CN103060902A - 直接成形制备带硅的方法及硅片直接成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接成形制备带硅的方法，在硅片和硅熔体的固液界面区域施加交变磁场，在固液界面前沿处的硅熔体中形成感生电流，通过交变磁场和感生电流的共同作用，在固液界面处形成垂直固液界面并指向硅熔体内部的电磁挤压力，调整电磁挤压力的大小，使电磁挤压力完全抵消硅片窄边固液界面处向内的表面张力，从而使柔性的电磁力约束并稳定固液界面的形状，使柔性的电磁力约束的硅熔体成形并持续凝固，然后将凝固的带状硅铸坯持续拉出，直接制备带硅。本发明还公开了一种硅片直接成形装置，包括硅料熔化保温装置、加料装置、直拉引锭装置和带硅软接触成形装置，直接制备带硅，实现洁净生产，减少硅片缺陷，实现大规模直接生产带硅的工业应用。

Description

直接成形制备带硅的方法及硅片直接成形装置

技术领域

本发明涉及一种光伏材料制备工艺和装置，特别是涉及一种硅材料制备工艺和装置，应用于制备太阳能级带硅。

背景技术

在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天，利用硅晶体所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能源革命的开始。传统的太阳能电池使用的硅片是由硅锭切割而来，由于目前的线锯技术的局限，硅锭加工成硅块约有30%的硅材料会被损失，而硅块加工成硅片大概有34-50%的硅材料会被损失，而切割出来的硅片又需要检测筛选，后续的工序同样会造成损失。因此，采用改良西门子法制备的多晶硅，通过直拉单晶或者方形铸锭，再切割成硅片的工艺中存在巨大的材料切割损失，这将导致太阳能硅片的成本大大增加。而采用带硅制备技术，直接从硅熔体中定向凝固形成最终厚度的硅片，可以避免大量的切割损失，提高生产效率，因而可以大大降低太阳能硅片的生产成本，因此成为当今太阳能硅片制备的重要开发方向。

目前开发的从硅熔体直接生产带硅的方法主要有：线拉法（SR）、定边喂膜法（EFG）、衬底带状生长法（RGS）、粉末熔敷生长法（SSP）等。线拉法和定边喂膜法等都需要引入耐高温细丝或者石墨模具，不可避免对硅熔体造成污染，进而影响到硅片的光电转化效率。衬底带状生长法和粉末熔敷生长法等则同样面临衬底材料的污染以及衬底材料的剥离等难点而无法实现大规模的工业应用，且制备的硅片仍然存在很多缺陷，其光电转换效率仍然较低。因此，要提高硅片的光电转化效率，必须开发新的硅片直接成型技术。对线拉法和定边喂膜法而言，耐高温细丝和石墨模具的引入主要是为了克服上拉法制备硅片时，固液界面处表面张力的径向拉升，因此，如果不能采用合适的方法取代耐高温细丝或石墨模具，就不能制备出性能更为优异的硅片。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的缺陷，提供一种直接成形制备带硅的方法及硅片直接成形装置，约束硅片成形过程中的固液界面，进而稳定控制固液界面的形状，直接制备带硅，消除生产过程中对硅熔体造成污染，减少硅片缺陷，提高硅片的光电转化效率，实现大规模的直接生产带硅的工业应用。

为达到上述发明创造目的，本发明的构思如下：

本发明主要是在硅片的上拉法工艺中，在硅片和硅熔体的固液界面处，设置感应线圈，往感应线圈中通入交变电流，产生交变磁场。由于硅熔体是导电性良好的液体，在交变磁场作用下，在硅片和硅熔体的固液界面处将形成一个感生电流，该感生电流与交变磁场的共同作用，将在硅片和硅熔体的固液界面处形成向里的电磁挤压力。电磁挤压力通过对硅片宽边固液界面处熔体的挤压，克服硅片窄边固液界面处向内的表面张力，从而达到约束和稳定固液界面的效果。由于通过交变磁场诱生的电磁挤压力是无接触的，故不会污染硅熔体，从而可保证硅片的纯净度，进而提高硅片的电学性能。电磁力的大小可以通过调整感应线圈中的交变电流大小和频率来自由调整，控制电磁挤压力大小，使电磁挤压力刚好抵消硅片窄边固液界面处向内的表面张力，从而可以获得良好的硅片外形，因此本发明具有很好的可操控性。由于本方法适用于所有导电熔体，因此，采用本方法可以用于所有熔体状态具有良好导电率的元素或合金材料之薄片材料的制备。

根据以上发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种直接成形制备带硅的方法，在固体的硅片和硅熔体的固液界面区域施加交变磁场，而交变磁场又在固液界面前沿处的硅熔体中形成感生电流，通过交变磁场和感生电流的共同作用，在硅片和硅熔体的固液界面处，形成垂直固液界面并指向硅熔体内部的电磁挤压力，通过调整交变磁场强度来调整电磁挤压力的大小，使电磁挤压力完全抵消硅片窄边固液界面处向内的表面张力，从而使柔性的电磁力约束并稳定硅片和硅熔体的固液界面的形状，保持硅熔体的温度恒定，特别同时在硅片和硅熔体的固液界面区域设置冷却温度梯度，使柔性的电磁力约束的硅熔体成形并持续凝固，然后将凝固的带状硅铸坯持续拉出，直接制备带硅。

上述交变磁场优选通过感应线圈产生，即在硅熔体初始凝固的液固界面区域，围绕硅片非接触设置感应线圈，通过改变感应线圈中的交变电流大小和频率，来调整电磁挤压力的大小。

上述感应线圈的匝数为1～1000匝，通入感应线圈的电流大小0-100000A。

优选保持硅熔体温度恒定在1430～1450℃区间中的某一温度，制备带硅的硅熔体带状铸坯提拉速度优选为0.1～1000mm/min，硅熔体带状铸坯厚度优选为50～1000微米，硅熔体带状铸坯的宽度最好为40～500毫米。

将上述初始凝固的硅熔体带状铸坯拉出所采用的籽晶硅片优选为单晶硅片、多晶硅片或者准单晶硅片。

为了实现上述直接成形制备带硅的方法，本发明还提供一种硅片直接成形装置，包括硅料熔化保温装置、加料装置、直拉引锭装置和带硅软接触成形装置，具体为：硅料熔化保温装置为真空炉，由石英坩埚、保温石墨筒、加热装置、保温石墨毡、热电偶、温控仪和炉壳构成，加热装置采用感应加热或者电阻加热的方式进行加热，加热装置与真空炉外的外部电源连接，热电偶与温控仪信号连接，通过热电偶实时检测石英坩埚的温度，对外部电源形成信号反馈，通过温控仪控制加热装置的加热输出功率，进而控制在坩埚内的硅熔体的温度，将坩埚置于保温石墨筒中，保温石墨筒的外围周边设置加热装置，将石英坩埚、保温石墨筒和加热装置一起整套置入由保温石墨毡形成的杯形筒中，一并安装在真空炉的内腔中；加料装置为安装在炉壳上的加料传动夹持装置，在真空炉的内腔中，加料传动夹持装置夹持硅料的顶端，持续将硅料的底端浸入坩埚内的硅熔体中，使硅料自下而上逐渐熔化，同时保持硅熔体的液位相对恒定；围绕硅熔体的初始凝固的固液界面区域还设置冷却装置，通过冷却装置控制硅片和硅熔体的固液界面区域的冷却温度梯度，使当硅熔体凝固形成铸坯时，直拉引锭装置的夹持机构夹持籽晶硅片，进而通过籽晶硅片直接牵引凝固的硅片从硅熔体中持续拉出；带硅软接触成形装置为感应线圈，在硅熔体初始凝固的固液界面区域，感应线圈围绕硅片进行非接触设置，感应线圈靠近固液界面区域设置的冷却装置进行安装，感应线圈向硅熔体初始凝固的固液界面区域施加交变磁场，而交变磁场又在固液界面前沿处的硅熔体中形成感生电流，感生电流与感应线圈中的电流方向相反，通过感生电流与交变磁场的共同作用，在硅片和硅熔体的固液界面区域，形成垂直固液界面并指向硅熔体内部的电磁挤压力，通过调整交变磁场强度来调整电磁挤压力的大小，使电磁挤压力完全抵消硅片窄边固液界面处向内的表面张力，从而使柔性的电磁挤压力约束并稳定硅片和硅熔体的固液界面的形状，将感应线圈接入调压调频交流电源中，通过调节通入感应线圈的电流强度和频率，对固液界面区域的硅熔体固液界面的形状进行约束。

上述感应线圈和围绕硅熔体初始凝固的固液界面区域设置的冷却装置之间一体结合，形成冷却式感应线圈。冷却式感应线圈最好为水冷感应线圈。

单匝上述感应线圈所在的平面与硅片之间最好呈空间正交角度。

上述感应线圈的形状为长方形、椭圆形或长宽比大于1且两端呈圆弧的异型感应线圈。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.在带硅制备中采用电磁感应的方法，在固液界面前沿诱生电磁力，可实现无污染、稳定控制；

2.电磁力大小可以通过调整通入线圈中的交变电流大小和频率来灵活调整，可以适合于多种尺寸的硅片的约束成形；

3.采用无接触的电磁力约束成形，可以摒除石墨模具或石英模具的使用，因此可以最大限度提高硅片的纯净度，提高硅片的光电转化效率；

4.采用柔性的电磁力约束成形，同时利用感应线圈的热能效应，调整固液界面前沿的温度梯度，有望制备出无缺陷的多晶硅带或单晶硅带，提高硅带的表面质量，同样有助于提升硅片的光电转化效率。

5.线圈形状、电流大小频率的变化，可以在固液界面处产生不同方向和大小的电磁力，既能实现线拉法（SR）对硅片的限边，又能实现定边喂膜法（EFG）中对硅片成形过程中的稳定喂膜。

6. 本发明工艺稳定，硅片成材率高，可实现大规模的直接生产带硅的工业应用。

附图说明

图1为本发明实施例一硅片直接成形装置结构示意图。

图2为图1中A处局部放大的带硅软接触成形原理图。

图3为沿图2中B-B线的剖视图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

参见图～1图3，一种硅片直接成形装置，包括硅料熔化保温装置、加料装置、直拉引锭装置11和带硅软接触成形装置，具体为：硅料熔化保温装置为真空炉，由石英坩埚5、保温石墨筒6、加热装置7、保温石墨毡8、热电偶9、温控仪10和炉壳12构成，加热装置7采用感应加热或者电阻加热的方式进行加热，加热装置7与真空炉外的外部电源连接，热电偶9与温控仪10信号连接，通过热电偶9实时检测石英坩埚5的温度，对外部电源形成信号反馈，通过温控仪10控制加热装置7的加热输出功率，进而控制在坩埚8内的硅熔体3的温度，将坩埚5置于保温石墨筒6中，保温石墨筒6的外围周边设置加热装置7，将石英坩埚5、保温石墨筒6和加热装置7一起整套置入由保温石墨毡8形成的杯形筒中，一并安装在真空炉的内腔中；加料装置为安装在炉壳12上的加料传动夹持装置16，在真空炉的内腔中，加料传动夹持装置16夹持硅料17的顶端，持续将硅料17的底端浸入坩埚8内的硅熔体3中，使硅料17自下而上逐渐熔化，同时保持硅熔体3的液位相对恒定；使当硅熔体3凝固形成铸坯时，直拉引锭装置11的夹持机构夹持籽晶硅片1，进而通过籽晶硅片1直接牵引凝固的硅片从硅熔体3中持续拉出；

带硅软接触成形装置为感应线圈2，在硅熔体3初始凝固的固液界面区域13，感应线圈2围绕硅片进行非接触设置，感应线圈2靠近固液界面区域13设置的冷却装置进行安装，感应线圈2向硅熔体3初始凝固的固液界面区域13施加交变磁场，而交变磁场又在固液界面前沿处的硅熔体3中形成感生电流14，感生电流14与感应线圈2中的电流方向相反，通过感生电流14与交变磁场的共同作用，在硅片和硅熔体3的固液界面区域13，形成垂直固液界面并指向硅熔体3内部的电磁挤压力15，通过调整交变磁场强度来调整电磁挤压力15的大小，使电磁挤压力15完全抵消硅片窄边固液界面处向内的表面张力18，从而使柔性的电磁挤压力15约束并稳定硅片和硅熔体3的固液界面的形状，将感应线圈2接入调压调频交流电源4中，通过调节通入感应线圈2的电流强度和频率，对固液界面区域13的硅熔体3固液界面的形状进行约束，感应线圈2和围绕硅熔体3初始凝固的固液界面区域13设置的冷却装置之间一体结合，形成水冷感应线圈，通过水冷感应线圈自带的冷却系统控制硅片和硅熔体3的固液界面区域13的冷却温度梯度，单匝感应线圈2所在的平面与硅片之间呈空间正交角度，感应线圈2的形状为长方形感应线圈。

在本实施例中，在一个带真空、加热保温、抽拉系统的真空炉中，采用6N以上纯度的硅料，将硅块料置于高纯的石英坩埚5中熔化，同时保持多晶硅熔体的液位相对恒定。高纯石英坩埚中硅熔体的上方设置一个长方形的多匝水冷感应线圈，用于电磁约束硅片直接成形，将籽晶硅片1穿过水冷感应线圈并插入置于硅熔体3中，通过水冷感应线圈的电流强度和频率，对固液界面区域13进行约束，从而制备成带硅。本实施例的具体操作过程如下： 

选取宽度为156mm，长度为150mm，厚度为300μm，晶向为111方向的高品质单晶籽晶硅片1，并将籽晶硅片1夹于直拉引锭装置11的夹持机构上。开启温控仪10，为加热线圈7通电，加热石英坩埚5中的硅料，并控制温度至硅料熔化。待硅料熔化，硅熔体3温度稳定后，以1毫米/秒的速度下降籽晶硅片1，穿过方形的水冷感应线圈，置于硅熔体3上方5mm处，将籽晶硅片1预热，减少其插入硅熔体3中的热应力，减少位错产生。待预热5min后，将预热好的籽晶硅片1以1毫米/秒的速度缓慢插入置于硅熔体3中。待硅熔体3温度稳定至1432℃时，将方形的水冷感应线圈接入调压调频交流电源4中。对水冷感应线圈通入交流电流强度为10000A和频率为50kHz，在水冷线圈内部会产生一个竖直的交变磁场B，并在硅熔体3表面籽晶硅片1周围感生出一个与水冷线圈电流相反的交流电流I（14），交流电流I（14）与磁场相互作用可产生垂直于固液界面向里的电磁力F（15），挤压籽晶硅片1宽边固液界面区域13处熔体，抵消硅片窄边固液界面区域13处向内的表面张力18，实现对固液界面13处的约束，并采用提拉速度1mm/min，使硅熔体3定向凝固成与籽晶硅片1尺寸接近的带硅。由于在拉取过程电磁约束力的引入，使得固液界面处硅熔体更加平稳，从而减少缺陷的产生，可获得厚度和宽度稳定，表面质量良好低位错甚至无位错的直拉硅片。采用本发明直接成形制备带硅的方法及硅片直接成形装置，可以直接从硅熔体拉制出长达数米的低缺陷单晶硅片，由于整个过程没有外加污染，因此，其光电转化效率可以达到直拉圆单晶硅锭切片的水平。

在本实施例中，直接定向凝固形成硅片可避免对硅熔体造成污染，进而提高硅片的光电转化效率。本发明的电磁力约束带硅软接触成形工艺取代耐高温细丝或石墨模具的应用，同时也克服了衬底带状生长法和粉末熔敷生长法面临的衬底材料的污染以及衬底材料的剥离等缺陷，能制备出性能更为优异的硅片，有利于实现大规模的工业应用。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，感应线圈2的形状为长宽比大于1且两端呈圆弧的异型感应线圈，线圈弯转处圆弧过渡，感应线圈各段电阻相同，硅片窄边和宽边固液界面区域13皆建立了接触成形机制，有利于直接定向凝固形成硅片断面均匀一致的带硅。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明直接成形制备带硅的方法及硅片直接成形装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种直接成形制备带硅的方法，其特征在于：在固体的硅片和硅熔体的固液界面区域施加交变磁场，而交变磁场又在固液界面前沿处的硅熔体中形成感生电流，通过交变磁场和感生电流的共同作用，在硅片和硅熔体的固液界面处，形成垂直固液界面并指向硅熔体内部的电磁挤压力，通过调整交变磁场强度来调整电磁挤压力的大小，使电磁挤压力完全抵消硅片窄边固液界面处向内的表面张力，从而使柔性的电磁力约束并稳定硅片和硅熔体的固液界面的形状，保持硅熔体的温度恒定，特别同时在硅片和硅熔体的固液界面区域设置冷却温度梯度，使柔性的电磁力约束的硅熔体成形并持续凝固，然后将凝固的带状硅铸坯持续拉出，直接制备带硅。

2.根据权利要求1所述的直接成形制备带硅的方法，其特征在于：交变磁场通过感应线圈产生，即在硅熔体初始凝固的液固界面区域，围绕硅片非接触设置所述感应线圈，通过改变所述感应线圈中的交变电流大小和频率，来调整电磁挤压力的大小。

3.根据权利要求2所述的直接成形制备带硅的方法，其特征在于：所述感应线圈的匝数为1～1000匝，通入所述感应线圈的电流大小0-100000A。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的直接成形制备带硅的方法，其特征在于：保持硅熔体温度恒定在1430～1450℃区间中的某一温度，制备带硅的硅熔体带状铸坯提拉速度为0.1～1000mm/min，硅熔体带状铸坯厚度为50～1000微米，硅熔体带状铸坯的宽度为40～500毫米。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的直接成形制备带硅的方法，其特征在于：将初始凝固的硅熔体带状铸坯拉出所采用的籽晶硅片为单晶硅片、多晶硅片或者准单晶硅片。

6.一种实现权利要求1～3中任意一项所述的直接成形制备带硅的方法的硅片直接成形装置，其特征在于，包括硅料熔化保温装置、加料装置、直拉引锭装置（11）和带硅软接触成形装置，具体为：

所述硅料熔化保温装置为真空炉，由石英坩埚（5）、保温石墨筒（6）、加热装置（7）、保温石墨毡（8）、热电偶（9）、温控仪（10）和炉壳（12）构成，所述加热装置（7）采用感应加热或者电阻加热的方式进行加热，所述加热装置（7）与真空炉外的外部电源连接，所述热电偶（9）与所述温控仪（10）信号连接，通过所述热电偶（9）实时检测所述石英坩埚（5）的温度，对外部电源形成信号反馈，通过所述温控仪（10）控制所述加热装置（7）的加热输出功率，进而控制在所述坩埚（8）内的硅熔体（3）的温度，将所述坩埚（5）置于所述保温石墨筒（6）中，所述保温石墨筒（6）的外围周边设置加热装置（7），将所述石英坩埚（5）、保温石墨筒（6）和加热装置（7）一起整套置入由保温石墨毡（8）形成的杯形筒中，一并安装在所述真空炉的内腔中；

所述加料装置为安装在炉壳（12）上的加料传动夹持装置（16），在所述真空炉的内腔中，所述加料传动夹持装置（16）夹持硅料（17）的顶端，持续将所述硅料（17）的底端浸入所述坩埚（8）内的硅熔体（3）中，使所述硅料（17）自下而上逐渐熔化，同时保持硅熔体（3）的液位相对恒定； 

围绕硅熔体（3）的初始凝固的固液界面区域（13）还设置冷却装置，通过所述冷却装置控制硅片和硅熔体（3）的固液界面区域（13）的冷却温度梯度，使当硅熔体（3）凝固形成铸坯时，所述直拉引锭装置（11）的夹持机构夹持籽晶硅片（1），进而通过籽晶硅片（1）直接牵引凝固的硅片从硅熔体（3）中持续拉出；

所述带硅软接触成形装置为感应线圈（2），在硅熔体（3）初始凝固的固液界面区域（13），所述感应线圈（2）围绕硅片进行非接触设置，所述感应线圈（2）靠近固液界面区域（13）设置的冷却装置进行安装，所述感应线圈（2）向硅熔体（3）初始凝固的固液界面区域（13）施加交变磁场，而交变磁场又在固液界面前沿处的硅熔体（3）中形成感生电流（14），所述感生电流（14）与所述感应线圈（2）中的电流方向相反，通过感生电流（14）与交变磁场的共同作用，在硅片和硅熔体（3）的固液界面区域（13），形成垂直固液界面并指向硅熔体（3）内部的电磁挤压力（15），通过调整交变磁场强度来调整电磁挤压力（15）的大小，使电磁挤压力（15）完全抵消硅片窄边固液界面处向内的表面张力（18），从而使柔性的电磁挤压力（15）约束并稳定硅片和硅熔体（3）的固液界面的形状，将感应线圈（2）接入调压调频交流电源（4）中，通过调节通入感应线圈（2）的电流强度和频率，对固液界面区域（13）的硅熔体（3）固液界面的形状进行约束。

7.根据权利要求6所述的硅片直接成形装置，其特征在于：所述感应线圈（2）和围绕硅熔体（3）初始凝固的固液界面区域（13）设置的冷却装置之间一体结合，形成冷却式感应线圈。

8.根据权利要求7所述的硅片直接成形装置，其特征在于：冷却式感应线圈为水冷感应线圈。

9.根据权利要求6～8中任意一项所述的硅片直接成形装置，其特征在于：单匝所述感应线圈（2）所在的平面与硅片之间呈空间正交角度。

10.根据权利要求9所述的硅片直接成形装置，其特征在于：所述感应线圈（2）的形状为长方形、椭圆形或长宽比大于1且两端呈圆弧的异型感应线圈。

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