CN108221047A - N型多晶硅铸锭装置及铸锭方法 - Google Patents

N型多晶硅铸锭装置及铸锭方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种N型多晶硅铸锭装置，包括：铸锭炉，所述铸锭炉内设有坩埚，所述铸锭炉顶端设有用于存放硅料的储料仓，所述储料仓与所述坩埚连接有输料管，所述储料仓的硅料投料由出料阀控制，其特征在于，所述铸锭炉的顶端设置有高功率激光单元，所述高功率激光单元设置有激光源，所述激光源用于对自所述储料仓投入所述坩锅的硅料进行辐射扫描；所述储料仓的外部分别设有真空抽气阀与惰性气体进气阀，所述储料仓还设有加热单元用于对储料仓的硅料进行预加热。本发明同时提出一种利用本发明装置的铸锭方法。

Description

N型多晶硅铸锭装置及铸锭方法
技术领域
本发明提供一种太阳能晶锭的铸锭装置及方法，特别是指一种具有二次投料设备的N型多晶硅铸锭装置及铸锭方法。
背景技术
随着替代性能源使用量的增长，太阳能因建构成本相对较低，与快速回本等优势，进而成为极具成本优势的替代能源；在众多太阳能电池材料中，硅基太阳能电池，因其具有光电转换效率高，技术发展成熟等优势，成为目前太阳能电池制作广泛使用的材料。
硅晶铸锭的制作，是将高纯度的硅原料，通过耐高温坩埚熔融，调控制备条件，进行硅晶铸锭程序，藉以生产具有良好材料应力与光电转换率的太阳能电池材料。
在多晶硅铸锭上，所面临的考验在于如何增加晶锭利用率，降低生产成本，同时减低偏析、调控晶锭内电阻值分布范围，进而提升光电转换效率。目前广泛使用的多晶硅铸锭方法，是以加入掺杂剂方式进行制备，在硅原料中加入IIIA族元素，例如：硼、镓等元素，来制备P型多晶硅；或是加入VA族元素，例如：磷、砷等元素，来制备N型多晶硅。然而，在N型多晶硅铸锭过程中，VA族掺杂剂因为偏析系数小，造成该元素在晶锭内分布不均，导致电阻值分布范围过大，影响晶锭的利用率。在过往的硅料添加程序中，一方面无法及时调控掺杂剂比例，达到缩小电阻值分布范围的目的，影响光电转换率；另一方面，直接固态投料会造成硅料与铸锭炉硅液间的温度差异过大，从而产生材料应力及热场效应，进而使结晶缺陷增加，减低了多晶锭的可利用率，同时增加了生产成本与时间成本。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种N型多晶硅铸锭装置及铸锭方法，利用本发明可以降低晶锭中掺杂剂所造成的应力、解决热场效应等相关影响。
本发明提出的N型多晶硅铸锭装置，包括：铸锭炉，所述铸锭炉内设有坩埚，所述铸锭炉顶端设有储料仓，其用于存放硅料，所述储料仓与所述坩埚连接有输料管，所述储料仓的硅料投料由出料阀控制，所述铸锭炉的顶端设置有高功率激光单元，所述高功率激光单元设置有激光源，所述激光源用于对自储料仓投入坩锅的硅料进行辐射扫描；所述储料仓的外部分别设有真空抽气阀与惰性气体进气阀，所述储料仓还设有加热单元，其用于对储料仓的硅料进行预加热。
所述坩埚为氮化硅坩埚或石英坩埚。
所述储料仓的顶部还设有加料口，其用于可随时补充硅料，以进行连续性投料。
所述高功率激光单元的激光源可周期性地移动扫描。
所述铸锭炉有观察窗，所述高功率激光单元的激光源是通过所述观察窗辐射扫描。
本发明还提供了一种利用本发明装置的铸锭方法，包括以下步骤：(1)在铸锭炉的坩埚内填入多晶硅料以及磷掺杂剂；(2)对坩埚内的多晶硅料进行加热熔化；(3)对储料仓多晶硅料进行预热，同时对储料仓进行真空抽气，并通入惰性气体；(4)当坩埚的N型多晶硅晶体生长至坩埚约1/2高度时，暂停长晶程序；(5)当储料仓的多晶硅料进行预热至一定温度时，开启出料阀，将所述储料仓内的硅料，通过输料管投料至所述铸锭炉的坩埚内；(6)通过高功率激光，以辐射扫描方式对投入的固态硅料进行加热熔融，以调整N型多晶硅晶锭中的掺杂剂浓度；(7)启动所述铸锭炉设备内的加热器，使铸锭炉的坩埚温度回升到投料前的温度，继续N型多晶硅晶锭的长晶程序。
重复(5)-(7)的步骤，分批多次将所述储料仓内的硅料投料至所述铸锭炉的坩埚中。
利用本发明的铸锭装置与铸锭方法，所产生的效益在于：对N型多晶硅铸锭程序进行改进，在原有装置上增加了二次投料设备，利用硅料固、液相密度不同的物理特性，密度较小的固态硅料漂浮于密度大的硅液上，通过高功率激光熔融程序，熔化漂浮于硅液表面的硅料，使硅料以熔融态与铸锭炉坩埚中的硅液混合后，进行铸锭程序；分批投料以及激光熔融硅料的步骤，可避免快速投料时，固态硅料与硅液间温度差造成的热场效应，减少N型多晶硅锭应力，同时增加坩埚填料量，提升多晶锭单次生产量；另一方面，通过连续投料，控制投料的速度与时程，均匀调控掺杂剂分布，降低掺杂元素偏析。
附图说明
图1为本发明N型多晶硅铸锭装置结构示意图；
图2为本发明N型多晶硅铸锭装置的储料仓示意图；
图3为本发明N型多晶硅铸锭装置的储料仓、高功率激光单元以及铸锭炉构件示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种N型多晶硅铸锭装置及铸锭方法，为充分说明本发明的发明理念，以下配合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
请参阅图1及图2，本发明N型多晶硅铸锭装置，包括：铸锭炉1，铸锭炉1内设有坩埚2，坩埚2可为氮化硅坩埚、石英坩锅或其他材质的坩埚，铸锭炉1顶端设有储料仓3，其用于放置硅料，储料仓3顶部设有加料口9，外部设有加热单元12，仓体外部上下两侧分别设有真空抽气阀10与惰性气体进气阀11，储料仓3与坩埚2连接有输料管4，输料管4设有出料阀5，储料仓3于硅料投料时可以由出料阀5进行控制，铸锭炉1顶端设置有高功率激光单元6。
请继续参阅图3，于铸锭炉1顶部设置的高功率激光单元6的激光源7通过铸锭炉观察窗8以辐射扫描方式对投入的硅料进行加热熔融，熔化投入坩埚2内因固、液相硅料间密度差而漂浮的固相硅料，使固相硅料以熔融态与坩埚2内的硅液混合。为了进一步使辐射扫描的范围能够扩大，高功率激光6的激光源7设置成可周期性地移动扫描，以确保投入的固相硅料皆能接收到激光光源进行加热熔融。
以下以实施例具体说明利用本发明N型多晶硅铸锭装置进行N型多晶硅铸锭的方法及其步骤：(1)在铸锭炉1的坩埚2内填入一定重量(约400kg)的多晶硅料以及磷掺杂剂，磷掺杂剂含量调控在一定范围内(约0.16ppma)或可依实际铸锭的需要调控在其他特定的含量；(2)启动铸锭炉1内的加热器(未图示)，熔化铸锭炉1的坩埚2内的硅料，进行N型多晶硅铸锭程序，并将晶体生长速度调控在一定速度(约1.2cm/h)以内；(3)启动储料仓3内的加热单元12，对储料仓3内的硅料进行预热程序，将储料仓3内的硅料逐步加热至约1200℃，同时通过真空抽气阀10对储料仓3进行真空抽气，并通过惰性气体进气阀11通入惰性气体(例如：氩气)以排除氧气；(4)当铸锭炉1内的N型多晶硅晶体生长至坩埚2的约1/2高度时(约为17-18cm)，暂停长晶程序，开启出料阀5进行二次投料程序，将储料仓3内已预热至约1200℃的硅料通过输料管4投料至铸锭炉1内的坩埚2内，此时因投入坩埚2内的固态硅料的密度(2.33g/cm3)低于坩埚2内液态硅料的密度(2.57g/cm3)，所以固态硅料会漂浮于硅液表面；(5)完成硅料投料过程中，利用固态硅料漂浮于硅液表面的特性通过高功率激光单元6，波长为0.7-1.0μm，通过铸锭炉1的观察窗8，以辐射扫描对投入的漂浮硅料进行熔融程序，将固态硅料熔化，使其与铸锭炉坩埚2内的硅液混合，藉以调整N型多晶硅晶锭中的掺杂剂浓度；(6)完成投料后，关闭出料阀5，停止激光扫描熔化硅料程序，并启动铸锭炉1内的加热器，等待铸锭炉1内坩埚2温度回升到投料前的温度，继续多晶硅锭的长晶程序，此时长晶速度亦调控在约1.2cm/h以内；(7)必要时可以重复(4)-(6)的步骤，分批多次将储料仓3的硅料投料至铸锭炉1内的坩埚2当中，同时进行激光辐射扫描熔化硅料程序，直到达到多晶硅锭一定的高度(约35cm)为止；(8)多晶硅锭完成铸锭的后，进行退火以及冷却程序，等到温度降低至室温后，将多晶锭取出脱模，即完成N型多晶硅铸锭程序。
综合上述，本发明所提出的N型多晶硅铸锭装置，在原有铸锭炉设备上增加了二次投料装置，利用固态硅料漂浮于硅液上的物理特性，通过激光加热程序熔化投入的硅料，使硅料以熔融态与铸锭炉1坩埚2中的硅液混合后，进行铸锭程序，同时可以通过分批投料以及激光加热熔化的步骤，避免投入的硅料与硅液间温度差造成的热场效应，降低多晶硅应力，增加晶锭利用率，降低生产成本；同时通过连续投料，控制投料的速度与时程，可均匀调控掺杂剂分布，减少掺杂元素偏析。
以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本发明技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本发明技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修改为其它等效的实施例，但仍应视为与本发明实质相同的技术或实施例。

Claims (9)

1.一种N型多晶硅铸锭装置，其特征在于，包括：铸锭炉，所述铸锭炉内设有坩埚，所述铸锭炉顶端设有用于存放硅料的储料仓，所述储料仓与所述坩埚连接有输料管，所述储料仓的硅料投料由出料阀控制，所述铸锭炉的顶端设置有高功率激光单元，所述高功率激光单元设置有激光源，所述激光源用于对自所述储料仓投入所述坩锅的硅料进行辐射扫描；所述储料仓的外部分别设有真空抽气阀与惰性气体进气阀，所述储料仓还设有用于对所述储料仓的硅料进行预加热的加热单元。
2.如权利要求1所述的N型多晶硅铸锭装置，其特征在于，所述坩埚为氮化硅坩埚或石英坩埚。
3.如权利要求1所述的N型多晶硅铸锭装置，其特征在于，所述储料仓的顶部还设有加料口，用于可随时补充硅料，以进行连续性投料。
4.如权利要求1所述的N型多晶硅铸锭装置，其特征在于，所述高功率激光的激光源可周期性地移动扫描。
5.如权利要求1所述的N型多晶硅铸锭装置，其特征在于，所述铸锭炉有观察窗，所述高功率激光单元的所述激光源是通过所述观察窗辐射扫描。
6.一种根据权利要求1至5中任一项所述的N型多晶硅铸锭装置铸造N型多晶硅晶锭的方法，其特征在于，包括以下步骤：利用所述高功率激光单元的所述激光源对所投入的预加热固态硅料进行辐射加热，以熔化自所述储料仓投入所述坩锅的硅料，而以熔融态与所述铸锭炉内的坩埚中的硅液混合。
7.如权利要求6所述的铸造N型多晶硅晶锭的方法，其特征在于，所述高功率激光单元的所述激光源的波长为0.7-1.0μm。
8.一种根据权利要求1至5中任一项所述的N型多晶硅铸锭装置铸造N型多晶硅晶锭的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在所述铸锭炉的所述坩埚内填入多晶硅料以及磷掺杂剂；
(2)对所述坩埚内的多晶硅料进行加热熔化；
(3)对所述储料仓的多晶硅料进行预热，同时通过所述真空抽气阀对所述储料仓进行真空抽气，并通过所述惰性气体进气阀通入惰性气体；
(4)当坩埚的N型多晶硅晶体生长至所述坩埚的约1/2高度时，暂停长晶程序；
(5)当所述储料仓的多晶硅料进行预热至一定温度时，开启所述出料阀，将所述储料仓内的硅料，通过所述输料管投料至所述铸锭炉的所述坩埚内；
(6)通过所述高功率激光单元，以辐射扫描方式对投入的固态硅料进行加热熔融，以调整所述N型多晶硅晶锭中的掺杂剂浓度；
(7)启动所述铸锭炉设备内的加热器，使所述铸锭炉的所述坩埚温度回升到投料前的温度，继续所述N型多晶硅晶锭的长晶程序。
9.如权利要求8所述的铸造N型多晶硅晶锭的方法，其特征在于，包括：
重复(5)-(7)的步骤，分批多次将所述储料仓内的硅料投料至所述铸锭炉的所述坩埚中。
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