CN103395789B - 多晶硅介质熔炼后初步定向凝固工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多晶硅提纯领域，具体涉及一种多晶硅介质熔炼后初步定向凝固工艺，包括以下步骤：（1）采用保温碳砖砌制成长宽单元数量一致的矩阵式浇注模具，矩阵式浇注模具最外层包裹有保温材料，矩阵式浇注模具底部设置有水冷装置；（2）将介质熔炼处理后的硅液按照先中心后四边的顺序倒入矩阵式浇注模具的每个单元中，然后盖上石墨盖；（3）经水冷装置的循环水冷却作用下，矩阵式浇注模具中的硅液冷却凝固成硅锭，切除硅锭的顶部及四周的边皮料。本发明的优点在于：（1）硅锭中金属杂质含量降低，为后续的正常工艺中的定向凝固减轻了压力；（2）边皮料经清洗后可以重复利用；（3）金属杂质含量的降低可以为后续工艺降低相应成本。
Description
技术领域
本发明属于多晶硅提纯领域，具体涉及一种多晶硅介质熔炼后初步定向凝固工艺。
背景技术
当今世界能源危机与环境污染压力并存，人们急需清洁、安全，可持续的新能源。太阳能作为满足这样要求的能源，一直都是人们追求的目标。人们对太阳能的使用最早是其热效应的利用，但难以完全满足现代社会的需要。直到半导体光电效应的发现，太阳能电池的制造，人们找到太阳能新的利用方式。硅作为太阳能电池的最理想原料，其中的杂质主要有Fe、Al、Ca等金属杂质和B、P等非金属杂质，而这些杂质元素会降低硅晶粒界面处光生载流子的复合程度，而光生载流子的复合程度又决定了太阳能电池的光电转换效率，所以有效的去除这些杂质在太阳能电池的应用方面有着至关重要的作用。
太阳能光伏产业的发展依赖于对硅原料的提纯，在冶金法提纯多晶硅的过程中包括介质熔炼、定向凝固、电子束提纯和铸锭工艺。冶金法因具备工艺简单、成本较低的优点极具发展潜力。诸多步骤中以介质熔炼要求设备最为简单，最容易工业化推广。因而介质熔炼最具现实的研究价值和应用前景。
传统的冶金法工艺流程中，介质熔炼工艺只能去除多晶硅中的B杂质，对于金属杂质起不到去除作用，而大量的金属杂质会给后续的定向凝固工艺带来很大的压力。介质熔炼后的硅液都需要经过凝固过程，自然凝固过程后的硅锭中，由于冷却过程中不存在温度梯度，因此金属杂质的分布不存在梯度，无法将金属杂质和硅锭分开，同时表皮仍然需要去除才能进行下一步的除杂工艺。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明提出一种多晶硅介质熔炼后初步定向凝固工艺，能够去除硅液中大部分的金属杂质，从而为后续的正常工艺中的定向凝固减轻压力。
本发明所述的一种多晶硅介质熔炼后初步定向凝固工艺，包括以下步骤：
（1）采用保温碳砖砌制成长宽单元数量一致的矩阵式浇注模具，矩阵式浇注模具最外层包裹有保温材料，矩阵式浇注模具底部设置有水冷装置；
（2）将介质熔炼处理后的硅液按照先中心后四边的顺序倒入矩阵式浇注模具的每个单元中，然后盖上石墨盖；
（3）经水冷装置的循环水冷却作用下，矩阵式浇注模具中的硅液冷却凝固成硅锭，切除硅锭的顶部及四周的边皮料，其中切除顶部的体积占硅锭体积的15～20%。
其中，矩阵式浇注模具的单元个数优选为n2，其中n≥3。
矩阵式浇注模具的每个单元的高度优选为800～1000mm，边长优选为200～300mm。
步骤（1）中所述的保温材料优选用碳毡。
步骤（2）中倒入的硅液高度优选为矩阵式浇注模具高度的80～90%。
本发明所述的初步定向凝固不同于正常工艺中的定向凝固，一是不需要在真空条件下进行，对设备要求度不高；二是对除杂要求不高，只需要对金属杂质做初步去除，剩余的硅锭中仍保留一部分金属杂质。
在进行初步定向凝固过程中选用的是矩阵式浇注模具，而不是常规的石英坩埚，一是成本低，因为此过程对设备要求度不高，采用保温碳砖砌制而成，最外层包裹有保温材料，底部设置有水冷装置；二是材料利用率高，由于是矩阵式排列分布，每个单元的外壁都与其相邻单元共用，方便工业化推广应用；三是也能达到温度梯度分布，由于底部有水冷装置，所以倒入的硅液从底部开始凝固，金属杂质受到分凝系数的影响，最终在形成的硅锭顶部富集，由于矩阵式浇注模具最外侧的硅锭还会受到部分的辐射散热，金属杂质也会在这些部位富集，所以还要切除在矩阵式浇注模具四周的硅锭边皮料。
本发明的优点在于：（1）硅锭中金属杂质含量由1%降低到0.1～0.01%，为后续的正常工艺中的定向凝固减轻了压力；（2）边皮料经清洗后可以重复利用；（3）金属杂质含量的降低可以为后续工艺降低相应成本，生产成本降低3000～5000元/吨。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
一种多晶硅介质熔炼后初步定向凝固工艺，包括以下步骤：
（1）采用保温碳砖砌制成长宽单元数量一致的矩阵式浇注模具，矩阵式浇注模具最外层包裹有保温材料，矩阵式浇注模具底部设置有水冷装置；
（2）将介质熔炼处理后的硅液按照先中心后四边的顺序倒入矩阵式浇注模具的每个单元中，然后盖上石墨盖；
（3）经水冷装置的循环水冷却作用下，矩阵式浇注模具中的硅液冷却凝固成硅锭，切除硅锭的顶部及四周的边皮料，其中切除顶部的体积占硅锭体积的20%。
其中，矩阵式浇注模具的单元个数为9个，成3×3分布。
矩阵式浇注模具的每个单元的高度为1000mm，边长为300mm。
步骤（1）中所述的保温材料选用碳毡。
步骤（2）中倒入的硅液高度为矩阵式浇注模具高度的80%。
步骤（3）中的硅锭经切除杂质后，经ICP-AES检测多晶硅中金属杂质的含量为0.10%。
实施例2：
一种多晶硅介质熔炼后初步定向凝固工艺，包括以下步骤：
（1）采用保温碳砖砌制成长宽单元数量一致的矩阵式浇注模具，矩阵式浇注模具最外层包裹有保温材料，矩阵式浇注模具底部设置有水冷装置；
（2）将介质熔炼处理后的硅液按照先中心后四边的顺序倒入矩阵式浇注模具的每个单元中，然后盖上石墨盖；
（3）经水冷装置的循环水冷却作用下，矩阵式浇注模具中的硅液冷却凝固成硅锭，切除硅锭的顶部及四周的边皮料，其中切除顶部的体积占硅锭体积的18%。
其中，矩阵式浇注模具的单元个数为16个，成4×4分布。
矩阵式浇注模具的每个单元的高度为800mm，边长为250mm。
步骤（1）中所述的保温材料选用碳毡。
步骤（2）中倒入的硅液高度为矩阵式浇注模具高度的85%。
步骤（3）中的硅锭经切除杂质后，经ICP-AES检测多晶硅中金属杂质的含量为0.09%。
Claims (4)
1.一种多晶硅介质熔炼后初步定向凝固工艺，其特征在于包括以下步骤：
(1)采用保温碳砖砌制成长宽单元数量一致的矩阵式浇注模具，矩阵式浇注模具最外层包裹有保温材料，矩阵式浇注模具底部设置有水冷装置；
(2)将介质熔炼处理后的硅液按照先中心后四边的顺序倒入矩阵式浇注模具的每个单元中，然后盖上石墨盖，倒入的硅液高度为矩阵式浇注模具高度的80～90％；
(3)经水冷装置的循环水冷却作用下，矩阵式浇注模具中的硅液冷却凝固成硅锭，切除硅锭的顶部及四周的边皮料，其中切除顶部的体积占硅锭体积的15～20％。
2.根据权利要求1所述的多晶硅介质熔炼后初步定向凝固工艺，其特征在于矩阵式浇注模具的单元个数为n2，其中n≥3。
3.根据权利要求1所述的多晶硅介质熔炼后初步定向凝固工艺，其特征在于矩阵式浇注模具的每个单元的高度为800～1000mm，边长为200～300mm。
4.根据权利要求1所述的多晶硅介质熔炼后初步定向凝固工艺，其特征在于步骤(1)中所述的保温材料选用碳毡。
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