CN202090092U - 带控温籽晶装置的单晶铸锭炉 - Google Patents

Abstract

一种用于太阳能电池片铸锭的带控温籽晶装置的单晶铸锭炉，通过引入控温籽晶装置，改变熔融硅在一定过冷度下自然成核，可在定向凝固晶体组织的硅锭生长获得单晶硅铸锭。带控温籽晶装置的单晶铸锭炉；包括炉体、炉体内的坩埚、带控温籽晶装置、坩埚四周的隔热材料、隔热材料内的加热器、外部控制设备等组成。带控温籽晶装置的单晶铸锭炉能够方便应用于现有的多晶硅铸锭炉改造，能够在多晶硅铸锭炉获得与直拉单晶光电转换效率相同或者接近的太阳能电池切片用铸锭材料，可减少铸锭应力缺陷、提高铸锭的完整性、改善铸锭太阳能电池切片生产效率和技术指标，相对现有的设备技术更加节能。

Description

带控温籽晶装置的单晶铸锭炉

所属技术领域

本实用新型涉及一种用于太阳能电池片铸锭生产的带控温籽晶装置的单晶铸锭炉。 

多晶硅铸锭炉是生产太阳能电池的主要设备之一，铸锭硅片已逐步取代单晶硅片成为最主要的光伏电池材料，本实用新型属于太阳能电池设备制造技术领域。 

背景技术

公知的多晶硅定向凝固法铸锭炉是由：炉体、位于所述的炉体内的坩埚、加热器、坩埚和加热器四周的隔热材料、控制、冷却系统等组成。相比于其它硅晶体生长方法(如直拉单晶)，传统多晶硅铸锭炉的优点是；单炉次产能大(可达数百公斤)，切片损耗较单晶少(不存在头尾料和切方的损耗)，单位能耗低。定向凝固法多晶硅铸锭炉工艺过程是；所述加热器对装入所述的坩埚内的硅进行加热；硅原料在真空状态或惰性气体保护下熔化，然后在严格控制的温度场中定向结晶，凝固成硅锭，定向结晶硅锭经切片等工序后即可制成太阳能电池。其中从装炉到出炉工艺分为几个阶段；1.加热、2.融化、3.定向结晶生长、4.退火和冷却； 

但是，由于多晶硅铸锭炉在定向结晶凝固成硅锭过程中，熔融硅在一定过冷度下自然成核，成核是随机的而且数量庞大，得到的硅锭是晶体数量庞大的柱状晶粒的多晶硅锭。多晶硅太阳能电池由于晶体缺陷较多以及晶间势垒和杂质聚集效应，光电换效率低于直拉单晶，使用过程中光电换效率衰减也高于直拉单晶硅太阳能电池，通常多晶硅太阳能电池转换效率比单晶硅低1.5％-3％。 

现有的多晶硅铸锭工艺为减少晶体缺陷和获得尽可能大的晶粒，一般采用延长保温再结晶时间的办法，但是效果不明显，不能够根本解决存在问题，同时多晶硅铸锭由于结晶膨胀因素，结晶产生铸锭比较大应力，容易导致裂纹，降低产品成品率。 

目前，产生太阳能电池片还采用直拉单晶硅方法(Czochralski法)，直拉单晶硅炉主要由主炉体、炉体副室、底座、晶体旋转机构、籽晶夹头和晶体提升机构、坩埚传动装置和真空抽气泵所组成，直拉单晶硅工艺分为几个阶段；1.将料装入坩埚抽并且抽真空或者充氩气，2.加热化料、3.熔接籽晶、拉细颈、4.放肩收肩、5.等径生长、6.收尾、7.降温出炉； 

直拉单晶太阳能电池虽然晶体结构完整、光电转换效率较高，但是直拉单晶单炉次产能小(数十公斤)，切片损耗大(头尾料和切方、切片损耗达60％左右)，单位能耗和劳动 成本高的缺点。 

发明内容

要解决的技术问题：多晶硅铸锭炉通过定向结晶凝固成硅锭，得到的是晶体数量庞大的柱状晶粒的多晶硅锭，存在大量晶体缺陷，多晶硅太阳能电池转换效率低。直拉单晶太阳能电池晶体结构完整、转换效率较高，但是单炉次产能小(数十公斤)，原料损耗大，能耗和劳动成本高。 

发明目的：为解决现有工艺技术存在的问题，获得高生产效率、晶体结构完整、转换效率高的铸锭方法，本实用新型专利带控温籽晶装置的单晶铸锭炉与公知的多晶硅铸锭炉不同的关键技术是，基于“布里奇曼”晶体生长原理，可在定向凝固晶体组织的硅锭生长铸锭炉中获得单晶硅锭。 

技术方案：本实用新型专利带控温籽晶装置的单晶铸锭炉；由包括炉体、坩埚、籽晶、籽晶控温护套、坩埚四周的隔热材料、隔热材料内的加热器、电极、坩埚升降机构构成，其构成特点是；安置于炉体内的隔热材料和坩埚升降机构，隔热材料内安置加热器和坩埚，电极连接加热器，安装在坩埚上的籽晶控温护套，籽晶安置于籽晶控温护套中，籽晶控温护套安装有测温热电偶。 

控温籽晶护套由内套和外护套组成，内套有和籽晶尺寸匹配的籽晶安置孔，内套可在制造坩埚时做成一体式，或做成分体式通过螺纹与坩埚匹配连接。籽晶控温护套、籽晶，可在坩埚的底部或侧部、顶部安置。籽晶控温护套的作用是控制籽晶的温度，使熔融硅与单晶籽晶既可靠熔接，又保证在化料过程中籽晶不会被完全熔蚀，在熔融硅与单晶籽晶可靠熔接后控制温度梯度使晶体不断长大、经过定向结晶、退火和冷却，最终获得单晶硅铸锭。从装炉到出炉工艺分为几个阶段； 

1.将料装入坩埚抽并且抽真空或者充氩气、2.加热化料、3.籽晶熔接、4.定向结晶生长、5退火和冷却。

几种籽晶装置安置方式的优缺点； 

a.籽晶底部安置；优点是不必重新设计水平线性梯度的温度场，及温度场硬件和软件，可在现有定向结晶铸锭炉中加装，缺点是在定向结晶过程中应力释放不好，结晶进程监控完全依靠仪器和经验，不便于调整过程控制。

b.籽晶侧部安置；优点是；其关键是在定向结晶过程中，结晶膨胀的应力可以不断得到释放，结晶进程可全程监控，便于调整过程控制。缺点是必须重新设计水平线性梯度的温度场，及 温度场硬件和软件。

c.籽晶顶部安置；优点是熔接籽晶可在目视下进行，不必重新设计水平线性梯度的温度场，及温度场硬件和软件，可在现有定向结晶铸锭炉中加装，设备改动最小，缺点是在定向结晶过程中应力无法释放，坩埚涨裂后硅熔液容易漏出。

有益效果；本实用新型技术带控温籽晶装置的单晶铸锭炉；具有单炉次产能大(可达数百公斤)，切片损耗较单晶少、单位能耗相对耗低、晶体结构较完整、光电转换效率高，兼具了多晶硅铸锭炉生产能力大和直拉单晶晶体结构完整的特点，在晶体生长过程中还兼具有分凝提纯作用，可使用次级硅料生产。能够在多晶硅铸锭炉获得与直拉单晶光电转换效率相同的太阳能电池铸锭，提高太阳能电池切片的生产效率，可用于现有设备改造和升级而且基本不增加生产成本，由于太阳能电池光电转换效率高、单位能耗低相对现有技术更加低碳，有较大的工业应用价值。 

附图说明

附图1是本实用新型的结构原理示意图(籽晶底部安置)；图1中；1.电极，2.坩埚，3.籽晶，4.炉体，5.坩埚升降机构，6.加热器，7.隔热材料，8.籽晶控温护套，9.测温热电偶，10.硅结晶体，11.熔融硅。 

附图2.本实用新型的结构原理示意图(籽晶侧部安置)；图2中；1.电极，2.坩埚，3.籽晶，4.炉体，5.坩埚升降机构，6.加热器，7.隔热材料，8.籽晶控温护套，9.测温热电偶，10.硅结晶体，11.熔融硅。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明，应理解本实施例仅用于对本实用新型进一步说明而不用于对本实用新型的限制，附图1.是带控温籽晶装置的单晶铸锭炉籽晶底部安置实施例示意；具体步骤如下；首先把籽晶(3)安装在带有强制冷却控温护套(8)中，把处理好的硅料装入坩埚(2)，坩埚(2)材质为高纯二氧化硅或者带涂层的石英，把坩埚(2)放入铸锭炉(4)内，安置保温罩隔热材料(7)和籽晶测温电偶(9)，然后封闭炉体(4)，抽取真空到规定值、开启控制器、开启籽晶强制冷却系统、调整电源系统加热器(6)加热到1500℃左右，自动控制温度及时间使坩埚内的多晶硅完全熔化；籽晶强制冷却系统保证化料过程中籽晶(3)温度始终低于硅的熔点(≤1410℃)，待坩埚中多晶硅原料完全熔解后，调整籽晶强制冷却系统，使籽晶(3)与硅熔体融接，然后按工艺要求，通过控温降低籽晶(3)和炉子温度，使单晶 不断生长，缓慢提升保温罩隔热材料(7)或按要求调整加热器(6)以调整热场温度梯度，使硅熔液在垂直方向上形成温度梯度，使得硅熔液缓慢从下方向上方凝固生长结晶；当所有的硅熔液均结晶固化后，硅锭再经过热退火、冷却处理，硅锭冷却到200-250℃之间，打开炉体取出硅锭。 

附图2.是带控温籽晶装置的单晶铸锭炉籽晶侧部安置实施例示意；具体步骤如下；首先把籽晶(3)安装在带有强制冷却控温护套(8)中，把处理好的硅料装入坩埚(2)，坩埚材质为高纯二氧化硅或者带涂层的石英，把坩埚(2)放入铸锭炉(4)内，安置保温罩隔热材料(7)和籽晶测温电偶(9)，然后封闭炉体，抽取真空到规定值、开启控制器、开启籽晶(3)强制冷却系统、调整电源系统加热器加热到1500℃左右，自动控制温度及时间使坩埚(2)内的硅料完全熔化；籽晶强制冷却系统保证化料过程中籽晶(3)温度始终低于硅的熔点(≤1410℃)，待坩埚(2)中多晶硅原料完全熔解后，调整籽晶强制冷却系统，使籽晶与硅熔体融接，然后按工艺要求，降低籽晶温度，使不断生长，按要求缓慢平移保温罩隔热材料7或者调整加热器6，使在水平方向上形成温度梯度，使得硅熔液缓慢从籽晶方向另一侧水平凝固生长结晶；当所有的硅熔液均固化后，硅锭再经过热退火、冷却处理，硅锭冷却到200-250℃之间，打开炉体取出硅锭。 

Claims (3)

1.一种带控温籽晶装置的单晶铸锭炉；包括炉体(4)、坩埚(2)、籽晶(3)、籽晶控温护套(8)、坩埚(2)四周的隔热材料(7)、隔热材料(7)内的加热器(6)、电极(1)、坩埚升降机构(5)构成，其特征是；置于炉体(4)内的隔热材料(7)和坩埚升降机构(5)，隔热材料(7)内安置加热器(6)和坩埚(2)，电极(1)连接加热器(6)，安装在坩埚(2)上的籽晶控温护套(8)，籽晶(3)安置于籽晶控温护套(8)中，籽晶控温护套(8)安装有测温热电偶(9)。

2.按权利要求1所述的带控温籽晶装置的单晶铸锭炉，其特征是控温籽晶护套(8)由内套和外护套组成，内套有和籽晶尺寸匹配的籽晶(3)安置孔，内套可在制造坩埚(2)时做成一体式，或做成分体式通过螺纹与坩埚(2)匹配连接。

3.按权利要求1所述的带控温籽晶装置的单晶铸锭炉，其特征是籽晶控温护套(8)、籽晶(3)，可在坩埚(2)的底部或侧部、顶部安置。 

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