CN102732945A - 一种单晶硅铸锭装料方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶硅铸锭装料方法，包括：在坩埚底部平铺流化床层，所述流化床为尺寸在1mm-3mm之间的硅料；在所述流化床层与坩埚液位线之间铺设由棒形硅料、中块硅料以及碎多晶棒形硅料构成的第一混合层；在所述第一混合层上铺设由大块硅料以及中块硅料构成的第二混合层，所述第二混合层上部以圆锥状堆放；其中，所述第一混合层的硅料之间缝隙以及第二混合层的硅料之间缝隙通过流化床和/或小块硅料填充；所述流化床为尺寸在1mm-3mm之间的硅料；所述小块硅料尺寸为10mm-20mm；所述中块硅料尺寸为30mm-50mm；所述大块硅料尺寸为50mm-75mm。该方法降低了生产成本，且避免了硅料熔化时溅料问题的发生。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池制作工艺技术领域，更具体地说，涉及一种单晶硅铸锭装料方法。
背景技术
在能源危机日益严重的今天，开发利用新能源是当今能源领域发展的主要方向。太阳能由于其无污染、取之不竭、无地域性限制等优点，使太阳能发电成为现在新能源开发利用的主要研究方向。而太阳能电池是人们利用太阳能发电一种主要形式。其中，单晶硅是制造太阳能电池的主要材料，单晶硅通常是用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。
单晶硅铸锭工艺是在单晶炉的石英坩埚中进行，将硅料装入石英坩埚后通过加热、熔化、结晶、冷却等工艺过程完成单晶硅的铸锭过程。为了提高生产效率，降低生产成本，要尽可能的装入比较多的硅料，以便在一次铸锭生产时，生产较多的单晶硅锭。在硅料熔化之前，硅料会受热膨胀，坩埚内硅料体积会增大，硅料高度会上升；在硅料熔化阶段，硅料硅有固态变为液态，体积减小，进而会导致坩埚内硅料体积减小，硅料高度下降。在此过程中，坩埚内硅料会发生塌料，即由于硅料体积的变化导致坩埚内硅料突然塌缩的现象。
参考图1，现有技术在进行单晶硅铸锭时，向位于石墨坩埚1内的石英坩埚2中直接堆放硅料3。其中，加热器4在铸锭过程中用于加热熔化硅料，导流筒5用于减少单晶炉体内上部空间惰性环境气体的涡流，减少S iO在单晶炉体上部的沉积。在进行装料时，将大型硅料和小型硅料按照一定的比例（一般为9:1）混合后直接填放入坩埚。
现有技术在装料时仅是简单的将大型硅料和小型硅料按照一定比例混合后装入坩埚，在装料过程中需要比较多的小型硅料，而小型硅料价格较贵，造成生产成本比较高，且简单的填放硅料，硅料之间缝隙较大，在硅料熔化后发生塌料现象时由于硅料之间的间隙较大易发生溅料（硅料溅射到坩埚之外）。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种单晶炉铸锭装料方法，该方法降低了生产成本，同时避免了硅料熔化时溅料问题的发生。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种单晶炉铸锭装料方法，该方法包括：
在坩埚底部平铺流化床层，所述流化床为尺寸在1mm-3mm之间的硅料；
在所述流化床层与坩埚液位线之间铺设由棒形硅料、中块硅料以及碎多晶棒形硅料构成的第一混合层；
在所述第一混合层上铺设由大块硅料以及中块硅料构成的第二混合层，所述第二混合层上部以圆锥状堆放；
其中，所述第一混合层的硅料之间缝隙以及第二混合层的硅料之间缝隙通过流化床和/或小块硅料填充；所述流化床为尺寸在1mm-3mm之间的硅料；所述小块硅料尺寸为10mm-20mm；所述中块硅料尺寸为30mm-50mm；所述大块硅料尺寸为50mm-75mm。
优选的，上述方法中，所述大块硅料和棒形硅料的含量为35%-45%。
优选的，上述方法中，第一混合层的铺设方式为：
将所述棒形硅料呈多边形摆放在所述流化床层上方且与坩埚壁不接触，然后使用中块硅料以及碎多晶棒形硅料填充所述棒形硅料与坩埚壁、所述棒形硅料之间的间隙以及所述多边形所包围区域。
优选的，上述方法中，所述第二混合层在距坩埚口60mm-80mm处以圆锥状收起堆放。
优选的，上述方法中，通过流化床和/或小块硅料填充所述第一混合层以及第二混合层两层之间缝隙。
优选的，上述方法中，所述流化床层中流化床的含量为5%-10%。
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的单晶炉铸锭装料方法包括：在坩埚底部平铺流化床层，所述流化床为尺寸在1mm-3mm之间的硅料；在所述流化床层与坩埚液位线之间铺设由棒形硅料、中块硅料以及碎多晶棒形硅料构成的第一混合层；在所述第一混合层上铺设由大块硅料以及中块硅料构成的第二混合层，所述第二混合层上部以圆锥状堆放；其中，所述第一混合层的硅料之间缝隙以及第二混合层的硅料之间缝隙通过流化床和/或小块硅料填充；所述流化床为尺寸在1mm-3mm之间的硅料；所述小块硅料尺寸为10mm-20mm；所述中块硅料尺寸为30mm-50mm；所述大块硅料尺寸为50mm-75mm；所述大块硅料和棒形硅料的含量为35%-45%。
通过上述可知，本发明技术方案中所述单晶炉铸锭装料方法在进行单晶炉铸锭装料时，按照硅料的尺寸及类型将硅料分为流化床、小块硅料、中块硅料、大块硅料以及棒形硅料，并按照所述层次结构及方法逐层进行装料，在增加大型硅料（大块硅料和棒形硅料）装料量的同时，保证了硅料填放密集且具有层次，从而降低了生产成本，并避免了在塌料时溅料问题的发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为采用现有的单晶炉铸锭装料方法装料后的盛料装置结构示意图；
图2为本发明所述单晶炉铸锭装料方法的流程示意图；
图3为采用本发明所述单晶炉铸锭装料方法装料后的盛料装置结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有的单晶硅铸锭装料方法仅是简单的将硅料分为大型硅料和小型硅料，将硅料安装一定的比例混合和后直接填放如坩埚。硅料之间的缝隙较大，在硅料熔化塌料时易发生溅射现象，使得硅料溅出坩埚造成原料的浪费，同时溅射出的硅料在坩埚外熔化易污染腐蚀单晶炉内其他部件；同时，现有的装料方法为了增加装料量，在装料时采用较多的小型硅料（大型硅料和小型硅料的比例在9:1左右），但是小型硅料的价格较为昂贵，从而增加了生产成本。
发明人研究发现，将硅料按照其尺寸及类型将硅料进行区分，并按照一定的层次进行装料，可以增加坩埚的装料总量，同时降低了小型硅料的使用，降低了生产成本；同时由于硅料更具有规律和层次性，在硅料熔化发生塌料时，硅料是从坩埚底部开始逐层塌缩的，分散了硅料塌料时的落差，避免了硅料融化塌料时溅料问题的发生。
基于上述研究，本发明提供了一种单晶硅铸锭装料方法，该方法包括：
在坩埚底部平铺流化床层，所述流化床为尺寸在1mm-3mm之间的硅料；
在所述流化床层与坩埚液位线之间铺设由棒形硅料、中块硅料以及碎多晶棒形硅料构成的第一混合层；
在所述第一混合层上铺设由大块硅料以及中块硅料构成的第二混合层，所述第二混合层上部以圆锥状堆放；
其中，所述第一混合层的硅料之间缝隙以及第二混合层的硅料之间缝隙通过流化床和/或小块硅料填充；所述流化床为尺寸在1mm-3mm之间的硅料；所述小块硅料尺寸为10mm-20mm；所述中块硅料尺寸为30mm-50mm；所述大块硅料尺寸为50mm-75mm；所述大块硅料和棒形硅料的含量为35%-45%。
本发明实施所述技术方案按照硅料的尺寸及类型将硅料分为流化床、小块硅料、中块硅料、大块硅料以及棒形硅料，并按照所述层次结构及方法逐层进行装料。使得硅料之间缝隙更小，增加了装料量，且增加了大型硅料的使用量，降低了生产成本；同时，由于硅料更具有规律和层次性，在硅料熔化发生塌料时，硅料是从坩埚底部开始逐层塌缩的，分散了硅料塌料时的落差，避免了硅料融化塌料时溅料问题的发生。
以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及高度的三维空间尺寸。
本发明实施例提供了一种单晶硅铸锭的装料方法，参考图2，所述方法包括：
步骤S11：在坩埚底部平铺流化床层。
优选的，所述流化床层的硅料所占整个坩埚装料量的5%-10%，大约为15kg。通过铺设所述化床层，可以避免上部大尺寸硅料在熔化时无法及时熔化在塌料时直接与坩埚底部接触砸破坩埚造成硅液溢流问题的发生，起到一个缓冲作用。
同时所述流化床体积小较易熔化，且其位于坩埚底部，而坩埚底部相对于坩埚上部空间热量不易散失，更有益有益于底部硅料的熔化。即当装料完成进行熔料时，坩埚底部的流化床可以叫较短时间内熔化为整个坩埚内的硅料提供一个熔融的母液加速坩埚内硅料的熔化，能够提高生产效率。所以，在坩埚底部首先铺设流化床层。
其中，所述流化床为尺寸在1mm-3mm之间的硅料。
步骤S12：在所述流化床层与坩埚液位线之间铺设由棒形硅料、中块硅料以及碎多晶棒形硅料构成的第一混合层。
首先，将所述棒形硅料呈多边形摆放在所述流化床层上方且与坩埚壁不接触。然后，使用中块硅料以及碎多晶棒形硅料填充所述棒形硅料与坩埚壁、所述棒形硅料之间的间隙以及所述多边形所包围区域。
优选的，为了增加装料料量，同时减小硅料间缝隙，避免硅料熔化时发生较大落差，通过流化床和/或尺寸为10mm-20mm的小块硅料填充所述第一混合层硅料之间的缝隙。
其中，所述棒形硅料为单晶硅或是多晶硅切片后剩余的角料，其尺寸相对较大，不易熔化，故将其铺设与流化床层上，当坩埚底部流化床熔化后可使得其快速熔化。
其中，所述中块硅料尺寸在30mm-50mm之间的硅料。
步骤S13：在所述第一混合层上铺设由大块硅料以及中块硅料构成的第二混合层。
具体的，可现在所述第一混合层上铺设一定量的流化床和/或小块硅料填，之后再铺设所述第二混合层。当第二混合层铺设至距坩埚口60mm-80mm处以圆锥状收起堆放。现有的装料方法为了保证其装料量，在距坩埚口30mm-40mm处才以圆锥状收起堆放。相对于现有的装料方法，本发明所述方法装料更加规律有层次，在增加装料量的同时，降低了硅料堆放起始位置距坩埚口的距离，避免了在塌料时硅料溅射或是滚落至坩埚外，从而避免了硅料的浪费以及由于硅料在坩埚外部熔化造成的污染。
同样，为了增加装料料量，减小硅料间缝隙，可通过流化床和/或小块硅料填充所述第二混合层硅料之间的缝隙。
其中，所述中块硅料尺寸为30mm-50mm；所述大块硅料尺寸为50mm-75mm。
在加热时，加热器通过石墨坩埚控制热场均匀分布对整个石英坩埚侧壁进行加热，而现有技术在进行装料时只是简单的将大型硅料和小型硅料混合均匀后装入石英坩埚内，硅料分布如图1所示，石英坩埚内部整体大小硅料的组分相同，可视为是整体同步熔化，硅料塌缩是坩埚内部所有硅料整体塌缩，同时由于其内部硅料之间间隙大，造成硅料塌缩时落差较大，极易发生溅料以及硅料滚落至石英坩埚外部。
参考图3，按照本发明所述装料方法装料，将硅料在石英坩埚2内依次填放，从下至上依次为流化床层6、第一混合层7和第二混合层，其中第二混合层包括平铺与所述第一混合层7上方的底部8以及圆锥状收起堆放的顶部9。即采用本发明所述装料方法在装料完成后，硅料是逐层的分布于石英坩埚内部，加热器4在对石英坩埚2进行加热时，各层硅料的熔化速度并不相同，石英坩埚底部的硅料体积最小的流化床层最先熔化，向上逐层熔化程度逐渐减弱， 所以在塌料时，硅料是逐层开始塌缩的，相对于现有装料方法的整体塌缩，分散了塌缩落差，进而避免了硅料塌缩时溅料以及硅料滚落石英坩埚外部问题的发生。其中，导流筒5用于减少单晶炉体内上部空间惰性环境气体的涡流，减少S iO在单晶炉体上部的沉积；图中所示虚线为所述第二混合层的底部8与顶部9的分界线，所述分界线与坩埚口的水平高度为收起高度h，所述分界线是为了便于图示说明，实际装料中并不存在所述分界线。
现有的装料方法进行装料时大型硅料与小型硅料的质量百分比为1:9，即采用较多的小型硅料来增加装料量。但是，小型硅料的价格相对于大型硅料要高15%左右，采用粉碎大型硅料的方式易造成严重的粉尘污染，且成本交过，不适合生产应用。而本发明所述技术方案通过将硅料按照其尺寸及类型分类后分层次的装入坩埚，装料更加有规律性，增加了装料量，如可将24寸的坩埚的装料量从目前的150kg提升至180kg左右，装料量提高20%左右。而且增加了大型硅料（所述大型硅料包括大块硅料与棒形硅料）的百分比，使其含量增加至35%-45%，即将大型硅料与小型硅料（所述小型硅料包括流化床、小块硅料、中块硅料）的配比4:6左右，降低了小型硅料的使用量，从而降低了生产成本，。
而且，现有的装料方法在进行装料时在距坩埚口30mm-40mm处开始向上收起堆放，而30mm-40mm的收起高度较小在塌料时易造成顶部硅料滚落或溅射出坩埚，造成硅料的浪费以及坩埚外部器件的污染；而本发明技术方案可以大大增加装料量，可将所述收起高度h从现有的30mm-40mm增大至60mm-80mm，避免硅料滚落或溅射出坩埚。
同时，由于增大了收起高度，故降低了坩埚内硅料的装料高度，避免了硅料与坩埚外石墨器件近距离接触以及与外部环境气体的大面积接触，从而降低了熔料时引入C、O元素的含量，并将产品单晶硅内的C、O元素的含量控制在3ppm以内，避免了因为单晶硅内C、O元素含量过高导致太阳能电池后期 制作中电池片崩边、弯曲、翘皮以及效片数量较高等问题。
综上所述，采用本发明技术方案所述装料方法，能够增加装料量，避免塌料时硅料滚轮或是溅射出坩埚，同时能够降低单晶硅内C、O元素的含量，而且增加了大型硅料的用量，降低了生产成本。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种单晶炉铸锭装料方法，其特征在于，包括：
在坩埚底部平铺流化床层，所述流化床为尺寸在1mm-3mm之间的硅料；
在所述流化床层与坩埚液位线之间铺设由棒形硅料、中块硅料以及碎多晶棒形硅料构成的第一混合层；
在所述第一混合层上铺设由大块硅料以及中块硅料构成的第二混合层，所述第二混合层上部以圆锥状堆放；
其中，所述第一混合层的硅料之间缝隙以及第二混合层的硅料之间缝隙通过流化床和/或小块硅料填充；所述流化床为尺寸在1mm-3mm之间的硅料；所述小块硅料尺寸为10mm-20mm；所述中块硅料尺寸为30mm-50mm；所述大块硅料尺寸为50mm-75mm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大块硅料和棒形硅料的含量为35％-45％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一混合层的铺设方式为：
将所述棒形硅料呈多边形摆放在所述流化床层上方且与坩埚壁不接触，然后使用中块硅料以及碎多晶棒形硅料填充所述棒形硅料与坩埚壁、所述棒形硅料之间的间隙以及所述多边形所包围区域。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二混合层在距坩埚口60mm-80mm处以圆锥状收起堆放。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过流化床和/或小块硅料填充所述第一混合层以及第二混合层两层之间缝隙。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流化床层中流化床的含量为5％-10％。
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