CN109137069A - 太阳能电池用大尺寸硅锭的制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池用大尺寸硅锭的制备装置，涉及多晶硅或单晶硅铸锭用装置技术领域。所述装置利用钼制硅单晶棒夹持工具将硅单晶棒按相同晶向阵列排列在钼坩埚与陶瓷环的复合坩埚中，然后向钼坩埚中添加助溶剂（高纯铜粉或者细小的铜块），通过多温区及等离子熔炼使得熔体产生温度梯度凝固。等离子电极一方面提高硅熔体的凝固的界面稳定性，一方面通过铜元素的挥发减少成分过冷度。最终使得单晶块阵列快速凝固为一块整体的准单晶，利用具有高梯度凝固高速率凝固的特性，最后通过破坏陶瓷环来取出硅锭，具有结晶效率高的特点。

Description

太阳能电池用大尺寸硅锭的制备装置
技术领域
本发明涉及多晶硅或单晶硅铸锭用装置技术领域，尤其涉及一种太阳能电池用大尺寸硅锭的制备装置。
背景技术
硅是重要的半导体材料，是制备芯片及集成电路的基础材料之一。随着石油等不可再生能源的枯竭，全世界越来越重视太阳能的应用。由于硅材料在地壳中含量丰富，目前硅材料被认为最为理想的太阳能转换材料，硅基太阳能电池被认为解决能源问题的最佳途径之一。光伏行业的发展，对高质量多晶硅晶体硅的需求越来越大。衬底的尺寸越大制备太阳能电池的成本就越低，但是制备晶体的难度增高。多晶硅因为晶界等原因发光效率要低于准单晶硅。因此，大尺寸低成本的准单晶制备非常有前途，非常有必要开发大尺寸，均匀性更好，更为经济的准单晶硅的制备方法及设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种制备工艺简单、成本低、制备高的硅锭质量高的装置。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种太阳能电池用大尺寸硅锭的制备装置，其特征在于：包括炉体，所述炉体内设置有陶瓷坩埚套，所述陶瓷坩埚套的底部设置有钼坩埚，所述钼坩埚的上侧设置陶瓷环，所述陶瓷环的外壁与所述陶瓷坩埚套的内壁接触，且所述陶瓷环的壁厚与钼坩埚的壁厚相同，所述钼坩埚内设置有硅单晶棒钼夹持工具，通过硅单晶棒钼夹持工具将硅单晶棒按阵列排列在钼坩埚中，硅单晶棒的排列晶向一致；所述陶瓷坩埚套的上端开口处设置有第一加热器，陶瓷坩埚套的外周从上到下设置有第二加热器、第三加热器和第四加热器，所述陶瓷坩埚套的底部设置有第五加热器，所述第二加热器、第三加热器和第四加热器的外侧设置有下炉体侧面保温套，所述下炉体侧面保温套的外侧设置有第一电磁感应器和第二电磁感应器，所述第一加热器的上侧设置有上炉体顶部保温套，等离子电极的一端位于所述炉体外，等离子电极的另一端依次穿过所述炉体、上炉体顶部保温套以及第一加热器后进入所述陶瓷环并与所述硅单晶棒的上侧面保持距离，且所述等离子电极的外周设置有电极保护陶瓷管，所述电极保护陶瓷管的外周与所述炉体直接接触，且所述电极保护陶瓷管的外周不与所述上炉体顶部保温套以及第一加热器接触。
进一步的技术方案在于：所述炉体包括上炉体和下炉体，所述上炉体的顶部设置有观察窗。
进一步的技术方案在于：所述钼坩埚的下部设置有坩埚杆，所述坩埚杆的下端依次穿过所述陶瓷坩埚套的底部、第五加热器以及下炉体的底部后从所述炉体内伸出，所述坩埚杆内布置有第一热偶，钼坩埚、陶瓷环及陶瓷坩埚套可随着坩埚杆的转动一起转动。
进一步的技术方案在于：下炉体的底部设置有进气管，所述进气管上设置有进气阀，所述炉体顶部保温套与上炉体的顶部之间的空间内设置有粉尘收集室，所述粉尘收集室通过排气管与所述炉体外的粉尘回收室相连通，所述粉尘回收室上设置有排气孔，用于保证气体持续的将铜及硅粉尘带出炉体。
进一步的技术方案在于：硅单晶棒钼夹持工具布满钼坩埚底部，硅单晶棒钼夹持工具间的缝隙小于0.5mm，所述硅单晶棒的晶向偏差小于0.5°。
进一步的技术方案在于：所述硅单晶棒头尾均按原始晶锭的头尾顺序排列，且所有硅单晶棒所生长的熔体中所含有的掺杂剂浓度相同。
进一步的技术方案在于：第二热偶依次穿过下炉体的侧壁、第一电磁感应器与第二电磁感应器之间的空间以及下炉体侧面保温套后，使所述第二热偶的内侧端部位于第三加热器与下炉体侧面保温套之间，通过控制第二热偶的温度控制硅单晶棒的局部熔化程度，通过控制第二热偶与第一热偶之间的温度变化及温度梯度来控制晶体生长过程，通过等离子电极加速铜离子的挥发来抑制成分过冷，并实现超高温度梯度来抑制缺陷的形成。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述装置利用钼制硅单晶棒夹持工具将硅单晶棒按相同晶向阵列排列在钼坩埚与陶瓷环构成的复合坩埚中，然后向钼坩埚中添加助溶剂（高纯铜粉或者细小的铜块），通过多温区及等离子熔炼使得熔体产生温度梯度凝固；等离子电极一方面提高硅熔体的凝固的界面稳定性，一方面通过铜元素的挥发减少成分过冷度，最终使得单晶块阵列快速凝固为一块整体的准单晶，利用具有高梯度凝固高速率凝固的特性，最后通过破坏陶瓷环来取出硅锭，具有结晶效率高的特点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例中所述制备装置的结构示意图；
图2是本发明实施例所述制备装置中硅单晶棒钼夹持装置及硅单晶棒的装配图；
其中：1：上炉体；2：上炉体；3：等离子电极；4：电极保护陶瓷管；5：上炉体顶部保温套；6：第一加热器；7：第二加热器；8：第三加热器；9：第四加热器；10：第五加热器；11：钼坩埚；12：硅单晶棒钼夹持；13：硅单晶棒；14：陶瓷坩埚套；15：陶瓷环；16：等离子弧；17：硅-铜熔体；18：第一电磁感应器；19：第二电磁感应器；20：粉尘回收室；21：粉尘收集室；22：下炉体侧面保温套；23：第一热偶；24：进气管；25：观察窗；26：第二热偶。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-图2所示，本发明实施例公开了一种太阳能电池用大尺寸硅锭的制备装置，包括炉体，所述炉体内设置有陶瓷坩埚套14，所述陶瓷坩埚套14的底部设置有钼坩埚11。所述钼坩埚11的上侧设置陶瓷环15，所述陶瓷环15的外壁与所述陶瓷坩埚套14的内壁接触，且所述陶瓷环15的壁厚与钼坩埚11的壁厚相同。所述钼坩埚11内设置有硅单晶棒钼夹持工具12，通过硅单晶棒钼夹持工具12将硅单晶棒13按阵列排列在钼坩埚11中，硅单晶棒13的排列晶向一致；所述陶瓷坩埚套14的上端开口处设置有第一加热器6，陶瓷坩埚套14的外周从上到下设置有第二加热器7、第三加热器8和第四加热器9，所述陶瓷坩埚套14的底部设置有第五加热器10。
所述第二加热器7、第三加热器8和第四加热器9的外侧设置有下炉体侧面保温套22，所述下炉体侧面保温套22的外侧设置有第一电磁感应器18和第二电磁感应器19。所述第一加热器6的上侧设置有上炉体顶部保温套5，等离子电极3的一端位于所述炉体外，等离子电极3的另一端依次穿过所述炉体、上炉体顶部保温套5以及第一加热器6后进入所述陶瓷环15并与所述硅单晶棒13的上侧面保持距离，且所述等离子电极3的外周设置有电极保护陶瓷管4。所述电极保护陶瓷管4的外周与所述炉体直接接触，且所述电极保护陶瓷管4的外周不与所述上炉体顶部保温套5以及第一加热器6接触。通过所述电极保护陶瓷管4防止所述电极与上炉体顶部保温套5和第一加热器6之间发生放电。
进一步的，如图1所示，所述炉体包括上炉体1和下炉体2，所述上炉体1的顶部设置有观察窗25，通过观察窗能够观察到炉内的情况。
进一步的，如图1所示，所述钼坩埚11的下部设置有坩埚杆，所述坩埚杆的下端依次穿过所述陶瓷坩埚套14的底部、第五加热器10以及下炉体2的底部后从所述炉体内伸出，所述坩埚杆内布置有第一热偶23，钼坩埚11、陶瓷环15及陶瓷坩埚套14可随着坩埚杆的转动一起转动。
进一步的，如图1所示，下炉体的底部设置有进气管24，所述进气管24上设置有进气阀，所述炉体顶部保温套5与上炉体1的顶部之间的空间内设置有粉尘收集室21，所述粉尘收集室21通过排气管与所述炉体外的粉尘回收室20相连通，所述粉尘回收室20上设置有排气孔，用于保证气体持续的将铜及硅粉尘带出炉体。在硅单晶棒13生长期间，进气管24不断充入惰性气体，惰性气体经过各段加热器加热后携带由等离子弧16产生的铜及硅粉尘经过粉尘收集室21进入粉尘回收室20，粉尘回收室20上装有排气孔，用于保证气体持续的将铜及硅粉尘带出炉体。
进一步的，如图1所示，硅单晶棒钼夹持工具12布满钼坩埚11底部，硅单晶棒钼夹持工具12间的缝隙小于0.5mm，所选择的所有硅单晶棒13晶向一致，晶向偏差小于0.5°。此外，所述硅单晶棒13头尾均按原始晶锭的头尾顺序排列，且所有硅单晶棒13所生长的熔体中所含有的掺杂剂浓度相同。
进一步的，如图1所示，第二热偶26依次穿过下炉体2的侧壁、第一电磁感应器18与第二电磁感应器19之间的空间以及下炉体侧面保温套22后，使所述第二热偶26的内侧端部位于第三加热器与下炉体侧面保温套之间，通过控制第二热偶26的温度控制硅单晶棒13的局部熔化程度，通过控制第二热偶26与第一热偶23之间的温度变化及温度梯度来控制晶体生长过程，通过等离子电极3加速铜离子的挥发来抑制成分过冷，并实现超高温度梯度来抑制缺陷的形成。
所述制备装置通过上炉体1布置的等离子电极3及与下炉体2布置的第一加热器6、第二加热器7、第三加热器8、第四加热器9及第五加热器10加热硅单晶棒13及高纯铜粉或者细小的铜块，高纯铜粉或者细小的铜块熔化，并将部分硅单晶棒13顶部溶解，两者形成硅-铜熔体17。上炉体1布置的等离子电极3与下炉体2布置的第一加热器6、第二加热器7、第三加热器8、第四加热器9及第五加热器10在硅-铜熔体17及硅单晶棒13产生温度梯度，通过第一电磁感应器18和第二电磁感应器19对熔体产生电磁搅拌，促进硅单晶棒13间硅原子及铜原子的传输及能量的传输。通过控制第一加热器6、第二加热器7、第三加热器8、第四加热器9及第五加热器10的功率来控制温度梯度的变化促进硅单晶棒13直径的长大。同时，等离子电极3加速铜原子的挥发进一步促进单晶棒13直径的长大，最终这些硅单晶棒13连接在一起形成一个整体大直径准单晶硅锭。
本发明实施例还公开了一种太阳能电池用大尺寸硅锭的制备方法，包括如下步骤：
太阳能电池用大尺寸硅锭制备装置的组装；
给所述制备装置中的炉体抽真空至10-5Pa，充入惰性气体至0.5MPa，启动所述装置装置中的第一加热器6、第二加热器7、第三加热器8、第四加热器9和第五加热器10，直至通过所述炉体顶部的观察窗25观察到钼坩埚11内若干个硅单晶棒钼夹持工具12上的硅单晶棒13之间的高纯铜粉或者细小铜块熔化为止，使得第一热偶23温度在1062℃-1162℃之间，然后启动等离子电极3，同时调节第一加热器6、第二加热器7、第三加热器8、第四加热器9和第五加热器10的功率保持熔体温度恒定，通过控制第二热偶26的测试温度控制硅单晶棒13的局部熔化程度；
待第二热偶26与第一热偶23的温度显示稳定后，首先逐步减少第四加热器9和第五加热器10的输出功率，同时为保证第二热偶26的温度恒定，逐步加大等离子电极3的功率直至第四加热器9和第五加热器10输出功率为0；
待第四加热器9和第五加热器10输出功率为0后，逐步减少第三加热器8的功率，同时为保证第二热偶26的温度恒定逐步加大等离子电极3的功率直至第三加热器8输出功率输出为0；
在第四加热器9，第五加热器10及第三加热器8的功率减少的过程中，硅单晶棒13不断粗化并相互以小角晶界的形式连接成为一个整体的准单晶硅；待第三加热器8的功率减少至0后，硅单晶棒13间的硅已经凝固完毕，熔体中主要为铜原子，然后缓慢停止等离子电极3、第一加热器6及第二加热器7的功率；
待晶锭冷却至室温后，将晶锭与陶瓷环15一起取出，然后将陶瓷环15敲碎，取出晶锭，将晶体上部的铜富集区切掉，即可制备准单晶硅锭。
进一步的，太阳能电池用大尺寸硅锭制备装置的组装方法包括如下步骤：
将等离子电极3和顶部保温套5布置到上炉体内；
将硅单晶棒13放置到所述硅单晶棒钼夹持工具12上，硅单晶棒13的排列晶向一致，将硅单晶棒钼夹持工具12规则排列放入钼坩埚11中，将钼坩埚11安装到陶瓷坩埚套14内，然后将陶瓷环15放入陶瓷坩埚套14内部，其下部与钼坩埚11的上侧面紧密连接，并将高纯铜粉或者细小的铜块布置在硅单晶棒13间；
布置第一加热器6、第二加热器7，第三加热器8、第四加热器9和第五加热器10在陶瓷坩埚套14的外侧，且所述第一加热器6位于所述陶瓷坩埚套14的上端开口上。所述第二加热器7，第三加热器8和第四加热器9从上到下布置于所述陶瓷坩埚套14的外周，所述第五加热器10布置于所述陶瓷坩埚套14的底部，在第二加热器7，第三加热器8、第四加热器9和第五加热器10的外侧布置下炉体侧面保温套22；最后在所述下炉体侧面保温套22的外周套设第一电磁感应器18和第二电磁感应器19，所述第一电磁感应器18和第二电磁感应器19从上到下设置，且第一电磁感应器18和第二电磁感应器19之间设置有间隙。
在安装所述钼坩埚11时，使所述钼坩埚11底部的坩埚杆从上到下依次穿过陶瓷坩埚套14的底部、第五加热器10以及下炉体2的底部后从所述炉体内伸出，然后将第一热偶23布置到所述坩埚杆的热偶安装槽内。
将第二热偶26依次穿过下炉体2的侧壁、第一电磁感应器18与第二电磁感应器19之间的空间以及下炉体侧面保温套22后，使所述第二热偶26的内侧端部位于第三加热器8与下炉体侧面保温套22之间。
所述装置和方法利用钼制硅单晶棒夹持工具将硅单晶棒按相同晶向阵列排列在钼坩埚与陶瓷环构成的复合坩埚中，然后向钼坩埚中添加助溶剂（高纯铜粉或者细小的铜块），通过多温区及等离子熔炼使得熔体产生温度梯度凝固。等离子电极一方面提高硅熔体的凝固的界面稳定性，一方面通过铜元素的挥发减少成分过冷度。最终使得单晶块阵列快速凝固为一块整体的准单晶，利用具有高梯度凝固高速率凝固的特性，最后通过破坏陶瓷环来取出硅锭，该方法具有结晶效率高的特点。

Claims (7)

1.一种太阳能电池用大尺寸硅锭的制备装置，其特征在于：包括炉体，所述炉体内设置有陶瓷坩埚套（14），所述陶瓷坩埚套（14）的底部设置有钼坩埚（11），所述钼坩埚（11）的上侧设置陶瓷环（15），所述陶瓷环（15）的外壁与所述陶瓷坩埚套（14）的内壁接触，且所述陶瓷环（15）的壁厚与钼坩埚（11）的壁厚相同，所述钼坩埚（11）内设置有硅单晶棒钼夹持工具（12），通过硅单晶棒钼夹持工具（12）将硅单晶棒（13）按阵列排列在钼坩埚（11）中，硅单晶棒（13）的排列晶向一致；所述陶瓷坩埚套（14）的上端开口处设置有第一加热器（6），陶瓷坩埚套（14）的外周从上到下设置有第二加热器（7）、第三加热器（8）和第四加热器（9），所述陶瓷坩埚套（14）的底部设置有第五加热器（10），所述第二加热器（7）、第三加热器（8）和第四加热器（9）的外侧设置有下炉体侧面保温套（22），所述下炉体侧面保温套（22）的外侧设置有第一电磁感应器（18）和第二电磁感应器（19），所述第一加热器（6）的上侧设置有上炉体顶部保温套（5），等离子电极（3）的一端位于所述炉体外，等离子电极（3）的另一端依次穿过所述炉体、上炉体顶部保温套（5）以及第一加热器（6）后进入所述陶瓷环（15）并与所述硅单晶棒（13）的上侧面保持距离，且所述等离子电极（3）的外周设置有电极保护陶瓷管（4），所述电极保护陶瓷管（4）的外周与所述炉体直接接触，且所述电极保护陶瓷管（4）的外周不与所述上炉体顶部保温套（5）以及第一加热器（6）接触。
2.如权利要求1所述的太阳能电池用大尺寸硅锭的制备装置，其特征在于：所述炉体包括上炉体（1）和下炉体（2），所述上炉体（1）的顶部设置有观察窗（25）。
3.如权利要求1所述的太阳能电池用大尺寸硅锭的制备装置，其特征在于：所述钼坩埚（11）的下部设置有坩埚杆，所述坩埚杆的下端依次穿过所述陶瓷坩埚套（14）的底部、第五加热器（10）以及下炉体（2）的底部后从所述炉体内伸出，所述坩埚杆内布置有第一热偶（24），钼坩埚（11）、陶瓷环（15）及陶瓷坩埚套（14）可随着坩埚杆的转动一起转动。
4.如权利要求1所述的太阳能电池用大尺寸硅锭的制备装置，其特征在于：下炉体的底部设置有进气管（24），所述进气管（24）上设置有进气阀，所述炉体顶部保温套（5）与上炉体（1）的顶部之间的空间内设置有粉尘收集室（21），所述粉尘收集室（21）通过排气管与所述炉体外的粉尘回收室（20）相连通，所述粉尘回收室（20）上设置有排气孔，用于保证气体持续的将铜及硅粉尘带出炉体。
5.如权利要求1所述的太阳能电池用大尺寸硅锭的制备装置，其特征在于：硅单晶棒钼夹持工具（12）布满钼坩埚（11）底部，硅单晶棒钼夹持工具（12）间的缝隙小于0.5mm，所述硅单晶棒（13）的晶向偏差小于0.5°。
6.如权利要求1所述的太阳能电池用大尺寸硅锭的制备装置，其特征在于：所述硅单晶棒（13）均按原始晶锭的头尾顺序排列，且所有硅单晶棒（13）所生长的熔体中所含有的掺杂剂浓度相同。
7.如权利要求1所述的太阳能电池用大尺寸硅锭的制备装置，其特征在于：第二热偶（26）依次穿过下炉体（2）的侧壁、第一电磁感应器（18）与第二电磁感应器（19）之间的空间以及下炉体侧面保温套（22）后，使所述第二热偶（26）的内侧端部位于第三加热器与下炉体侧面保温套之间，通过控制第二热偶（26）的温度控制硅单晶棒（13）的局部熔化程度，通过控制第二热偶（26）与第一热偶（23）之间的温度变化及温度梯度来控制晶体生长过程，通过等离子电极（3）加速铜离子的挥发来抑制成分过冷，并实现超高温度梯度来抑制缺陷的形成。
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