CN103160918B - 准单晶硅的制备炉及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种准单晶硅的制备炉及制备方法，属于单晶硅制备领域。该制备炉包括：炉体、夹持机构、支撑杆、冷却管路、坩埚、石墨块、升降机构、加热装置和保温壁；其中，坩埚设置在炉体内的底部，坩埚底部通过石墨块设置在伸出至炉体外的所述升降机构上；坩埚外周设置加热装置，加热装置与炉体内壁之间设置保温壁；夹持机构通过支撑杆设置在坩埚上方的炉体内，夹持机构与伸出至炉体外的冷却管路连接。该制备炉的炉体设计简单，不需要像提拉法生长所需的旋转机构即可实现超大体积、准单晶的制备，其成本低、能耗小、生长质量高，有利于太阳能电池生产成本降低，对于降低太阳能电池片生产成本和提高太阳能电池片效率具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及准单晶硅的制备领域，特别是涉及一种准单晶硅的制备炉及制备方法。
背景技术
太阳能电池起源于半导体中的光生伏特效应，当能量大于半导体材料的禁带宽度的一束光垂直入射到pn结表面，光子将在离表面一定深度的范围内被吸收，如果结深小于光吸收系数a的倒数1/a，入射光在结附近产生电子空穴对。离结区小于扩散长度内的光生载流子通过扩散到达结区，然后与产生于结区内的光生载流子汇集，形成自n区向p区的光生电流。由于光生载流子的漂移，形成电荷堆积，产生一个与结电场方向相反的电场，它补偿结电场，使pn结正向电流增大。当pn结正向电流与光生电流相等时，结两端建立起一定的电势差，即光生电压。可以作为太阳能电池的有源层材料主要有IV族元素半导体Si、Ge，III-V族化合物半导体GaAs，还有II-VI族元素等等，目前的光伏器件还主要是采用单晶硅或多晶硅材料，通过形成pn结进行光电转换。
据美国市场调查公司（InternationalDataCorperation）能源视点数据显示：全球太阳能光伏组件发货量预计将从2010年到2015年以5.7%的年复合增长率增长，伴随着亚太地区和美国期望明显的涨幅，其生产量将在2015年达到30GW。在各种类型的太阳电池中，晶体硅太阳电池由于其转换效率高，技术成熟而占据了整体太阳能电池90%以上的份额，今后十年内晶体硅仍将占主导地位，硅锭和硅片作为太阳能电池的主要原料，其需求量巨大。目前，太阳能电池所用的多晶硅锭一般采用铸锭方式获得，生产设备和生产工艺非常成熟，已经可以获得800Kg的多晶硅锭，硅单晶比多晶硅发电效率要高20%左右，但是单晶硅均是基于提拉法的拉单晶工艺生长而成，拉单晶工艺中拉出的单晶棒是明显的散热源，所以在工艺过程中存在能耗较高的缺点，生产效率低，其性价比差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种准单晶硅的制备炉及制备方法，能利用一块籽晶制备超大颗粒的准单晶硅的，具有成本低、能耗小、生长质量高的优势，有利于太阳能电池生产成本降低，从而解决目前拉单晶工艺制备单晶棒时存在能耗较高的问题。
解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种准单晶硅的制备炉，包括：
炉体、夹持机构、支撑杆、冷却管路、坩埚、石墨块、升降机构、加热装置和保温壁；其中，
所述坩埚设置在所述炉体内的底部，所述坩埚底部通过所述石墨块设置在伸出至所述炉体外的所述升降机构上；
所述坩埚外周设置所述加热装置，所述加热装置与所述炉体内壁之间设置所述保温壁；
所述夹持机构通过所述支撑杆设置在所述坩埚上方的所述炉体内，所述夹持机构与伸出至所述炉体外的所述冷却管路连接。
本发明还提供一种准单晶硅的制备方法，采用本发明的制备炉，制备炉的夹持机构上夹持单晶籽晶，坩埚内设置硅粒；
该方法包括以下步骤：
炉体预热：将制备炉的炉体内抽真空至0.8～1.2MPa，通过加热装置将炉体内加热至1100～1300℃进行预热，预热7～9小时；
硅熔化：通过加热装置使制备炉的坩埚内升温至1500℃，使坩埚内设置的硅粒熔化成硅液，熔化时间为5小时，形成硅液的过程中对炉体进行充气保护；
晶体生长：通过制备炉的升降机构将坩埚缓慢升起使其表面与夹持机构夹持的单晶籽晶接触，并通过夹持机构连接的冷却管路对单晶籽晶冷却，硅液沿着单晶籽晶晶向开始生长；生长过程中，向炉体内持续充入保护气体，控制加热装置的加热量使炉体内温度保持在1350～1450℃，直至生长过程完成；
退火：控制加热装置，使制备炉的炉体内温度从1400℃降至1000℃，退火时间4.5～5.5小时，退火过程中持续充入保护气体；
冷却：控制加热装置，使制备炉的炉体内温度从1000℃降至室温，冷却时间为5.5～6.5小时，冷却后即完成准单晶硅的制备。
本发明的优点在于：制备炉的炉体设计简单，不需要像提拉法生长所需的旋转机构即可实现超大体积、准单晶的制备，其成本低、能耗小、生长质量高，有利于太阳能电池生产成本降低，对于降低太阳能电池片生产成本和提高太阳能电池片效率具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例的准单晶硅的制备炉的炉体示意图；
图2为本发明实施例的晶体生长后超大颗粒准单晶的炉体示意图；
图3为本发明实施例的制备方法流程图；
图中各标号对应的部件为：1-炉体；2-夹持台；3-夹持罩；4-单晶籽晶；5-熔融硅液；6-坩埚；7-加热装置；8-保温壁；9-石墨块；10-升降机构；11-支撑杆及冷却管路。
具体实施方式
下面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，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种准单晶硅的制备炉，如图1、2所示，该制备炉包括：炉体1、夹持机构、支撑杆11、冷却管路、坩埚6、石墨块9、升降机构10、加热装置7和保温壁8；
其中，坩埚6设置在炉体1内的底部，坩埚6外底部通过石墨块9设置在伸出至炉体1外的升降机构10上；坩埚6外周设置加热装置7，加热装置7与炉体1内壁之间设置保温壁8；夹持机构通过支撑杆11设置在坩埚6上方的炉体1内，夹持机构与伸出至炉体1外的冷却管路（冷却管路的位置与支撑杆11重合，或设置在支撑杆11内，见图2）连接。这种结构的制备炉，可以通过夹持机构夹持单晶籽晶，通过升降机构将坩埚内溶化的硅液升起后，与夹持机构夹持的单晶籽晶接触，生长成具有超大颗粒的准单晶硅。相比于提拉法生长，该制备炉不需要旋转机构，具有成本低、能耗小、生长质量高的优点。
上述制备炉中，夹持机构由夹持台2和夹持罩3构成；其中，夹持罩3罩设在夹持台2底部的夹持端的外面；夹持罩3设有伸出单晶籽晶4的开口。该夹持机构可通过夹持罩3与夹持台2配合将单晶籽晶4夹持在夹持台2与夹持罩3之间，并使单晶籽晶4从夹持罩3的开口伸出，伸出的单晶籽晶4朝向坩埚6内。具体的，夹持罩3可通过螺纹连接罩设在夹持台2底部的夹持端的外面。
进一步的，在夹持机构的夹持台2内部可设置冷却通道（图中未示出），冷却通道与冷却管路连接。从而通过冷却管路与夹持台内的冷却通道配合，可对夹持机构夹持的单晶籽晶在生长单晶棒时降温。
如图3所示，本发明进一步提供一种准单晶硅的制备方法，采用本发明实施例的制备炉，在制备炉的夹持机构上夹持单晶籽晶，坩埚内设置硅粒；
该方法包括以下步骤：
炉体预热：将制备炉的炉体内抽真空至0.8～1.2MPa，通过加热装置将炉体内加热至1100～1300℃进行预热，预热7～9小时；
硅熔化：通过加热装置使制备炉的坩埚内升温至1500℃，使坩埚内设置的硅粒熔化成硅液，熔化时间为5小时，形成硅液的过程中对炉体进行充气保护；
晶体生长：通过制备炉的升降机构将坩埚缓慢升起使其表面与夹持机构夹持的单晶籽晶接触，并通过夹持机构连接的冷却管路对单晶籽晶冷却，硅液沿着单晶籽晶晶向开始生长；生长过程中，向炉体内持续充入保护气体，控制加热装置的加热量使炉体内温度保持在1350～1450℃，直至生长过程完成；
退火：控制加热装置，使制备炉的炉体内温度从1400℃降至1000℃，退火时间4.5～5.5小时，退火过程中持续充入保护气体；
冷却：控制加热装置，使制备炉的炉体内温度从1000℃降至室温，冷却时间为5.5～6.5小时，冷却后即完成准单晶硅的制备。
上述方法中，各步骤中，对炉体进行充气保护具体可以向炉体内充入掺氢气的高纯氮气作为保护气体。
本发明在制备炉中设置夹持单晶籽晶的夹持结构以及升降坩埚的升降机构，两者配合实现一种新的生长方法，利用一块单晶籽晶在该制备炉中可实现超大颗粒的准单晶硅的制备，具有成本低、效率高、生长质量好的优点。
本发明的特点是：相比普通铸锭炉增加籽晶夹持结构和温度控制措施，通过控制温度与生长速度，可以以低成本生产出单晶硅或者是超大颗粒的准单晶，从而对太阳能光伏行业的发展带来巨大的贡献。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种准单晶硅的制备炉，其特征在于，该制备炉由炉体、夹持机构、支撑杆、冷却管路、坩埚、石墨块、升降机构、加热装置和保温壁构成；其中，
所述坩埚设置在所述炉体内的底部，所述坩埚底部通过所述石墨块设置在伸出至所述炉体外的所述升降机构上；
所述坩埚外周设置所述加热装置，所述加热装置与所述炉体内壁之间设置所述保温壁；
所述夹持机构通过所述支撑杆设置在所述坩埚上方的所述炉体内，所述夹持机构与伸出至所述炉体外的所述冷却管路连接；
所述夹持机构由夹持台和夹持罩构成；其中，所述夹持罩罩设在所述夹持台底部的夹持端的外面；所述夹持罩设有伸出单晶籽晶的开口；所述夹持台内部设有冷却通道，所述冷却通道与所述冷却管路连接。
2.如权利要求1所述的制备炉，其特征在于，所述夹持罩通过螺纹连接罩设在所述夹持台底部的夹持端的外面。
3.一种准单晶硅的制备方法，其特征在于，采用权利要求1～2任一项所述的制备炉，制备炉的夹持机构上夹持单晶籽晶，坩埚内设置硅粒；
该方法包括以下步骤：
炉体预热：将制备炉的炉体内抽真空至0.8～1.2MPa，通过加热装置将炉体内加热至1100～1300℃进行预热，预热7～9小时；
硅熔化：通过加热装置使制备炉的坩埚内升温至1500℃，使坩埚内设置的硅粒熔化成硅液，熔化时间为5小时，形成硅液的过程中对炉体进行充气保护；
晶体生长：通过制备炉的升降机构将坩埚缓慢升起使其表面与夹持机构夹持的单晶籽晶接触，并通过夹持机构连接的冷却管路对单晶籽晶冷却，硅液沿着单晶籽晶晶向开始生长；生长过程中，向炉体内持续充入保护气体，控制加热装置的加热量使炉体内温度保持在1350～1450℃，直至生长过程完成；
退火：控制加热装置，使制备炉的炉体内温度从1400℃降至1000℃，退火时间4.5～5.5小时，退火过程中持续充入保护气体；
冷却：控制加热装置，使制备炉的炉体内温度从1000℃降至室温，冷却时间为5.5～6.5小时，冷却后即完成准单晶硅的制备。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对炉体进行充气保护为：向炉体内充入掺氢气的高纯氮气作为保护气体。
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