应器5的水平上的长方形横截面的较小边或正方形横截面的边的长度，

b是熔化腔室16在感应器5的水平上的横截面的相邻边的长度，

k是经验系数，在1.5到2之间。

冷却坩埚4的每一个壁12，13，14和15的中央部分9(图3)的宽为熔化腔室16边长度的1/6到1。

冷却坩埚4的壁12，13，14和15分别与集合管18相连。集合管18提供冷却液体(水)的供应、分配和分布。

冷却坩埚4的壁12，13，14和15是由铜或以铜为基础的合金制成的，用于启动加热硅的装置3和可活动底部7由导电材料例如石墨制成。

本发明的装置工作如下。

在外壳1内，产生了控制气氛。可活动底部7移动到冷却坩埚4的顶部，从而从下部限制了熔化容积16。块状硅原料17从进料斗2加入到熔化腔室16内，且用于启动加热硅的装置3被打开。通过感应器5产生高频率电磁场。可活动的底部7和用于启动加热硅的装置3在感应器5的电磁场中加热，且由于在熔化腔室16内的热传导使块状硅原料17加热。当温度达到700-800℃时，装料受到感应加热并熔化。

用于启动加热硅的装置3从感应器5的电磁场中移出，并在熔化腔室16内，依据其横截面的形式，形成硅熔池(图2，图3)。由于热传递的结果，硅熔体进行结晶，并在靠近冷却坩埚4的壁，在熔池外围形成了炉壁结瘤19。这使熔体不会从熔化容积16中溢出，并防止了熔化的硅与冷却坩埚4的壁12，13，14和15间相互作用。由于感应器5的电磁场，上部的熔池从冷却坩埚4的壁12，13，14和15中挤出并形成弯面，块状硅原料17从进料斗2连续地给料到弯面表面上。块状硅原料17熔化，从而增加了弯面的流体静压。周期性地，当压力平衡被打破，熔体超过炉壁结瘤的上端向冷却坩埚4的壁12，13，14和15溢出，熔体的外层进行结晶，并且炉壁结瘤19继续生长。可活动的底部7从感应器5区域向下移动，且随着熔化工艺和锭向下移动的进行，硅熔体在其下部连续结晶，形成多晶锭20。多晶锭20连续向下移动至控制冷却隔室6。多晶锭20以如下这样的速度移开，该速度可以使熔池在感应器5和冷却坩埚4的水平上保持相对恒定，且使熔体在熔池底部连续结晶形成锭。在控制冷却隔室6内，锭在控制的条件下冷却，且移去热应力。

本发明的装置中得到的多晶锭，具有340×340mm²和340×530mm²的横截面尺寸。

横截面尺寸为340×340mm²的锭，是在正方形横截面的熔化腔室中得到的，该正方形横截面的熔化腔室在感应器的水平上，边长为342mm。冷却坩埚的中央部分的宽度是60mm，所以在熔化腔室面的中间没有纵向狭缝。且熔化腔室扩张的β角是：

β＝arctg[2·(1.5-1.35·10^-3·342)/342]＝0.35°。

在多晶硅锭的生产中，熔体溢出远低于现有技术的数据。发生的溢出在短距离内停止。因此，所生产的多晶硅锭有大面积的无缺陷单晶硅。多晶硅生产能力增加了12％。

Claims (2)

1.一种通过感应方法生产多晶硅锭的装置，该装置包括外壳，该外壳包括启动加热硅的装置；由感应器包围的、具有可活动底部和四个壁的冷却坩埚，该四个壁包括由纵向延伸狭缝分隔开的部分；用于移动可活动底部的装置；和设在冷却坩埚下面的控制冷却隔室；其中在冷却坩埚的内面界定有正方形或长方形横截面的熔化腔室，且冷却坩埚的壁至少从感应器朝向冷却坩埚的最低部分向外延伸，以扩张熔化腔室，其特征在于，冷却坩埚的每一个壁都具有中央部分，该中央部分在熔化腔室侧的中间没有纵向延伸狭缝，且熔化腔室扩张的β角通过如下方程式限定：

β＝arctg[2·(k-1.35·10^-3·b)/d]，

其中，

d是熔化腔室在感应器的水平上的长方形横截面的较小边或正方形横截面的边的长度，

b是熔化腔室在感应器的水平上的横截面的相邻边的长度，

k是经验系数，在1.5到2之间。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，冷却坩埚的每一个壁的中央部分的宽为熔化腔室边长度的1/6到1。

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