CN102934239A - 太阳能电池用的多晶硅锭的高输出制造设备 - Google Patents

太阳能电池用的多晶硅锭的高输出制造设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及太阳能电池用的多晶硅锭的高输出制造设备,更具体地说,涉及通过在真空腔室中使原料硅加热和熔融、然后使熔融硅冷却来制造多晶硅锭的设备,其中,该设备包括:多个坩埚,该多个坩埚在该真空腔室中彼此分开地水平排列,每个坩埚都装有原料硅以制造多晶硅锭;加热装置,该加热装置设置在各个坩埚的外部以便对各个坩埚加热并使其中装有的原料硅熔融;以及冷却装置,该冷却装置使该坩埚冷却,从而能够使通过该加热装置熔融的硅单向冷却并形成多晶锭。

Description

太阳能电池用的多晶硅锭的高输出制造设备技术领域[0001] 本发明涉及多晶硅锭的高输出制造设备,更具体地说,涉及太阳能电池用的多晶硅锭的高输出制造设备,该设备包括多个坩埚,熔融并定向地冷却装入所述多个坩埚的原料硅,能够在制造一个锭所需的一般时间内同时制造若干个锭。背景技术[0002] 近年来,由于诸如无污染、安全、高性能以及可靠性等优点,利用晶体硅太阳能电池的太阳能光伏发电通过了测试阶段并且到达商业化阶段。[0003] 因此,在诸如德国、日本和韩国等几个国家中,太阳能光伏发电的高容量达到了几千至几万kW。[0004] 目前,通常利用通过Czochralski方法生产的单晶娃锭与通过Bridgman方法生产的多晶硅锭中的一者来制造 用于太阳能光伏发电的太阳能电池。为了持续提高大的容量和经济上的可行性,应当考虑进一步降低硅锭和基材的成本并且提高产量。[0005] 在这种情况下,具体地说,进行了大量的努力来有效地生产多晶硅锭,与单晶的性质相比,多晶硅锭的性质没有大幅度下降,从而能够降低成本。[0006] 太阳能电池用的多晶硅锭的制造主要具有“定向凝固”的性质。[0007] 使用石英和石墨中的一者制造的坩埚装有太阳能电池用的原料硅。原料硅在 1420° C或更高的温度下熔融,并且沿着朝向坩埚底部的确定方向去除硅的凝固热,因而凝固从坩埚底部到坩埚顶部蔓延,这就是定向凝固过程。[0008]由良好控制的定向凝固过程获得的锭具有柱状结构,其中大部分的单晶柱沿着一个方向相互连接,从而在制造与晶体生长方向垂直的基材时,提供能够朝着电极收集由光产生的电子而没有损失的结构,这与单晶的情况相同。[0009] 商业规模的太阳能电池用的普通多晶硅锭的尺寸大约400_450kg。为了体现高质量,在批次中一次性逐一制造普通多晶硅锭。通常,需要持续两天或更久的长期过程、大量的功耗以及昂贵的设施成本。[0010] 技术核心是通过使原料硅熔融并定向凝固来制造适合太阳能电池用的多晶硅锭, 其晶体结构为柱状结构,晶粒大小很大,具有很高的质量,其中结晶缺陷和杂质足够少。[0011] 为了体现这一点,需要使下列项目的优化设计与过程中的变量(例如,硅的熔融和凝固速度以及热处理速度)的优化相结合,这些项目包括:形成锭制造装置的热区的加热器、隔热器、用于定向凝固的底部热量传递系统、惰性气体、真空系统、带涂层的坩埚和防止熔融硅泄漏的系统。[0012] 本领域的技术发展已经集中在通过改进设备和方法来体现锭的质量而且还提高产量和经济可行性。[0013] 在这种情况下,当前技术发展的主要方向在于进一步增加在批次中一次性生产的锭的尺寸。然而,作为提高产量并降低成本的另一种方式,可以考虑在批次中一次性生产多个锭的方式。因此,本发明的一个方面是提供一种用于制造锭的新型设备和该设备的使用方法,其中该设备能够在同一处理时间同时生产多个锭,并且还提供根据本发明的附加技术。发明内容[0014] 技术问题 [0015] 当在批次中一次性生产多个锭而不增加各个批次的一般处理时间时,不仅可以大幅降低整个设施的成本,而且还可以大幅降低熔融硅、凝固硅和热处理硅的操作成本。为了在技术上体现这一点,需要解决以下新问题。[0016] 第一,需要在多个锭中提供相同质量的均匀性。[0017] 一般来说,因为利用通过分割一个大尺寸多晶硅锭而形成的若干小尺寸块来制造太阳能电池用的多晶硅基材,所以重要的是降低各个小块之间的质量差异。[0018] 当一次性制造多个锭时,需要保持设施和过程的所有要素对称相同以降低多个锭之间的质量差异。[0019] 第二,需要降低操作多个坩埚的危险性并且提供设施和设施操作员的安全性。[0020] 通常使用的由石英和石墨中的一者形成的坩埚在根据本发明以1500° C高温、大幅温度变化以及真空与惰性气氛之间的大幅压力变化来制造多晶硅锭的环境中可能会偶尔破裂,从而使熔融硅液体泄漏。[0021] 在这种情况下,在与设施或隔热器内部的金属表面接触时可能会出现很大的安全性问题。[0022] 在高温硅液体与钢制腔室的内部直接接触时,由于表面损坏引起的泄漏和冷水迅速蒸发的原因,所以存在设施爆炸的危险。[0023] 在普通的单锭制造设备中也可能会出现这些问题,因而停止设备的操作来防止危险。然而,在根据本发明的多个坩埚的情况下,由于同时废弃正常坩埚,所以产量等级降低。[0024] 因此,尽管多个坩埚中的一个坩埚存在问题并且发生硅泄漏,但是需要维持其他坩埚中的锭直到过程结束以减少产量等级的下降,并且还需要将泄漏的硅隔离和保持在损坏坩埚的底部以使其凝固和安全直到过程结束。[0025] 因此,为了解决这些问题,本发明提供了一种一次性生产多个多晶硅锭的设备,该设备包括多个坩埚、能够均匀加热各个坩埚并稳定地保持所需处理温度的加热系统、定向凝固所需的冷却系统和隔热系统以及在熔融硅泄漏的紧急情况下使用的安全隔离系统。[0026] 技术方案[0027] 根据本发明的一个方面,提供一种通过以下方式来制造多个硅锭的设备:同时加热真空腔室、安装在真空腔室内部的装有原料硅的多个坩埚和支撑架,然后使原料硅熔融并定向凝固,所述设备包括:多个保护板,所述保护板是隔离装置,安装在坩埚的支撑架的外部,防止硅液体泄漏并且限制硅液体的凝固热以使其被去除;多个坩埚,所述多个坩埚水平安装在所述真空腔室内,彼此分开地排列并且分别装有原料硅以制造多晶硅锭;加热系统,所述加热系统安装在所述多个坩埚外部,以便通过加热所述多个坩埚来使所述多个坩埚的每个坩埚中的原料硅熔融;以及冷却装置,所述冷却装置使所述坩埚冷却,从而使通过所述加热系统熔融的原料硅固化以生长成多晶锭。[0028] 优选的是,在所述真空腔室中具有呈正方形形状的空间,在基于穿过所述空间的中点的假想十字线而形成的区域中排列有四个坩埚。[0029] 此外,坩埚由坩埚支撑架固定并且防止硅液体泄漏的多个保护板安装在坩埚支撑架外部,从而能够在制造多个锭的过程中一些坩埚损坏的情况下使用未损坏坩埚中的硅, 并且用作坩埚的除底部以外的所有部分的完美隔离系统,从而将硅的凝固热限制在坩埚的底部以使其被去除,因此允许单向去除,使得可以通过增大控制太阳能电池用的多晶锭的性质的柱状结构部分来提高整体产率。[0030] 此外,所述加热系统包括:外部加热器,所述外部加热器对每个坩埚的面向所述真空腔室内侧的表面加热;以及内部加热器,所述内部加热器对每个坩埚的面向相邻坩埚的表面加热。[0031] 所述内部加热器呈根据假想十字线形成的十字形状并且位于所述坩埚的彼此相对的各表面之间。[0032] 此外,每个内部加热器呈通过多次弯曲加热管而形成的板和多根排列的杆之一的形状,以与坩埚的表面相对应。[0033] 本发明的设备还包括控制器,所述控制器能够分别操作外部加热器和各个内部加热器并且控制相互的温度。[0034] 此外,所述冷却装置设置在所述多个坩埚的底部并且同时冷却所述多个坩埚。[0035] 冷却装置设置在对应坩埚的底部并且冷却对应坩埚。 [0036] 此外,在各个坩埚外部安装有多个支撑架,并且在所述支撑架周围安装有一个或多个防漏保护板。[0037] 有益效果[0038] 如上文所述,根据按照本发明的太阳能电池用的多晶硅锭的高输出制造设备,在加热系统中所包括的每一个外部加热器和内部加热器的温度分别被控制并且多个坩埚被均匀加热,从而在与一般处理时间相似的处理时间内生产多个锭,还提供了在熔融硅泄漏的紧急情况下使用的安全隔离系统以防止设施损坏和爆炸的危险,并且通过单向控制硅液体的凝固热可以使适于高效太阳能电池的锭的柱状结构部分最大化。附图说明[0039] 图I是根据本发明实施例的太阳能电池用的多晶硅锭的高输出制造设备的视图;[0040] 图2是根据本发明实施例的太阳能电池用的多晶硅锭的制造设备的俯视图;[0041] 图3是根据本发明实施例的太阳能电池用的多晶硅锭的制造设备的加热系统的视图;[0042] 图4是根据本发明另一个实施例的太阳能电池用的多晶硅锭的制造设备的视图;[0043] 图5是根据本发明另一个实施例的太阳能电池用的多晶硅锭的制造设备的加热系统的视图;以及[0044] 图6是保护板的视图,该保护板防止根据本发明实施例的太阳能电池用的多晶硅锭的制造设备的硅液体泄漏。具体实施方式[0045] 下面,将结合附图描述本发明的示例性实施例。[0046] 然而,下面的实施例仅作为本发明的例子,本发明不限于此,而是在不脱离本发明技术实质的范围内可以进行各种变化。[0047] 此外,示例性实施例不会限制本发明的权利范围而是仅作为例子,并且在不脱离本发明技术范围的范围内可以进行各种变化。[0048] 图I是根据本发明实施例的太阳能电池用的多晶硅锭的高输出制造设备的视图; 图2是根据本发明实施例的太阳能电池用的多晶硅锭的制造设备的俯视图;图3是根据本发明实施例的太阳能电池用的多晶硅锭的制造设备的加热系统的视图;图4是根据本发明另一个实施例的太阳能电池用的多晶硅锭的制造设备的视图;图5是根据本发明另一个实施例的太阳能电池用的多晶硅锭的制造设备的加热系统的视图;以及图6是保护板的视图,该保护板安装在坩埚的支撑架周围,并且在使装入坩埚的原料硅熔融和冷却时收集由于坩埚的损坏而泄漏的硅液体。[0049] 因为这种保护板保持设备内部与位于加热器外部的侧部隔热器和位于坩埚的底部隔热器完全地密封在一起,所以尽管硅液体由于坩埚损坏而泄漏,但是也可以通过完全地防止泄漏到外部来保护腔室。[0050] 另外,除了坩埚底部以外的所有表面被完全隔热,这样将熔融硅的凝固热限制在坩埚底部以使其被去除,因而有利于单向去除,从而增大控制太阳能电池用的多晶硅锭的性质的柱状结构部分并且提高整体产率。[0051] 如图所示,太阳能电池用的多晶硅锭的高输出制造设备10通过使真空腔室100内部的原料硅加热、熔融和冷却来制造多晶硅锭。[0052] 在这种情况下,在真空腔室100中包括多个坩埚200并且其中每个坩埚都装有原料硅以制造多晶硅锭,各个坩埚200彼此分开地水平排列。[0053] 这些坩埚200分别被基座500包围,每个基座500都被支撑架(未示出)固定在真空腔室100内部,并且设置隔热器(未示出)来挡住排放到每个坩埚200周围的热量。[0054] 基座500保护坩埚200,容易将从外部传递的热或冷导向坩埚200,并且由具有优异热传递性的碳和石墨中的一者形成。[0055] 坩埚200由石英和石墨中的一者或几者形成。[0056] 加热系统300设置在每个坩埚200的外部并且对每个坩埚200加热以使装入坩埚 200的原料硅熔融,并且该加热系统传递辐射热,从而使装入每个坩埚200的原料硅熔融。[0057] 此外,设置冷却装置400来使每个坩埚200冷却,并且该冷却装置使由加热系统 300加热的每个坩埚冷却,从而使将要生长为多晶的熔融原料硅冷却。[0058] 在加热系统300与冷却装置400之间包括上面形成有传递通道112的隔热层110 以及打开和关闭传递通道112的遮挡门120,遮挡门120设置在每个坩埚200的底部并且与隔热层110 —起选择性地分割真空腔室100。[0059] 也就是说,当对用于熔融原料硅的坩埚200加热时,为了保持加热系统300的温度并且减少加热时间,真空腔室100被遮挡门120分割成加热系统300和坩埚200所在的区域以及冷却装置400所在的区域。[0060] 在这种情况下,参考图2,因为包括呈正方形形状的空间,所以真空腔室100可以完全呈正方形以形成四方空间并提高热效率。[0061] 设置有四个坩埚200,每个坩埚200设置在基于穿过真空腔室100空间的中点的假想十字线进行分割而形成的每块区域中。[0062] 每个坩埚200都安装成使得其表面以一定间隔相互分开。[0063] 加热系统300包括通过向每个坩埚200的相应表面传递辐射热来加热坩埚200的外部加热器310和若干内部加热器320。[0064] 也就是说,外部加热器310用来加热每个坩埚200的面向真空腔室100内侧的表面,内部加热器320用来加热每个坩埚200的彼此相对的表面。[0065] 在这种情况下,设置有四个内部加热器320,它们呈根据假想十字线形成的十字形状并且分别位于坩埚200的彼此相对的各表面之间。[0066] 因此,辐射热通过外部加热器310和内部加热器320被传递到四个坩埚200的所有表面,从而使装入每个坩埚200的原料硅熔融。[0067] 参考图3,外部加热器310和内部加热器320呈通过多次弯曲加热管而形成的板的形状,并且通过使用经由电极(未示出)供应的电力而产生的高热来加热基座500,而加热的基座500将热量传递至坩埚200以使其中的原料硅熔融。[0068] 另一方面,参考图4,外部加热器310和内部加热器320呈多根杆的形状,这些杆排列成面向坩埚200的表面,并且通过使用经由电极(未示出)供应的电力而产生的高热来加热基座500,而加热的基座500将热量传递至坩埚200以使其中的原料硅熔融。[0069] 如上文所述,为了分别操作外部加热器和内部加热器并且控制呈通过多次弯曲加热管而形成的板的形状和多根排列的杆的形状之一的外部加热器310和内部加热器320中的每一个的温度,还包括能够控制和保持每个坩埚200的熔融温度的控制器600,从而在与普通处理时间相似的处理时间内同时在多个坩埚200中熔融原料硅。[0070] 冷却装置400设置在多个坩埚200的底部并且同时冷却多个坩埚,从而使熔融硅在每个坩埚200中冷却和生长而成为具有柱状结构的多晶锭。[0071] 另一方面,如图5所示,各个冷却装置400可以分别设置在每个坩埚200的底部并且可以分别冷却每个坩埚200。[0072] 这是为了冷却降低每个坩埚200的温度,并且优选的是冷却各个基座500以冷却各个纟甘祸200,从而提闻冷却效率。[0073] 因此,分别在多个坩埚200中制造多晶硅锭,从而比普通设备提高至少三倍的产量。[0074] 此外,参考图6,在本发明的使用多个坩埚200制造多个锭的情况下,还包括坩埚支撑架700以及位于坩埚支撑架700与隔热层110之间的防漏保护板800。[0075] 设置有一个或多个防漏保护板800,其遮挡冷却装置400的传递部分以防止坩埚 200中的硅液体泄漏到冷却装置400的传递部分。[0076] 此外,防漏保护板800密封冷却装置400所能够移动通过的坩埚200的底部,从而仅在冷却装置400与坩埚200的底部之间进行热交换,因而在坩埚200中从底部到顶部冷却熔融硅以使其顺序地凝固。[0077] 换句话说,防漏保护板800与侧部隔热器140以及位于坩埚200底部的隔热层110一起使真空腔室100的内部保持完全密封。[0078] 因此,可以相对于坩埚200中的熔融硅单向地去除凝固热,这样可以通过增大控制太阳能电池用的多晶锭的性质的柱状结构部分来提高额外产率。[0079] 此外,可以防止硅液体通过隔热层110的传递通道112泄漏,其中在使装入坩埚 200的固相原料硅熔融和冷却的过程中能够出现这种泄漏。[0080] 防漏保护板800可以由石墨形成。本文中使用的附图标记如下。10 锭制造设备 100 真空腔室110 隔热层 120 遮挡门130 支撑件 140 隔热器200 柑埚 300 加热系统310 外部加热器 320 内部加热器400 冷却装置 500 基座600 800 控制器防漏保护板 700 坩埚支撑架

Claims (10)

1. 一种通过在真空腔室内部使装入坩埚的原料硅加热、熔融和冷却来制造太阳能电池用的多晶硅锭的高输出制造设备,所述设备包括:多个坩埚,所述多个坩埚在所述真空腔室中彼此分开地水平排列,每个坩埚都装有原料娃以制造多晶娃淀;加热系统,所述加热系统设置在各个坩埚的外部并且对各个坩埚加热以使其中的原料娃溶融;以及冷却装置,所述冷却装置使所述坩埚冷却,从而使通过所述加热系统熔融的硅冷却并生长成多晶锭。
2.根据权利要求I所述的设备,其中,所述真空腔室包括呈正方形形状的空间,并且在基于穿过所述空间的中点的假想十字线而形成的区域中设置有四个坩埚,每个坩埚设置在每块区域中。
3.根据权利要求2所述的设备,其中,所述加热系统包括:外部加热器,所述外部加热器对每个坩埚的面向所述真空腔室内侧的表面加热;以及若干内部加热器,每个内部加热器对每个坩埚的面向彼此的表面加热。
4.根据权利要求3所述的设备,其中,所述内部加热器呈根据假想十字线形成的十字形状并且位于所述坩埚的彼此相对的各表面之间。
5.根据权利要求4所述的设备,其中,所述内部加热器呈通过多次弯曲加热管而形成的板和多根排列的杆之一的形状,以与坩埚的表面相对应。
6.根据权利要求4所述的设备,其中,所述外部加热器和所述内部加热器还包括用于控制它们的操作和温度的控制器。
7.根据权利要求2所述的设备,其中,所述冷却装置设置在所述多个坩埚的底部并且同时冷却所述多个坩埚。
8.根据权利要求2所述的设备,其中,所述冷却装置分别设置在每个坩埚的底部并且分别冷却每个坩埚。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的设备,还包括:坩埚支撑架,所述坩埚支撑架安装成从下面支撑各个坩埚,以及一个或多个防漏保护板,所述防漏保护板密封所述冷却装置的位于所述坩埚支撑架与隔热层之间的传递部分。
10.根据权利要求9所述的设备,其中,所述保护板由石墨形成。
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