CN102787348B - 制备高利用率准单晶的组合式护板及其制备准单晶的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了制备高利用率准单晶的组合式护板及其制备准单晶的方法，通过对护板进行改进，使得坩埚不同区域的散热强度不同，从而改善单晶的生长条件。制备高利用率准单晶的组合式护板，包括贴附在坩埚外壁上的坩埚石墨侧护板，所述坩埚石墨侧护板包括贴附在坩埚外壁上的内护板、以及贴附在内护板一侧的外护板，所述外护板位于内护板远离坩埚的一侧；所述内护板开有若干轴线互相平行的内护板条形孔，外护板开有若干轴线互相平行外护板条形孔，所述内护板条形孔的轴线与外护板条形孔的轴线互相平行。大大降低了热量从坩埚径向传输与垂直方向传输之比有效地抑制了坩埚的径向热流，降低了铸锭周围多晶的形成比例，因此提高了铸锭的利用率。

Description

制备高利用率准单晶的组合式护板及其制备准单晶的方法

技术领域

本发明涉及单晶硅的制备设备，具体是指一种制备高利用率准单晶的组合式护板及其制备准单晶的方法。

背景技术

目前晶体硅太阳电池凭借其电池的高效稳定一直占据着太阳电池市场的。由于铸造多晶硅中存在大量的晶界和位错，它们能在硅禁带中引入深能级，成为光生少数载流子的有效复合中心，同时铸造多晶硅由于各晶粒晶向不一，不能采用各向异性的碱制绒方法进行表面处理，而各向同性的酸制绒方式则很难达到同样的效果，使得多晶硅太阳能电池的转换效率较单晶硅电池约低1. 5～2%。为了能够将单晶硅与多晶硅的优势集中体现出来，准单晶铸造技术应运而生，由于准单晶铸锭既具有单晶的高转换效率又具有多晶硅地制造成本的特点，目前铸造类单晶太阳电池已成为太阳电池行业中的主流产品。

铸锭单晶硅，是一种通过铸锭的方式形成单晶硅的技术。铸锭单晶硅主要有两种方法。一种是有籽晶的铸锭，另一种是没有籽晶的铸锭。有籽晶的铸锭技术先把籽晶，硅料掺杂元素放置坩埚中，籽晶一般位于坩埚底部。再把加热融化硅料，并且保持籽晶不被完全融掉。最后控制降温，调节固液相的温度梯度，确保单晶从籽晶位置开始生长。无籽晶铸锭单晶方法的步骤基本和铸锭多晶相同。其要点是精密控制定向凝固时的温度梯度和晶体生长速度来提高多晶晶粒的尺寸大小，形成所谓的准单晶。这种准单晶硅片的晶界数量远小于普通的多晶硅片。无籽晶的单晶铸锭技术难点也在于控温。由于无籽晶铸锭技术对设备以及操作要求较高，目前商业化生产都采用有籽晶的铸锭单晶技术。

铸锭单晶硅的质量接近直拉单晶硅。简单地说，这种技术就是用多晶硅的成本，生产单晶硅的技术。由于多晶硅电池由于存在晶界复合，以及所采用的酸制绒技术无法达到在单晶所采用的碱制绒的完美制绒效果，一般的多晶硅电池光电转化效率要低于单晶硅1～2%。通过铸锭单晶硅技术，可以使多晶铸锭炉生产出接近直拉单晶硅的准单晶。在不明显增加硅片成本的前提下，使电池效率提高1%以上。这种技术既具有单晶硅材料低缺陷、高转换效率的优点，又具有铸锭技术的高产量、低能耗、低光致衰减的优点。

现有技术的缺点：铸造准单晶技术先把籽晶，硅料掺杂元素放置坩埚中，籽晶一般位于坩埚底部。再把加热融化硅料，并且保持籽晶不被完全融掉。最后控制降温，调节固液相的温度梯度，确保单晶从籽晶位置开始生长。这种技术的难点在于确保在第二步融化硅料阶段，籽晶不被完全融化，还有控制好温度梯度的分布，这个是提高晶体生长速度和晶体质量的关键。虽然铸造准单晶技术已经得到了产业化生产，但是目前仍然存在问题，即铸锭的良率目前较低只有目前良率大约在40%～60%之间，主要是由于铸锭周围多晶的产生严重影响了铸锭的利用率。铸锭周围多晶的形成主要是由于坩埚径向存在热量的传递，径向传热导致在坩埚壁附近容易产生抑制形核，这些晶核会随着径向传热的进行而长大，从而会形成铸锭四周的多晶区，同时铸锭生长过程中底部存在垂直方向的热流，径向热流与垂直热流的比例的大小对铸锭单晶的利用率有着重要的影响，若能够降低坩埚径向热流的比例，则可有效地抑制侧面的成核，降低铸锭多晶的比例，从而可以提高铸锭单晶的利用率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备高利用率准单晶的组合式护板及其制备准单晶的方法，通过对护板进行改进，使得坩埚不同区域的散热强度不同，从而改善单晶的生长条件。

本发明的实现方案如下：制备高利用率准单晶的组合式护板，包括贴附在坩埚外壁上的坩埚石墨侧护板，所述坩埚石墨侧护板包括贴附在坩埚外壁上的内护板、以及贴附在内护板一侧的外护板，所述外护板位于内护板远离坩埚的一侧；所述内护板开有若干轴线互相平行的内护板条形孔，外护板开有若干轴线互相平行外护板条形孔，所述内护板条形孔的轴线与外护板条形孔的轴线互相平行。

所述内护板远离坩埚的一侧或内护板端面安装有滑道装置，所述外护板通过滑道装置贴附在内护板上。

所述滑道装置为U形槽，所述U形槽的开口方向指向内护板。

所述滑道装置为至少一组对称设置在内护板上的L形组板，一组L形组板的数目为2个，一组L形组板与内护板组成两个开口相对U形凹槽。

所述内护板采用绝热材料制成。

制备准单晶的方法，包括如下步骤；

步骤A为制备装置的组装步骤：取上述坩埚，将坩埚的底部安装在具有坩埚石墨底部护板上的石墨底座支柱上，坩埚石墨底部护板与坩埚的底部连接，然后采用内护板和外护板构成的坩埚石墨侧护板贴附在坩埚的侧壁上；

步骤B为放料步骤：在步骤A完成后，将籽晶放在坩埚的底部，然后在籽晶的上方放入多晶硅与母合金。

步骤C为熔化步骤：将上述步骤B组装完成后的制备装置，放入铸锭炉，经过加热处理使得多晶硅、母合金、籽晶均熔化，其中在加热前，通过牵引装置使得内护板和外护板发生移位，使得内护板条形孔和外护板条形孔完全重合或部分重合；

步骤D为长晶步骤：步骤C后，当坩埚内的硅熔体完全处于熔化状态后，驱动牵引装置使得内护板和外护板发生移位，使得内护板条形孔的投影完全落入相邻两外护板条形孔之间，同时使得外护板条形孔的投影完全落入相邻两内护板条形孔之间；

步骤E为退火和冷却步骤。

本发明主要采用所述组合式护板，在不同的生长阶段，组合式护板可以有改变自己的状态，既不影响硅料的熔化过程，同时又可以有效地抑制坩埚壁热量的径向传递，增强坩埚垂直方向的导热，降低径向热流与垂直热流的比例。从而抑制铸锭周围多晶的产生，提高铸造单晶的良率。本发明涉及阶梯厚度的新型组合式护板的设计简单、成本低廉，与现有的铸锭炉的兼容性好，适合产工业化生产的大范围推广。

铸造单晶的制备过程如下：首先准备好籽晶与坩埚，将籽晶放在坩埚的底部，然后再籽晶的上方放入多晶硅与母合金，然后将石墨护板安装在坩埚的周围与底部，然后将其放入铸锭炉，经过加热、熔化、长晶、退火和冷却5个阶段后，即可取出铸锭。传统的铸锭炉的长晶过程如下：隔热笼慢慢向上提，热量从坩埚壁和坩埚底部传输出来，坩埚壁传出的热量以辐射的方式传导出来，坩埚底部的热量通过传导方式传给坩埚下方的石墨支撑台，然后热量再通过辐射方式传给铸锭炉壁。这样导致铸造出的铸锭在周围存在多晶区域，从而影响铸锭单晶的收益率，为了提高铸锭单晶的收益率，通过降低坩埚壁径向热流与垂直热流之间的比例，让更多的热流从坩埚底部以垂直方向流出，这样可以明显缩小铸锭周围的多晶区域。本发明采用组合式护板，分为内层与外层，即内护板和外护板，它们均采用绝热材料制备，内护板与坩埚外壁紧密相连，内护板上开有内护板条形孔，外护板安装在内护板的滑道装置上，可以上下移动，外护板同样开有外护板条形通孔，内外护板高度相同，外护板条形通孔和内护板条形孔的位置相互错开。当内护板上表面和外护板的下表面重合时，侧面观看整个护板是密封，处于绝热状态，有利于防止坩埚径向热流的产生。而向上提拉一个内护板条形孔的位置时，侧面观察整个组合式护板，组合式护板上的开孔全部裸露出来，处于敞开状态，此时可以对坩埚进行加热。为了能够提高组合式护板的传热效果，要求组合式护板处于敞开状态时，尽量让更多的坩埚壁裸露出来，因此应在保持组合式护板强度的前提下，在内护板和外护板上尽量开最多的孔。组合式护板中的内护板与坩埚壁紧密接触，外护板在牵引装置的作用下可以上下移动。当坩埚处于加热状态时，坩埚护板处于敞开状态，热量可以传递给坩埚内部的硅料，而当坩埚处于长晶和保温时，坩埚护板则处于闭合状态，这样可以有效地抑制热量从坩埚壁向外传递，因此大大降低了径向热流的传递，从而使更多的热量从坩埚底部传出，采用复合式坩埚护板大大降低了坩埚垂直方向热量传输与垂直方向热量传输的比例，因此可以明显降低铸锭周围多晶的生长区域。

本发明具有以下优点：

（1）相比传统的铸锭炉而言，本发明的新型组合式护板可以有效地改善坩埚中硅熔体的传热效果，组合式坩埚处于不同的状态可以配合硅料的熔化与生长，增强了坩埚垂直方向的热量传输效果，大大降低了热量从坩埚径向传输与垂直方向传输之比有效地抑制了坩埚的径向热流，降低了铸锭周围多晶的形成比例，因此提高了铸锭的利用率。

（2）本发明的新型组合式坩埚采用绝热材料而成，结构简单，内外护板可以相对运动，在满足护板强度的前提下，内外护板上的开孔大小和形状可以进行调整，已达到最佳的效果。

（3）本发明使用的新型组合式护板与传统的铸锭炉设备相兼容，不需要增加设备，工艺成本较低，产能较大，具有非常好的产业前景。

附图说明

图1为本发明外护板结构示意图。

图2为本发明内护板结构示意图。

图3为本发明外护板结构端面示意图。

图4为本发明组合式护板敞开状态示意图。

图5为本发明组合式护板闭合状态示意图。

图6为本发明组合式护板闭合状态下的散热示意图。

图中的标号分别表示为：1、外护板；11、外护板条形孔；2、内护板；21、内护板条形孔；22、滑道装置；3、坩埚石墨侧护板；4、坩埚；5、硅熔体；6、坩埚石墨底部护板；7、石墨底座支柱。

具体实施方式

实施例一

如图1-6所示。

本发明要保护的技术关键点为本发明涉及的组合式护板，其中本发明所涉及新型组合式护板较为重要的方面有：1、组合式护板既可以采用同一种材料制备而成，也可以采用两种不同的材料制备而成。2、组合式护板分为内外两个部分组成，二者可以相对运动，使护板处于敞开和闭合状态。3、内外护板上开有通孔，在满足护板强度的前提下，可以对内外护板上的通孔的面积进行调整。

因此，制备高利用率准单晶的组合式护板，包括贴附在坩埚4外壁上的坩埚石墨侧护板3，所述坩埚石墨侧护板3包括贴附在坩埚4外壁上的内护板2、以及贴附在内护板一侧的外护板1，所述外护板1位于内护板远离坩埚4的一侧；所述内护板开有若干轴线互相平行的内护板条形孔21，外护板开有若干轴线互相平行外护板条形孔11，所述内护板条形孔21的轴线与外护板条形孔11的轴线互相平行。

所述内护板2远离坩埚4的一侧或内护板2端面安装有滑道装置22，所述外护板1通过滑道装置22贴附在内护板2上。

所述滑道装置22为U形槽，所述U形槽的开口方向指向内护板2。

所述滑道装置22为至少一组对称设置在内护板2上的L形组板，一组L形组板的数目为2个，一组L形组板与内护板2组成两个开口相对U形凹槽。

所述内护板2均采用绝热材料制成。

制备准单晶的方法，包括如下步骤；

步骤A为制备装置的组装步骤：取上述坩埚4，将坩埚4的底部安装在具有坩埚石墨底部护板6上的石墨底座支柱7上，坩埚石墨底部护板6与坩埚4的底部连接，然后采用内护板和外护板构成的坩埚石墨侧护板贴附在坩埚4的侧壁上；

步骤B为放料步骤：在步骤A完成后，将籽晶放在坩埚4的底部，然后在籽晶的上方放入多晶硅与母合金。

步骤C为熔化步骤：将上述步骤B组装完成后的制备装置，放入铸锭炉，经过加热处理使得多晶硅、母合金、籽晶均熔化，其中在加热前，通过牵引装置使得内护板2和外护板发生移位，使得内护板条形孔21和外护板条形孔完全重合或部分重合；

步骤D为长晶步骤：步骤C后，当坩埚4内的硅熔体5完全处于熔化状态后，驱动牵引装置使得内护板2和外护板发生移位，使得内护板条形孔21的投影完全落入相邻两外护板条形孔之间，同时使得外护板条形孔的投影完全落入相邻两内护板条形孔之间；

步骤E为退火和冷却步骤。

本发明主要采用所述组合式护板，在不同的生长阶段，组合式护板可以有改变自己的状态，既不影响硅料的熔化过程，同时又可以有效地抑制坩埚壁热量的径向传递，增强坩埚垂直方向的导热，降低径向热流与垂直热流的比例。从而抑制铸锭周围多晶的产生，提高铸造单晶的良率。本发明涉及阶梯厚度的新型组合式护板的设计简单、成本低廉，与现有的铸锭炉的兼容性好，适合产工业化生产的大范围推广。

铸造单晶的制备过程如下：首先准备好籽晶与坩埚，将籽晶放在坩埚的底部，然后再籽晶的上方放入多晶硅与母合金，然后将石墨护板安装在坩埚的周围与底部，然后将其放入铸锭炉，经过加热、熔化、长晶、退火和冷却5个阶段后，即可取出铸锭。传统的铸锭炉的长晶过程如下：隔热笼慢慢向上提，热量从坩埚壁和坩埚底部传输出来，坩埚壁传出的热量以辐射的方式传导出来，坩埚底部的热量通过传导方式传给坩埚下方的石墨支撑台，然后热量再通过辐射方式传给铸锭炉壁。这样导致铸造出的铸锭在周围存在多晶区域，从而影响铸锭单晶的收益率，为了提高铸锭单晶的收益率，通过降低坩埚壁径向热流与垂直热流之间的比例，让更多的热流从坩埚底部以垂直方向流出，这样可以明显缩小铸锭周围的多晶区域。本发明采用组合式护板，分为内层与外层，即内护板和外护板，它们均采用绝热材料制备，内护板与坩埚外壁紧密相连，内护板上开有内护板条形孔，外护板安装在内护板的滑道装置上，可以上下移动，外护板同样开有外护板条形通孔，内外护板高度相同，外护板条形通孔和内护板条形孔的位置相互错开。当内护板上表面和外护板的下表面重合时，侧面观看整个护板是密封，处于绝热状态，有利于防止坩埚径向热流的产生。而向上提拉一个内护板条形孔的位置时，侧面观察整个组合式护板，组合式护板上的开孔全部裸露出来，处于敞开状态，此时可以对坩埚进行加热。为了能够提高组合式护板的传热效果，要求组合式护板处于敞开状态时，尽量让更多的坩埚壁裸露出来，因此应在保持组合式护板强度的前提下，在内护板和外护板上尽量开最多的孔。组合式护板中的内护板与坩埚壁紧密接触，外护板在牵引装置的作用下可以上下移动。当坩埚处于加热状态时，坩埚护板处于敞开状态，热量可以传递给坩埚内部的硅料，而当坩埚处于长晶和保温时，坩埚护板则处于闭合状态，这样可以有效地抑制热量从坩埚壁向外传递，因此大大降低了径向热流的传递，从而使更多的热量从坩埚底部传出，采用复合式坩埚护板大大降低了坩埚垂直方向热量传输与垂直方向热量传输的比例，因此可以明显降低铸锭周围多晶的生长区域。

如上所述，则能很好的实现本发明。

Claims (6)

1.制备高利用率准单晶的组合式护板，包括贴附在坩埚（4）外壁上的坩埚石墨侧护板（3），其特征在于：所述坩埚石墨侧护板（3）包括贴附在坩埚（4）外壁上的内护板（2）、以及贴附在内护板一侧的外护板（1），所述外护板（1）位于内护板远离坩埚（4）的一侧；所述内护板开有若干轴线互相平行的内护板条形孔（21），外护板开有若干轴线互相平行外护板条形孔（11），所述内护板条形孔（21）的轴线与外护板条形孔（11）的轴线互相平行。

2.根据权利要求1所述的制备高利用率准单晶的组合式护板，其特征在于：所述内护板（2）远离坩埚（4）的一侧或内护板（2）端面安装有滑道装置（22），所述外护板（1）通过滑道装置（22）贴附在内护板（2）上。

3.根据权利要求2所述的制备高利用率准单晶的组合式护板，其特征在于：所述滑道装置（22）为U形槽，所述U形槽的开口方向指向内护板（2）。

4.根据权利要求2所述的制备高利用率准单晶的组合式护板，其特征在于：所述滑道装置（22）为至少一组对称设置在内护板（2）上的L形组板，一组L形组板的数目为2个，一组L形组板与内护板（2）组成两个开口相对U形凹槽。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的制备高利用率准单晶的组合式护板，其特征在于：所述内护板（2）采用绝热材料制成。

6.制备准单晶的方法，其特征在于：包括如下步骤；

步骤A为制备装置的组装步骤：取上述坩埚（4），将坩埚（4）的底部安装在具有坩埚石墨底部护板（6）上的石墨底座支柱（7）上，坩埚石墨底部护板（6）与坩埚（4）的底部连接，然后采用内护板和外护板构成的坩埚石墨侧护板贴附在坩埚（4）的侧壁上；

步骤B为放料步骤：在步骤A完成后，将籽晶放在坩埚（4）的底部，然后在籽晶的上方放入多晶硅与母合金；

步骤C为熔化步骤：将上述步骤B组装完成后的制备装置，放入铸锭炉，经过加热处理使得多晶硅、母合金、籽晶均熔化，其中在加热前，通过牵引装置使得内护板（2）和外护板发生移位，使得内护板条形孔（21）和外护板条形孔完全重合或部分重合；

步骤D为长晶步骤：步骤C后，当坩埚（4）内的硅熔体（5）完全处于熔化状态后，驱动牵引装置使得内护板（2）和外护板发生移位，使得内护板条形孔（21）的投影完全落入相邻两外护板条形孔之间，同时使得外护板条形孔的投影完全落入相邻两内护板条形孔之间；

步骤E为退火和冷却步骤。