CN102877125B - 一种多晶铸锭炉及用其生长类单晶硅锭的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法，包括：将单晶铺设于坩埚底部，并在上面添加硅料及根据目标电阻率相配合的合金，将装有以上硅料的坩埚装入多晶铸锭炉内；将所述多晶铸锭炉抽真空，加热并监测炉内的温度，当加热到规定温度时，充入氩气；当传感器探测到籽晶熔化到规定深度时，按预置温度降温至长晶温度；按照预先设定的温度及隔热笼的开启程度来控制长晶速度，直至类单晶硅锭长成；保持一定温度一定时间后进行降温，冷却结束后，硅锭出炉。上述方法利用现有的多晶铸锭炉实现了类单晶硅锭生产，提高了生产效率，降低了生产成本，提高了硅锭和硅片的平均质量。本发明还提供了一种生产类单晶硅锭的多晶铸锭炉。

Description

一种多晶铸锭炉及用其生长类单晶硅锭的方法
技术领域
本发明涉及类单晶硅锭生产技术领域，特别涉及一种多晶铸锭炉及用其生长类单晶硅锭的方法。
背景技术
光伏发电直接利用太阳光照的能量发电，是一种重要的可再生能源。多晶硅铸锭炉是光伏工业的主要生产设备之一。从目前太阳能电池市场环境看，提高太阳能电池的转换效率是太阳能电池行业的主流方向。虽然单晶硅的转化效率远远大于多晶硅，但是单晶硅的成本较高。因此，为了提高太阳能电池的转化效率，太阳能企业不断对多晶铸锭炉系统和多晶硅锭的铸造方法做出改进，并研究出了类单晶生长技术，即为准单晶。运用类单晶技术，可以使用多晶硅铸锭炉生产质量接近于单晶硅片的类单晶硅片。使用此种硅片生产的太阳能电池光电转换效率比用普通多晶硅片生产的电池更高。
现有的多晶硅铸锭技术最大可生长约1000mm长*1000mm宽，高度在200至400mm的多晶硅锭，可切割成6*6＝36块标准小锭(156mm长及156mm宽)，生产效率较低。生产类单晶时，由于坩埚边壁的籽晶生成作用，靠近坩埚边壁的部分常常容易长成多晶，而中心部位则容易长成类单晶，导致类单晶的成品率较低，同时坩埚中所含的杂质也对硅锭造成了一定的污染，影响硅锭的平均质量。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，能够生产G7类单晶硅锭，可开成7*7＝49块156*156mm的子锭块，增加了类单晶的成品率，提高了生产效率，降低了太阳能电池的生产成本，并在此基础上提高了硅片的平均质量。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法，其特征在于，包括：
1)将单晶籽晶紧密并均匀地铺设于坩埚底部，且所述单晶籽晶在水平方向的晶向一致，并在上面添加足量硅料及根据目标电阻率相配合的合金，将装有以上硅料的坩埚装入多晶铸锭炉内；
2)将所述多晶铸锭炉抽真空，开始加热并监测炉内的温度，当加热到规定温度1175-1550℃之间时，向所述多晶铸锭炉充入氩气；
3)当传感器探测到籽晶熔化到规定深度时，按预置温度降温至长晶温度1420-1480℃之间；
4)按照预先设定的温度及隔热笼的开启程度来控制长晶速度，同时打开所述容器四周的绝热体，并通过所述容器四周的水冷系统对所述容器进行冷却，形成垂直于容器底部的温度梯度，直至类单晶硅锭长成；
5)降温至400℃以内，冷却结束后，硅锭出炉。
优选的是，所述用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法中，所述步骤1)中添加的合金为硼或磷。
优选的是，所述用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法中，所述步骤1)中共计装料800-1500kg，所铸硅锭可开成7*7＝49块156mm*156mm的子锭块。
优选的是，所述用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法中，所述步骤1)中的目标电阻率一般控制在0.6-2.5Ω·cm。
优选的是，所述用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法中，所述步骤1)中的单晶为方单晶，且铺设时单晶在水平方向的晶向一致，铺设厚度为1-50mm均可。
优选的是，所述用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法中，所述步骤4)中还包括向所述多晶铸锭炉的顶端移动所述的隔热笼控制长晶速度。
优选的是，所述用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法中，所述步骤4)中控制硅料的长晶速度在0-45mm/h之间。
基于上述提供的用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法，本发明还提供了一种生长类单晶硅锭的多晶铸锭炉，所述的多晶铸锭炉的加热组件的厚度为5mm-30mm，热场空间设备可容纳坩埚，所装硅料重量800-1500kg。
本发明实施例所提供的技术方案，将一定尺寸的单晶籽晶紧密并均匀地铺设于坩埚底部，且所述单晶籽晶在水平方向的晶向一致，并在上面添加硅料及合金，共计装料800-1500kg，由籽晶引导单晶硅区域的生长，使生产出的多晶硅锭中包含连续大尺寸的单晶硅区域，即铸造出的多晶硅锭是由大部分与籽晶晶体学取向一致的单晶硅区域，以及少部分的多晶硅区域组成的。将此单晶硅锭经切方处理后，可得到7*7＝49块156mm*156mm的G7类单晶硅块，再将子锭块经检验，去头尾，切片等工序，可以得到G7类单晶硅片。
附图说明
图1为本发明所述的用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法流程示意图。
具体实施方式
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的附图作简单的介绍。
本发明提供了一种用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法，提高了生产效率，降低了太阳能电池的生产成本，并在此基础上提高了硅片的平均质量。
本发明实施例提供的一种用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法，包括：
步骤1：将单晶籽晶、硅料及合金依次放入坩埚，将装有以上硅料的坩埚装入多晶铸锭炉内；
先将单晶籽晶紧密并均匀地铺设于坩埚底部，且所述单晶籽晶在水平方向的晶向一致，为类单晶硅锭的制造提供前提，在上面添加足量硅料及根据目标电阻率相配合的合金硼或磷，共计装料800-1500kg，增大投料以获得较高的产率，合金硼或磷的加入是为了调节电阻率，从而改变太阳能电池的光电转化效率。
步骤2：将多晶铸锭炉抽真空，开始加热并监测炉内的温度，当加热到规定温度时，向所述多晶铸锭炉充入氩气；
为了避免硅料被氧化，需将多晶铸锭炉抽成真空环境，然后开始加热并监测炉内的温度，升温到规定温度1175-1550℃之间后转入熔化阶段，随着硅料的熔化，会产生部分气体，一般向炉内冲入氩气来排出硅料产生的气体，并保持温度(1440-1565℃之间)至硅料熔化至籽晶。
步骤3：当传感器探测到籽晶熔化深度时，按预置温度降温至长晶温度1420-1480℃之间；
籽晶不能全部熔化，因为需要长晶，形成类单晶硅锭，所以需要向多晶炉的顶端移动炉内的隔热笼以降低温度。
步骤4：按照预先设定的温度及隔热笼的开启程度来控制长晶速度，直至类单晶硅锭长成；
打开所述容器四周的绝热体，并通过所述容器四周的水冷系统对所述容器进行冷却，形成垂直于容器底部的温度梯度，控制熔化的硅料匀速凝固长晶。
步骤5：保持一定温度一定时间后进行降温，冷却结束后，硅锭出炉；
保持一定温度一定时间后进行降温，以消除长晶过程中的应力，然后进入冷却过程，直至降温至400℃以内，冷却结束，硅锭出炉。
将此单晶硅锭经切方处理后，可得到7*7＝49块156mm*156mm的类单晶锭块。再将子锭块经检验，去头尾，切片等工序，可以得到类单晶硅片。本发明所使用的热场技术比较容易获得均匀的、方向垂直的温度梯度，有利于高质量类单晶体的生长。采用上述方法可生产长、宽约为1152mm(范围约为1100mm至1300mm)的G7类单晶硅锭。硅锭高度为200mm至500mm，硅锭重量为800kg至1500kg。
本发明将可一次生长可开方为7*7＝49块标准小锭的类单晶硅锭，提高生产效率约36％，生产成本相应降低。同时中间部位(不与石英坩埚接触)的小锭数量大大增加，增加了类单晶的成品率，减少了坩埚中所含杂质对硅锭的污染，提高了硅锭和硅片的平均质量。
基于上述实施例提供的用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法，本发明还提供了一种用以生长类单晶硅锭的多晶铸锭炉，由于硅料投量较大，该多晶铸锭炉的加热组件的厚度有一定的加厚，为5mm-30mm，通过计算机模拟和多次实验确定该厚度，以便更好地控制温度的变化。多晶铸锭炉的下腔室底部铺有氧化铝毡或其他岩棉、矿物渣等，减缓和阻止了硅液溢流对炉子的破坏。多晶铸锭炉的每路出水管上都装有流量计，通过显示可以了解炉子各部分冷却水的运行情况，避免无水的发生。
上述实施例提供的用以生长类单晶硅锭的多晶铸锭炉，其他部件和结构请参考现有技术，本文不再赘述。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (2)

1.一种用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法，其特征在于，包括：
1）将单晶籽晶紧密并均匀地铺设于坩埚底部，且所述单晶籽晶在水平方向的晶向一致，并在上面添加足量硅料及根据目标电阻率相配合的合金，将装有以上硅料的坩埚装入多晶铸锭炉内；
2）将所述多晶铸锭炉抽真空，开始加热并监测炉内的温度，当加热到规定温度1175-1550℃之间时，向所述多晶铸锭炉充入氩气；
3）当传感器探测到籽晶熔化到规定深度时，按预置温度降温至长晶温度1420-1480℃之间；
4）按照预先设定的温度及隔热笼的开启程度来控制长晶速度，同时打开所述容器四周的绝热体，并通过所述容器四周的水冷系统对所述容器进行冷却，形成垂直于容器底部的温度梯度，直至类单晶硅锭长成；
5）降温至400℃以内，冷却结束后，硅锭出炉；
其中，所述步骤1）中共计装料800-1500kg，所铸硅锭可开方成7*7=49块156mm长*156mm宽的子锭块。
2.如权利要求1所述的用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法，其特征在于，所述步骤1）中添加的合金为硼或磷。
3.如权利要求1所述的用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法，其特征在于，所述步骤1）中的目标电阻率一般控制在0.6-2.5Ω·cm。
4.如权利要求1所述的用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法，其特征在于，所述步骤1）中单晶为方单晶，且铺设时单晶在水平方向的晶向一致，铺设厚度为1-50mm均可。
5.如权利要求1所述的用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法，其特征在于，所述步骤4）中还包括向所述类单晶铸锭炉的顶端移动所述的隔热笼控制长晶速度。
6.如权利要求1所述的用多晶铸锭炉生长类单晶硅锭的方法，其特征在于，所述步骤4）中控制硅料的长晶速度在0-45mm/h之间。
7.一种生长如权利要求1所述的类单晶硅锭的多晶铸锭炉，其特征在于，所述的多晶铸锭炉的加热组件的厚度为5mm-30mm，热场空间设备可容纳坩埚，所装硅料重量800-1500kg。
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