CN109137067A - 一种多晶硅锭浇铸装置及浇铸方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多晶硅锭浇铸装置，属于光伏技术领域，它解决了现有技术中多晶硅锭晶体位错密度大的问题。本多晶硅锭浇铸装置包括炉体，炉体内设有可升降运动的隔热笼，隔热笼内设有坩埚、坩埚护板、石墨底板、石墨盖板、顶部加热器和侧部加热器，石墨底板放置在热交换平台上，坩埚放置在石墨底板上，热交换平台上设有辅助冷却装置，所述的辅助冷却装置可调节冷却温度。本多晶硅锭浇铸装置通过设置辅助冷却装置，可调节底部热交换平台的热交换效率，从而使得硅锭底部和侧部温度梯度均匀，消除固液界面的横向温差，从而使得长晶方向稳定，降低位错密度。
Description
技术领域
本发明属于光伏技术领域，涉及一种多晶硅锭的浇铸装置，特别是一种半熔法浇铸多晶硅锭的装置。
背景技术
太阳能发电是人类利用太阳能的重要手段，而太阳能电池则是实现光电转换的主要装置，太阳能电池的光电转换效率决定了太阳能源的利用转化率。近年来，世界太阳能电池的产量和装机容量每年都在30％的速度快速发展。目前，全球累计装机容量为25.4GW，预计到2020年全球装机容量将达到278GW。
目前，太阳能电池的种类不断增多，其中晶体硅太阳能电池尤其是多晶硅太阳能电池以较低的成本和较高的转换效率，在未来一段时期内仍将占据主导地位。但是，相对于传统能源，多晶硅太阳能发电成本相对较高，市场化率相对较低。从目前全球形势及整个行业的发展来看，提高多晶硅太阳能电池的转换效率、降低光伏组件的发电成本是光伏产业的必然趋势。如何以较低的成本制备出高效率的太阳能电池成为行业研究的热点。除电池工艺因素外，传统多晶硅片的位错密度过高是限制多晶硅电池转换效率的主要因素之一。传统多晶硅片内的位错产生原因一方面是硅锭内碳含量过高，碳原子较硅原子半径小，会引起较大的晶格畸变，产生大量位错；另一方面是传统定向凝固方法的局限性，晶体生长初期，晶体内存在较大的位错密度，后期位错增殖，造成整锭位错密度过高，直接影响了太阳能电池的光电转化效率。
针对晶体生长初期生长不好的情况，可采用有籽晶高效多晶硅技术，即采用毫米级硅料作为形核中心进行外延生长，引导熔融的硅液固化时以高质量硅料为形核中心进行柱状生长。而晶体生长过程中，定向凝固时的温度梯度也是决定了晶体质量的重要一环，现有技术中采用的冷却方式最大的问题是固液相分离处温度不均匀，产生横向温差导致晶体生长取向性差，从而导致多晶硅锭的位错密度大，影响了太阳能电池的光电转化效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种温度梯度稳定的多晶硅锭浇铸装置。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种多晶硅锭浇铸装置，包括炉体，所述的炉体内设有可升降运动的隔热笼，所述的隔热笼内设有坩埚、坩埚护板、石墨底板、石墨盖板、顶部加热器和侧部加热器，所述的石墨底板放置在热交换平台上，所述的坩埚放置在石墨底板上，其特征在于，所述的热交换平台上设有辅助冷却装置，所述的辅助冷却装置可调节冷却温度。
在长晶过程中，为实现纵向温度梯度的变化，隔热笼上升后，由于底部硅锭不再进行加热，因此底部硅锭和周边温度降低，由于硅锭两侧的温度为自然下降，底部温度也是自然下降，在初始阶段，硅锭侧部和底部距离固液界面的距离相等，因此固液相交的界面在横向方向上温度相同，长晶过程顺利，但随着硅锭固液界面的上升，底部热交换和侧部热交换效率将明显不同，因为底部热交换处与固液界面越来越远，而固液界面的侧部与坩埚壁的距离始终不变，为了防止固液界面的侧部和中部温度不平衡导致出现横向温差，影响长晶方向，需要随着固液界面的提高，逐步提升硅锭底部的热交换效率，以达到固液界面温度均衡，不存在横向温差的目的。采用辅助冷却装置，可调节冷却效率，在长晶过程中不断提高底部的热交换效率，使得底部和侧部的温度梯度一致。
在上述的多晶硅锭浇铸装置中，所述的辅助冷却装置包括设置于热交换平台底部的冷却管路，所述的冷却管路外接氩气，所述的冷却管路的进气端设有变频压缩机。利用变频压缩机根据不同温度需求，提高气体流量，从而改变冷却速度，保证固液相面的横向温差尽可能小。
本多晶硅锭浇注装置还包括氩气进气管，所述的氩气进气管穿过炉体、隔热笼，并与热交换平台上的冷却管路连接，所述的冷却管路的出气端外接出气管，所述的出气管绕至隔热笼上方并穿过顶部加热器和石墨盖板伸入坩埚内，所述的出气管喷出的气流对准坩埚上方的熔液。
氩气进气管的作用在于为冷却管路提供冷却，同时，由于氩气经过冷却管路后进行了充分的热交换，因此从出气管喷出的氩气为高温氩气，使得氩气直接喷射于熔融的硅液上不会导致硅液的温度骤降，有利于维持硅液的温度梯度不受影响，另外，喷射氩气的目的在于对硅液上悬浮的杂质进行均匀分散，使得固化后的硅锭成分均匀，长晶后晶相结构稳定，位错密度小，有效提升多晶硅锭质量。
作为另一种方案，在上述的多晶硅锭浇铸装置中，所述的辅助冷却装置包括设置于热交换平台内的冷却水路，所述的冷却水路环形布置于热交换平台底部，所述的冷却水路上设有流量调节阀。氩气进气管穿过炉体、隔热笼、顶部加热器和石墨盖板直接伸入坩埚内。
在上述的多晶硅锭浇铸装置中，所述坩埚底部铺设一层硅碎料，硅碎料层形成具有无数的孔洞的支架结构。
在上述的多晶硅锭浇铸装置中，所述的硅碎料为表面涂覆氮化硅层的耐高温硅碎料。硅碎料中的原生硅熔点为1420±2°，传统半熔工艺单纯使用硅碎料铺置坩埚底部，在铸锭炉加热、熔化过程中因受多种因素影响，一旦籽晶熔完，就不能起到籽晶形核作用。而当硅碎料表面覆盖有氮化硅粉时，将会起到保护硅碎料，使之不会熔化的作用，从而很好的保留住籽晶。氮化硅化学式Si3N4，白色粉状晶体，熔点1900℃，氮化硅极耐高温，受热后不会熔成融体，直到1900℃才会分解。因此在硅料融化过程中无需多次试探固液界面，只需保持1420～1900℃之间一定时间即可，无需担心硅碎料融穿影响其作为形核的功能。
在上述的多晶硅锭浇铸装置中，所述的坩埚底部和侧部喷涂有氮化硅涂层。坩埚内壁上氮化硅层的设置，可以有效防止坩埚内壁的杂质进入晶体中，并防止多晶硅锭发生粘锅现象，从而提高多晶硅锭的质量和降低铸锭工艺的操作难度。
在上述的多晶硅锭浇铸装置中，所述的炉体上设有抽真空口，所述的坩埚护板上设有排气口。
本发明的另一目的在于提供一种晶体位错密度小的多晶硅锭浇铸方法：包括如下步骤：1)、装料前，将耐高温硅碎料均匀铺在已喷涂氮化硅的坩埚底部；
2)、装料；坩埚内装填硅料，然后对炉体抽真空；
3)、加热：开启顶部加热器和侧部加热器，在硅料熔化过程中调节隔热笼高度，让热场形成较大的温度梯度，上热下冷，从而保证硅料从上往下定向熔化；在硅料熔化过程中坩埚底部始终保持过冷即＜1420℃，使耐高温硅碎料始终附着于坩埚底部；
4)、硅料全部熔完后，坩埚底部耐高温硅碎料保留0.1～1.5cm厚度，覆盖整个坩埚底表面且非常均匀；开启氩气进气管，氩气由氩气进气管进入冷却管道，一方面对热交换平台进行冷却，另一方面经加热后的氩气向坩埚内的熔液上表面喷射气体，然后慢慢提升隔热笼，使硅熔体的温度降低，形成一定的过冷度，硅熔体开始在不完全熔化的硅碎料基础上开始形核长晶；
5)、进入长晶工序后，耐高温硅碎料起到良好的形核作用，硅熔液在形核基础上竖直长晶，直至隔热笼提升至所有硅熔体均结晶完成；
6)、待全部熔体结晶完成后，经退火和冷却得到多晶硅锭。
硅碎料铺垫在坩埚底部为无序排列，碎料层形成一个支架结构，该支架结构具有无数的孔洞，在硅料熔化阶段，硅料熔化形成的硅熔体将填充在孔洞中，在初始形核阶段，在过冷状态下，在硅碎料层面上形成多个均匀分布的形核源，从而使多晶硅锭获得良好的初始形核，进而生长出具有优势晶向的晶体。具体地，控制温度使处于硅熔体与未熔化的硅料所形成的固液界面的硅熔体及填充在孔洞中的硅熔体先达到过冷状态，优先形核结晶，随后硅熔体界面向远离坩埚底部的方向移动，硅熔体结晶凝固。多晶硅锭的初始形核得到良好控制，从而生长出有益晶向占主导地位的晶体，因此可以防止位错的大量增殖，得到高质量多晶硅锭。
在上述的步骤4)中，所述的变频压缩机随着隔热笼的提升，其压缩机功率逐渐提高，使得氩气流动速流速逐渐增大，冷却管路热交换效率逐渐提高。
与现有技术相比，本多晶硅锭浇铸装置通过设置辅助冷却装置，可调节底部热交换平台的热交换效率，从而使得硅锭底部和侧部温度梯度均匀，消除固液界面的横向温差，从而使得长晶方向稳定，降低位错密度，另外，坩埚底部铺设耐高温硅碎料，一方面起到形成晶相较好的形核作用，另一方面由于硅碎料涂覆有耐高温层，可防止硅碎料全部熔融导致晶体组织再次混乱，可以起到很好的固定形核作用，在保证热场温度梯度稳定，初始晶体质量高的情况下，多晶硅锭定向凝固后晶体生长良好，晶体位错密度低，应用于太阳能电池上可有效提高光电转化效率。
附图说明
图1是本多晶硅锭浇铸装置的结构示意图；
图2为本多晶硅锭浇铸装置中热交换平台的结构示意图。
图中，1、炉体；11、抽真空口；2、隔热笼；3、坩埚；4、坩埚护板；41、排气口；5、石墨底板；51、石墨盖板；6、顶部加热器；61、侧部加热器；7、热交换平台；71、冷却管路；8、氩气进气管；81、出气管；9、硅碎料。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1-2所示，本多晶硅锭浇铸装置，包括炉体1，所述的炉体1内设有可升降运动的隔热笼2，所述的隔热笼2内设有坩埚3、坩埚护板4、石墨底板5、石墨盖板51、顶部加热器6和侧部加热器61，所述的石墨底板5放置在热交换平台7上，所述的坩埚3放置在石墨底板5上，所述的热交换平台7上设有辅助冷却装置，所述的辅助冷却装置可调节冷却温度。所述的辅助冷却装置包括设置于热交换平台7底部的冷却管路71，所述的冷却管路71外接氩气，所述的冷却管路71的进气端设有变频压缩机。所述的氩气进气管8穿过炉体1、隔热笼2，并与热交换平台7上的冷却管路71连接，所述的冷却管路71的出气端外接出气管81，所述的出气管81绕至隔热笼2上方并穿过顶部加热器6和石墨盖板51伸入坩埚3内，所述的出气管81喷出的气流对准坩埚3上方的熔液。
在长晶过程中，为实现纵向温度梯度的变化，隔热笼2上升后，由于底部硅锭不再进行加热，因此底部硅锭和周边温度降低，由于硅锭两侧的温度为自然下降，底部温度也是自然下降，在初始阶段，硅锭侧部和底部距离固液界面的距离相等，因此固液相交的界面在横向方向上温度相同，长晶过程顺利，但随着硅锭固液界面的上升，底部热交换和侧部热交换效率将明显不同，因为底部热交换处与固液界面越来越远，而固液界面的侧部与坩埚3壁的距离始终不变，为了防止固液界面的侧部和中部温度不平衡导致出现横向温差，影响长晶方向，需要随着固液界面的提高，逐步提升硅锭底部的热交换效率，以达到固液界面温度均衡，不存在横向温差的目的。采用辅助冷却装置，可调节冷却效率，在长晶过程中不断提高底部的热交换效率，使得底部和侧部的温度梯度一致。利用变频压缩机根据不同温度需求，提高气体流量，从而改变冷却速度，保证固液相面的横向温差尽可能小。氩气进气管8的作用在于为冷却管路71提供冷却，同时，由于氩气经过冷却管路71后进行了充分的热交换，因此从出气管81喷出的氩气为高温氩气，使得氩气直接喷射于熔融的硅液上不会导致硅液的温度骤降，有利于维持硅液的温度梯度不受影响，另外，喷射氩气的目的在于对硅液上悬浮的杂质进行均匀分散，使得固化后的硅锭成分均匀，长晶后晶相结构稳定，位错密度小，有效提升多晶硅锭质量。
本多晶硅锭浇铸装置中，所述坩埚3底部铺设一层硅碎料9，硅碎料9层形成具有无数的孔洞的支架结构，所述的硅碎料9为表面涂覆氮化硅层的耐高温硅碎料9。硅碎料9中的原生硅熔点为1420±2°，传统半熔工艺单纯使用硅碎料9铺置坩埚3底部，在铸锭炉加热、熔化过程中因受多种因素影响，一旦籽晶熔完，就不能起到籽晶形核作用。而当硅碎料9表面覆盖有氮化硅粉时，将会起到保护硅碎料9，使之不会熔化的作用，从而很好的保留住籽晶。氮化硅化学式Si3N4，白色粉状晶体，熔点1900℃，氮化硅极耐高温，受热后不会熔成融体，直到1900℃才会分解。因此在硅料融化过程中无需多次试探固液界面，只需保持1420～1900℃之间一定时间即可，无需担心硅碎料9融穿影响其作为形核的功能。所述的坩埚3底部和侧部喷涂有氮化硅涂层。坩埚3内壁上氮化硅层的设置，可以有效防止坩埚3内壁的杂质进入晶体中，并防止多晶硅锭发生粘锅现象，从而提高多晶硅锭的质量和降低铸锭工艺的操作难度。所述的炉体1上设有抽真空口11，用于对炉体1抽真空，所述的坩埚护板4上设有排气口41，用于对喷射至坩埚3内的氩气进行回收。
本多晶硅锭浇铸装置的浇铸方法：包括如下步骤：
1)、装料前，将耐高温硅碎料9均匀铺在已喷涂氮化硅的坩埚3底部，厚度0.5～2cm；
2)、装料；坩埚3内装填硅料，然后对炉体1抽真空；
3)、加热：开启顶部加热器6和侧部加热器61，在硅料熔化过程中调节隔热笼2高度，让热场形成较大的温度梯度，上热下冷，从而保证硅料从上往下定向熔化；在硅料熔化过程中坩埚3底部始终保持过冷即＜1420℃，使耐高温硅碎料9始终附着于坩埚3底部；
4)、硅料全部熔完后，坩埚3底部耐高温硅碎料9保留0.1～1.5cm厚度，覆盖整个坩埚3底表面且非常均匀；开启氩气进气管8，氩气由氩气进气管8进入冷却管道，一方面对热交换平台7进行冷却，另一方面经加热后的氩气向坩埚3内的熔液上表面喷射气体，然后慢慢提升隔热笼2，使硅熔体的温度降低，温度降低幅度为10k/min，形成一定的过冷度，硅熔体开始在不完全熔化的硅碎料9基础上开始形核长晶；
5)、进入长晶后，耐高温硅碎料9起到良好的形核作用，硅熔液在形核基础上竖直长晶，直至隔热笼2提升至所有硅熔体均结晶完成；
6)、待全部熔体结晶完成后，经退火和冷却得到多晶硅锭。
硅碎料9铺垫在坩埚3底部为无序排列，碎料层形成一个支架结构，该支架结构具有无数的孔洞，在硅料熔化阶段，硅料熔化形成的硅熔体将填充在孔洞中，在初始形核阶段，在过冷状态下，在硅碎料9层面上形成多个均匀分布的形核源，从而使多晶硅锭获得良好的初始形核，进而生长出具有优势晶向的晶体。具体地，控制温度使处于硅熔体与未熔化的硅料所形成的固液界面的硅熔体及填充在孔洞中的硅熔体先达到过冷状态，优先形核结晶，随后硅熔体界面向远离坩埚3底部的方向移动，硅熔体结晶凝固。多晶硅锭的初始形核得到良好控制，从而生长出有益晶向占主导地位的晶体，因此可以防止位错的大量增殖，得到高质量多晶硅锭。
在上述的步骤4)中，所述的变频压缩机随着隔热笼2的提升，其压缩机功率逐渐提高，使得氩气流动速流速逐渐增大，冷却管路71热交换效率逐渐提高。
本多晶硅锭浇铸装置通过设置辅助冷却装置，可调节底部热交换平台7的热交换效率，从而使得硅锭底部和侧部温度梯度均匀，消除固液界面的横向温差，从而使得长晶方向稳定，降低位错密度，另外，坩埚3底部铺设耐高温硅碎料9，一方面起到形成晶相较好的形核作用，另一方面由于硅碎料9涂覆有耐高温层，可防止硅碎料9全部熔融导致晶体组织再次混乱，可以起到很好的固定形核作用，在保证热场温度梯度稳定，初始晶体质量高的情况下，多晶硅锭定向凝固后晶体生长良好，晶体位错密度低，应用于太阳能电池上可有效提高光电转化效率。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种多晶硅锭浇铸装置，包括炉体，所述的炉体内设有可升降运动的隔热笼，所述的隔热笼内设有坩埚、坩埚护板、石墨底板、石墨盖板、顶部加热器和侧部加热器，所述的石墨底板放置在热交换平台上，所述的坩埚放置在石墨底板上，其特征在于，所述的热交换平台上设有辅助冷却装置，所述的辅助冷却装置可调节冷却温度。
2.根据权利要求1所述的一种多晶硅锭浇铸装置，其特征在于：所述的辅助冷却装置包括设置于热交换平台底部的冷却管路，所述的冷却管路外接氩气，所述的冷却管路的进气端设有变频压缩机。
3.根据权利要求2所述的一种多晶硅锭浇铸装置，其特征在于：本多晶硅锭浇注装置还包括氩气进气管，所述的氩气进气管穿过炉体、隔热笼，并与热交换平台上的冷却管路连接，所述的冷却管路的出气端外接出气管，所述的出气管绕至隔热笼上方并穿过顶部加热器和石墨盖板伸入坩埚内，所述的出气管喷出的气流对准坩埚上方的熔液。
4.根据权利要求1所述的一种多晶硅锭浇铸装置，其特征在于：所述的辅助冷却装置包括设置于热交换平台内的冷却水路，所述的冷却水路环形布置于热交换平台底部，所述的冷却水路上设有流量调节阀。氩气进气管穿过炉体、隔热笼、顶部加热器和石墨盖板直接伸入坩埚内。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的一种多晶硅锭浇铸装置，其特征在于：所述坩埚底部铺设一层硅碎料，硅碎料层形成具有无数的孔洞的支架结构。
6.根据权利要求5所述的一种多晶硅锭浇铸装置，其特征在于：所述的硅碎料为表面涂覆氮化硅层的耐高温硅碎料。
7.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的一种多晶硅锭浇铸装置，其特征在于：，所述的坩埚底部和侧部喷涂有氮化硅涂层。
8.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的一种多晶硅锭浇铸装置，其特征在于：所述的炉体上设有抽真空口，所述的坩埚护板上设有排气口。
9.一种多晶硅锭浇铸方法：包括如下步骤：1)、装料前，将耐高温硅碎料均匀铺在已喷涂氮化硅的坩埚底部；
2)、装料；坩埚内装填硅料，然后对炉体抽真空；
3)、加热：开启顶部加热器和侧部加热器，在硅料熔化过程中调节隔热笼高度，让热场形成较大的温度梯度，上热下冷，从而保证硅料从上往下定向熔化；在硅料熔化过程中坩埚底部始终保持过冷即＜1420℃，使耐高温硅碎料始终附着于坩埚底部；
4)、硅料全部熔完后，坩埚底部耐高温硅碎料保留0.1～1.5cm厚度，覆盖整个坩埚底表面且非常均匀；开启氩气进气管，氩气由氩气进气管进入冷却管道，一方面对热交换平台进行冷却，另一方面经加热后的氩气向坩埚内的熔液上表面喷射气体，然后慢慢提升隔热笼，使硅熔体的温度降低，形成一定的过冷度，硅熔体开始在不完全熔化的硅碎料基础上开始形核长晶；
5)、进入长晶工序后，耐高温硅碎料起到良好的形核作用，硅熔液在形核基础上竖直长晶，直至隔热笼提升至所有硅熔体均结晶完成；
6)、待全部熔体结晶完成后，经退火和冷却得到多晶硅锭。
10.根据权利要求9所述的一种多晶硅锭浇铸方法，其特征在于：在上述的步骤4)中，所述的变频压缩机随着隔热笼的提升，其压缩机功率逐渐提高，使得氩气流动速流速逐渐增大，冷却管路热交换效率逐渐提高。
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