CN202054920U - 用于定向凝固法生长单晶硅的装置 - Google Patents

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武鹏
陈伟
田义良
杨晓琴
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Jiangsu Xiexin Soft Control Equipment Technology Development Co.,Ltd.
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Abstract

本实用新型提供一种用于定向凝固法生长单晶硅的装置，该装置至少包括炉体(13)、用于支撑炉体的支柱(15)、由支柱支撑的热交换块(4)、放置在热交换块上的坩埚护板(8)、坩埚护板内的用于承装硅料的石英坩埚(9)、固定在石英杆(14)上的加热器(7)、以及由活动连杆(6)控制的侧隔热笼(3)，其特征在于，在坩埚护板外部底侧围绕整个坩埚护板，安装有隔热设备(10)。该装置通过在坩埚护板外部底侧加入隔热设备控制籽晶的熔化，解决了定向凝固法生长单晶硅时底部籽晶完全熔化的问题。

Description

用于定向凝固法生长单晶硅的装置
技术领域
本实用新型属于太阳能光伏技术领域，具体涉及一种用于定向凝固法生长单晶硅的装置。
背景技术
太阳能光伏发电是目前发展最快的可持续能源利用的形式之一，近些年来在各国都得到了迅速的发展。在光伏行业中，提高光电转化效率和降低生产成本一直是两个重要的目标。目前，应用最为普遍的太阳能电池材料是晶体硅材料，包括单晶硅和多晶硅材料，晶体硅太阳能电池最突出的特点是它的稳定高效性。
目前太阳能用单晶硅主要是通过直拉法(CZ法)制得的，具有低缺陷高效率的特点，并且可以通过碱制绒的方法形成金字塔型的织构，提高对光的吸收，从而提高转化效率。但同时单晶硅也存在生产成本较高的缺点。多晶硅主要通过定向凝固(铸造)的方法获得，其以生产成本较低的优势占领了一半以上的太阳能光伏市场。但多晶硅中存在大量的位错和晶界，它们和杂质作用会在硅中引入深能级降低少数载流子的扩散长度从而降低多晶硅太阳能电池的转换效率。另外，由于多晶硅中存在多个晶粒取向，各向异性的高效碱制绒方法不适用于多晶硅片，以上因素使得多晶硅电池的转换效率要比单晶硅电池低1-2个百分点。同时由于多晶硅中含有大量的晶界和位错，导致机械强度较单晶硅要低，使多晶硅片在生产、加工、电池制备和组件组装过程中容易破碎，增加生产成本。目前，铸造单晶硅将单晶硅太能电池片转换效率高、机械强度高的优点与铸造生产生产成本低的优点结合起来，成为研究的重点。中国专利申请200910152970.2公开了一种控制底部单晶硅籽晶不完全融化的方法，其主要是通过加热熔化阶段打开隔热笼的方式来控制坩埚底部温度，但这种方法由于熔化阶段底部的散热使其能耗较高，可控性较差。
因此，需要进一步开发用于定向凝固法生长单晶硅的改进装置。
实用新型内容
鉴于现有技术的上述问题，本实用新型开发了一种改进的用于定向凝固法生长单晶硅的装置，该装置通过在坩埚护板外部底侧围绕整个坩埚护板安装隔热设备来控制籽晶的熔化，解决了定向凝固法生长单晶硅时底部籽晶完全熔化的问题。该装置对设备的改造很小，能耗小，成本低，可控性强，易于操作，适合规模化生产。
本实用新型的目的是提供一种用于定向凝固法生长单晶硅的装置，该装置至少包括炉体(13)、用于支撑炉体的支柱(15)、由支柱支撑的热交换块(4)、放置在热交换块上的坩埚护板(8)、坩埚护板内的用于承装硅料的石英坩埚(9)、固定在石英杆(14)上的加热器(7)、以及由活动连杆(6)控制的侧隔热笼(3)，其特征在于，在坩埚护板外部底侧围绕整个坩埚护板，安装有隔热设备(10)。
根据本实用新型的一个优选的实施方式，所述隔热设备可由碳基隔热材料构成，所述碳基隔热材料包括但不限于石墨以及碳/碳复合材料，还可由多孔陶瓷材料或石棉构成。隔热设备的形状可为块状、板状或带状。
根据本实用新型的一个优选的实施方式，所述隔热设备的厚度为2-10cm，高度为2-20cm；优选厚度为3-5cm，高度为4-12cm。
根据本实用新型的一个优选的实施方式，所述隔热设备可使用钼丝、钨丝、石墨绳、陶瓷螺母或由钼、钨或石墨材质制成的螺母来固定在坩埚护板上。
该隔热设备可在加温过程中，使加热器的热量难以到达坩埚内底部，仅通过坩埚内部的对流循环对底部进行加热，从而调节坩埚内热场分布，控制底部籽晶不完全熔化。通过石英杆辅助测量，单晶的实际熔化率与理论估算值非常接近，说明工艺的可控性强。
用上述装置定向凝固法生长单晶硅的方法包括以下步骤：
(1)依次将作为籽晶的单晶硅料、多晶硅料和掺杂剂置于坩埚中；
(2)熔化阶段：加热硅料，使籽晶熔化10％-90％；
(3)长晶阶段：降低加热器的温度，硅的熔液，多晶硅料和部分籽晶熔化的硅熔液沿籽晶晶向定向凝固生长，经退火冷却后得到与籽晶相同晶向的单晶硅。
步骤(1)中所述籽晶为<100>晶向的单晶硅块。
步骤(1)中所述籽晶为长10-16cm，宽10-16cm，高0.5-5cm的方形单晶硅块。
步骤(1)中所述籽晶平铺于坩埚底部。更优选地，铺设籽晶时，使其相互紧密接触。
步骤(1)中所述掺杂剂选自硼、镓、磷、砷或锑。
步骤(2)和(3)在真空或惰性气氛下进行，优选为在真空或氩气气氛下进行。
步骤(2)中可使用石英杆来辅助测量坩埚底部未熔单晶籽晶的高度。
步骤(2)熔化阶段籽晶开始熔化时，在热交换块底部通入惰性气体，优选氩气，用于保持坩埚底部温度的稳定。
进入熔化阶段后，加热器温度调节至1500-1560℃，在坩埚底部温度上升至1360-1390℃时，向热交换块底部通入氩气，待多晶硅完全熔化，坩埚底部的籽晶熔化10％-90％时，进入长晶阶段。
步骤(3)长晶过程中加热器逐步降温至1400-1430℃，侧隔热笼缓慢打开10-17cm。
在长晶阶段，首先加热器温度快速降至1420-1430℃，随后将侧隔热笼打开3-5cm。加热器温度逐渐降至1400-1410℃，同时侧隔热笼打开，优选打开10-17cm，达到稳定长晶状态。
本实用新型的有益效果是：提供了一种切实有效的生长单晶硅的装置，由该装置获得的单晶硅的晶向相同，所得电池片成本较低，效率较高。整个工艺可以在现有多晶硅铸锭炉中进行，成本低，易于操作和实现规模化生产。
附图说明
图1是坩埚护板外部底侧安装隔热设备的本实用新型装置的剖面图。
图2是坩埚护板外侧底部安装隔热设备的本实用新型装置的局部剖面图。
其中，1代表籽晶、2代表多晶硅料、3代表侧隔热笼、4代表热交换块、5代表底部冷却气体气路、6代表活动连杆、7代表加热器、8代表坩埚护板、9代表石英坩埚、10代表隔热设备、11代表顶隔热板、12代表底隔热块、13代表炉体、14代表石英杆，15代表支柱。
图3是本实用新型实施例1铸造的单晶硅照片。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型用于定向凝固法生长单晶硅的装置包括炉体13，由支柱15支撑的底隔热板12和热交换块4，在热交换块4上放置坩埚护板8和坩埚9，坩埚13内承装单晶籽晶1和多晶硅料2，坩埚护板8外侧底部安装有隔热设备10，侧隔热笼3、顶隔热板11和底隔热板12组成隔热笼系统，可通过活动连杆6控制侧隔热笼3的打开和闭合，在熔化过程中，优选地使用石英杆14辅助测量单晶籽晶的熔化程度。
实施例1
在坩埚护板外侧底部四周围绕整个坩埚护板安装厚度5cm，高度12cm的石墨隔热板，使用钼丝固定。然后将36块厚度为3cm，截面尺寸为126×126mm，<100>晶向的单晶硅块按6×6的方式平铺到坩埚底部，硅块之间紧密接触。再将原生多晶硅料放置在籽晶上方，并放入掺杂剂硼，使掺杂后的目标电阻率为1.70Ω·cm。将装好料的坩埚放置于铸锭炉中抽真空，加热阶段炉内真空状态和氩气气氛交替，利于排杂。熔化阶段，加热器温度至1560℃，此时多晶硅完全熔化，通过石英杆辅助测量，单晶籽晶熔化60％时，进入长晶阶段。在长晶过程中，首先加热器温度由1560℃快速降至1430℃，随后侧隔热笼打开5cm，然后加热器温度逐级降至1410℃，同时侧隔热笼打开10cm，此时为稳定长晶阶段。该工艺过程的耗电量与对比文献方法相比，可减少6％。
实施例2
在坩埚护板外部下侧四周围绕整个坩埚护板安装厚度3cm，高度4cm的石墨隔热板，用石墨螺丝固定。将25块厚度为5cm，截面尺寸为156×156mm，<100>晶向的单晶硅块按5×5的方式平铺到坩埚底部，硅块之间紧密接触。将原生多晶硅料放置在籽晶上方，放入掺杂剂硼，使掺杂后的目标电阻率为1.70Ω·cm。将装好料的坩埚放置于铸锭炉中抽真空；加热阶段炉内真空状态和氩气气氛交替，利于排杂。进入熔化阶段后，加热器温度至1500℃，此时多晶硅完全熔化，经石英杆辅助测量确定单晶籽晶熔化40％时，进入长晶阶段。在长晶过程中，首先加热器温度快速降至1420℃，随后侧隔热笼打开3cm，然后加热器温度降至1400℃，侧隔热笼打开17cm，达到稳定长晶状态。该工艺过程的耗电量与对比文献方法相比，可减少5％。
以上列举的具体实施例只用于对本实用新型做进一步的说明，并不代表本实用新型的保护范围仅限于此。

Claims (6)

1.用于定向凝固法生长单晶硅的装置，该装置至少包括炉体(13)、用于支撑炉体的支柱(15)、由支柱支撑的热交换块(4)、放置在热交换块上的坩埚护板(8)、坩埚护板内的用于承装硅料的石英坩埚(9)、固定在石英杆(14)上的加热器(7)、以及由活动连杆(6)控制的侧隔热笼(3)，其特征在于，在坩埚护板外部底侧围绕整个坩埚护板，安装有隔热设备(10)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述隔热设备由碳基隔热材料、石棉材料或多孔陶瓷材料构成。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述碳基隔热材料为石墨或碳/碳复合材料。
4.根据权利要求1-3任一所述的装置，其中所述隔热设备为块状、板状或带状。
5.根据权利要求1-4任一所述的装置，其中所述隔热设备的厚度为2-10cm，高度为2-20cm；优选厚度为3-5cm，高度为4-12cm。
6.根据权利要求1-5任一所述的装置，其中所述隔热设备使用钼丝、钨丝、石墨绳、陶瓷螺母、或由钼、钨或石墨材料制成的螺母固定。
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