CN218539880U - 一种铸锭单晶热场装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种铸锭单晶热场装置该装置包括：用于放置石英坩埚的石墨底座；加热体，所述加热体包围在所述石墨底座外；保温层，所述保温层包围在所述加热体外，主要由顶部保温层、侧部保温层和底部保温层围合而成，所述侧部保温层固定在所述顶部保温层上，所述底部保温层上至少有与所述石英坩埚上放置籽晶的第一凹槽相对应的可分离区域；第一升降连接件，与所述顶部保温层固定连接；及第二升降连接件，与所述可分离区域固定连接。该装置可解决相关技术不可避免会产生多晶形核，从而导致铸造单晶含有大量的多晶，晶体内部也会产生大量的位错，进而导致晶体缺陷从而影响光电转换效率的问题。

Description

一种铸锭单晶热场装置

技术领域

本申请涉及光伏设备制造技术领域，尤其涉及一种铸锭单晶热场装置。

背景技术

在全球气候变暖及化石能源日益枯竭的大背景下，可再生能源开发利用日益受到国际社会的重视，大力发展可再生能源已成为世界各国的共识。各种可再生能源中，太阳能以其清洁、安全、取之不尽、用之不竭等显著优势，已成为发展最快的可再生能源。太阳能光伏发电行业中，用于制造太阳能电池的晶体硅主要是采用CZ直拉法的单晶硅及采用铸锭技术的多晶硅。其中多晶硅铸锭投料量大、操作简单、工艺成本低，但采用多晶硅铸锭做成的光伏电池光电转换效率较低；而采用直拉单晶硅做成的太光伏电池光电转换效率高，但CZ直拉法单次投料少，操作复杂，成本高。因此，如何结合二者的优点，利用铸造法生产太阳能用单晶硅的方法受到了越来越多的关注。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

在铸锭单晶工艺中，通常会引入无位错单晶作为籽晶平铺在平底坩埚底部，采用多晶硅铸锭炉进行铸锭单晶生产。在冷凝结晶的过程中，要么采取提升顶部及四周保温层来实现降温(譬如京运通G7多晶硅铸锭炉)，要么采用下降底部保温层来实现降温(譬如GTSolar G6多晶硅铸锭炉)。这些方式虽然能够实现降温，但往往会四周先冷却，然后硅熔体或晶体中心通过向底部和四周散热再逐渐冷却。在这种冷却方式，坩埚底部及四周容易多晶形核；同时，籽晶与籽晶之间、籽晶与坩埚壁、籽晶与坩埚底部之间有缝隙，也不可避免会产生多晶形核，从而导致铸造单晶含有大量的多晶，晶体内部也会产生大量的位错，进而导致晶体缺陷从而影响光电转换效率。

实用新型内容

本申请实施例的目的是提供一种铸锭单晶热场装置，以解决相关技术不可避免会产生多晶形核，从而导致铸造单晶含有大量的多晶，晶体内部也会产生大量的位错，进而导致晶体缺陷从而影响光电转换效率的问题。

根据本申请实施例，提供一种铸锭单晶热场装置，包括：

用于放置石英坩埚的石墨底座；

加热体，所述加热体包围在所述石墨底座外；

保温层，所述保温层包围在所述加热体外，主要由顶部保温层、侧部保温层和底部保温层围合而成，所述侧部保温层固定在所述顶部保温层上，所述底部保温层上至少有与所述石英坩埚上放置籽晶的第一凹槽相对应的可分离区域；

第一升降连接件，所述第一升降连接件与所述顶部保温层固定连接；及

第二升降连接件，所述第二升降连接件与所述可分离区域固定连接。

进一步地，所述石英坩埚具有第一底部和从第一底部的外周部立起的侧壁部，并且上方开口，所述第一底部内壁呈中间低、四周高的第一斜坡，且中间位置开设有用于放置籽晶的第一凹槽。

进一步地，所述石墨底座具有第二底部和从第二底部的外周部立起的侧壁护板，并且上方开口，所述第二底部内壁呈中间低、四周高的第二斜坡。

进一步地，所述第二底部下表面开有一第二凹槽，所述第二凹槽与所述石英坩埚放置籽晶的第一凹槽相对应且底面大小相同，深度为第二底部下面的加热体高度的1/3-2/3。

进一步地，所述第二凹槽呈上小下大状，侧壁的倾斜角度为30-70°。

进一步地，所述加热体包括功率可调的顶部加热体、底部加热体和侧面加热体。

进一步地，所述保温层的内部为碳纤维毡，外部为耐热金属框架。

进一步地，所述可分离区域具有多组。

进一步地，多组所述可分离区域环环嵌套布置。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请的铸锭单晶热场装置中第一升降连接件和第二升降连接件可以上下移动，从而可分别带动顶部保温层和侧部保温层同时上下移动和底部保温层的可分离区域上下移动，在熔硅时，该可分离区域上移，使得底部保温层封闭，从而使得整个保温层封闭，以实现最佳的热场保温效果；在初始结晶时，该可分离区域可下行，以实现坩埚底部的散热，在晶体向上生长时，第一升降连接件上移，顶部保温层和侧部保温层同时上移动，以实现坩埚侧面的散热。基于此，本申请的铸锭单晶热场装置可在保持坩埚内硅液熔融态的同时，在初始降温结晶时采用底部中央降温的方式，从而保证晶体生长是由位于坩埚底部中央的籽晶开始，而籽晶范围之外的其它部位因温度较高，不能满足结晶形核所需要的过冷度，无法产生多晶形核，进而可从源头上避免多晶的产生，提高铸锭单晶的质量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种铸锭单晶热场装置的剖面图(具有一个可分离区域)。

图2是根据一示例性实施例示出的石英坩埚的剖面图(石英坩埚内未放置籽晶)。

图3根据一示例性实施例示出的一种铸锭单晶热场装置的石墨底座截面图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种铸锭单晶热场装置的剖面图(带有收尾造型板和具有多组可分离区域)。

图中的附图标记有：

10、石英坩埚；11、第一凹槽；12、第一底部；13、侧壁部；14、第一斜坡；15、凸台；

20、石墨底座；21、第二底部；22、侧壁护板；23、第二斜坡；24、第二凹槽；

30、加热体；31、顶部加热体；32、底部加热体；33、侧面加热体；

40、保温层；41、顶部保温层；42、侧部保温层；43、底部保温层；44、可分离区域；

50、籽晶；

60、第一升降连接件；

70、第二升降连接件；

80、收尾造型板。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

参考图1-图4，本发明实施例提供一种铸锭单晶热场装置，包括：用于放置石英坩埚10的石墨底座20、顶部加热体31、底部加热体32、侧面加热体33、顶部保温层41、侧部保温层42、底部保温层43、第一升降连接件60、第二升降连接件70，所述加热体包围在所述石墨底座20外，主要由顶部加热体31、底部加热体32、侧面加热体33围合而成；所述保温层包围在所述加热体外，主要由顶部保温层41、侧部保温层42和底部保温层43围合而成，所述侧部保温层42固定在所述顶部保温层41上，所述底部保温层43上至少有与所述石英坩埚10上放置籽晶50的第一凹槽11相对应的可分离区域44；所述第一升降连接件60与所述顶部保温层41固定连接；所述第二升降连接件70与所述可分离区域44固定连接。

由上述实施例可知，本申请的铸锭单晶热场装置中第一升降连接件60和第二升降连接件70可以上下移动，从而可分别带动顶部保温层41和侧部保温层 42同时上下移动和底部保温层43的可分离区域44上下移动，在熔硅时，该可分离区域44上移，使得底部保温层43封闭，从而使得整个保温层封闭，以实现最佳的热场保温效果；在初始结晶时，该可分离区域44可下行，以实现坩埚底部的散热，在晶体向上生长时，第一升降连接件60上移，顶部保温层41和侧部保温层42同时上移动，以实现坩埚侧面的散热。基于此，本申请的铸锭单晶热场装置可在保持坩埚内硅液熔融态的同时，在初始降温结晶时采用底部中央降温的方式，从而保证晶体生长是由位于坩埚底部中央的籽晶50开始，而籽晶50范围之外的其它部位因温度较高，不能满足结晶形核所需要的过冷度，无法产生多晶形核，进而可从源头上避免多晶的产生，提高铸锭单晶的质量。

在本发明一实施例中，参考图2-图4，所述石英坩埚10具有第一底部12 和从第一底部12的外周部立起的侧壁部13，并且上方开口，所述第一底部12 内壁呈中间低、四周高的第一斜坡14，且中间位置开设有用于放置籽晶50的第一凹槽11。底部第一凹槽11的设计，使得底部的温度控制会比较简单，可以保证晶体生长是由位于坩埚底部中央的籽晶50开始，而籽晶50范围之外的其它部位因温度较高，不能满足结晶形核所需要的过冷度，无法产生多晶形核，进而可从源头上避免多晶的产生，提高铸锭单晶的质量。坩埚底部中间低、四周高的斜坡形状模仿CZ单晶法的放肩过程，通过热场控制，可确保在坩埚底部实现单晶横向生产，直至坩埚内壁，待单晶上表面和坩埚底部上端平齐后可通过热场控制实现晶体纵向生长。因此，本发明有助于降低单晶生长环节的成本，对光伏行业的持续成本下降并最终达成低价上网大有裨益。

在本发明一实施例中，所述第一凹槽11的水平截面与籽晶50的形状保持一致，不失一般性，所述第一凹槽11的水平截面呈正方形，所述第一底部12 内壁由四个第一斜坡14依次收尾围合而成，中间低、四周高的第一斜坡14结构参考当前CZ单晶法的放肩过程，所述第一斜坡14的坡度优选为5-25°。

可选的，参考图4为配合收尾造型板80使用，所述侧壁部13在开口往下预定距离(可为50-100mm)处设有用于放置收尾造型板80的凸台15。

在本发明一实施例中，所述石墨底座20具有第二底部21和从第二底部21 的外周部立起的侧壁护板22，并且上方开口，所述第二底部21内壁呈中间低、四周高的第二斜坡23。石英坩埚10置于石墨底座20上，四周为侧壁护板22(石墨护板)，以防止在高温硅液熔化时石英坩埚10不会因高温变形出现损坏。石墨底座20置于底部加热体32上，其内表面和石英坩埚10外表面形状保持一致以更好的保护石英坩埚10。

进一步地，所述第二底部21下表面开有一第二凹槽24，所述第二凹槽24 与所述石英坩埚10放置籽晶50的第一凹槽11相对应且底面大小相同，深度为第二底部21下面的加热体高度的1/3-2/3，以加强初始结晶时的底部散热；优选的，所述第二凹槽24呈上小下大状，做成向外的斜坡以增大散热的接触面积，侧壁的斜坡倾斜角度为30-70°。

在本发明一实施例中，所述加热体包括功率可调的顶部加热体31、底部加热体32和侧面加热体33。加热体采用石墨电极加热。

在本发明一实施例中，所述保温层的内部为碳纤维毡，外部为耐热金属框架。

在本发明一实施例中，参考图4，可分离区域44具有多组，根据需要，可分离区域44组数可为1-10组，进一步地，每组可分离区域44的长度可为石英坩埚10底部第一凹槽11尺寸的1-3倍，每组可分离区域44通过各自的第二升降连接杆单独控制其上下移动。优选地，多组所述可分离区域44环环嵌套布置。冷却结晶时，保温层底部中间位置可分离区域44先下行打开，冷却底部籽晶50，籽晶50周边冷却结晶后可向下依次从内向外打开各组可分离区域44，加快冷却结晶速度。

利用上述的铸锭单晶热场装置，可以实现铸锭单晶生长方法，该方法包括如下步骤：

(1)熔硅：将石英坩埚10装入石墨底座20内，向石英坩埚10内装硅料后升温至硅料熔化，硅料熔化后，提高顶部加热体31功率，提高顶部温度，同时保持底部加热体32温度，使得石英坩埚10凹槽内的籽晶50顶部全部熔化，而籽晶50的下部没有熔化；

(2)放肩：熔硅完成后，第二升降连接件70向下运动，打开底部保温层 43中的可分离区域44，从底部籽晶50区域开始冷却，晶体从石英坩埚10底部向四周的石英坩埚10壁方向横向生长，直到铺满整个石英坩埚10的埚底且固液界面与石英坩埚10锅底的内平面平齐；

(3)晶体生长：在放肩过程完成后进入晶体生长环节。在晶体向上生长时，第一升降连接件60向上运动，带动顶部保温层41及侧面保温层42上移，热量辐射散发，温度下降会使硅溶液形成垂直的温度梯度，此温度梯度控制硅自底部开始单晶生长；

(4)收尾：晶体生长到距离硅液表面小于30-50mm时，进入收尾阶段，控制顶部加热体31功率，确保在顶部的硅液层小于5-10mm后再降温；

(5)退火冷却阶段：晶体收尾后，进行退火冷却。具体地，晶体收尾后，在高温区进行退火，缓慢释放晶体内部因温度上高下低产生的热应力。通过供入惰性气体，控制冷却方式等步骤消除热应力，以避免铸块出现裂缝及减少差排的发生。冷却到规定温度后，开炉出料。

由上述实施例可知，本申请的铸锭单晶热场装置通过底部保温层43的可分离区域44，达到了在晶体生长时，坩埚底部从中央散热。在底部降温时，能够保证坩埚底部中央的区域较冷，四周的温度较高，这就确保了在晶体生长只能从位于坩埚中央的籽晶50开始，从根本上避免了坩埚底部和四壁多晶形核的可能。同时，通过第一升降连接杆与加热体之间的配合，实现对放肩、收尾等工艺手段的控制，减少位错发生的可能，进而提高铸锭单晶的晶体质量，实现以晶体铸锭成本达到CZ单晶高效光电转换效率的目的。

优选的，在步骤(1)石英坩埚10装料完成后，在硅料顶部放置一收尾造型板80，该造型板采用石英材质，剖面为上小下大的圆锥型通孔，有助于单晶收尾时在各个圆锥孔内收尾呈尖形，减少晶体生长完成时的位错反延。

优选的，在步骤(2)放肩中，在放肩开始时，坩埚底部的温度从中央区域开始下降，籽晶50中的固液界面将缓慢上升，当固液界面上升到与坩埚本体底部的籽晶50凹槽的上沿齐平时，晶体开始横向生长。由于坩埚底部是中间低四周高的斜坡，冷却从中央区域开始时，温度会呈现中间低四周高的情况。因此，晶体横向生长时，坩埚底部不会形核，只有籽晶50生长出来的单晶能够生长，最终该单晶将底部铺满同时固液界面与坩埚锅底的内平面平齐，形成一个上大下小的四方台形的大单晶体。

可选的，如果在步骤(1)坩埚装料完成后不放置收尾造型板80的话，可在步骤(4)收尾时，在坩埚上部凸台15处放置一收尾定型板80。该定型板为石英材质，下表面呈倒三角型，模仿CZ法的收尾，减少晶体生长完成时的位错反延。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种铸锭单晶热场装置，其特征在于，包括：

用于放置石英坩埚的石墨底座；

加热体，所述加热体包围在所述石墨底座外；

保温层，所述保温层包围在所述加热体外，主要由顶部保温层、侧部保温层和底部保温层围合而成，所述侧部保温层固定在所述顶部保温层上，所述底部保温层上至少有与所述石英坩埚上放置籽晶的第一凹槽相对应的可分离区域；

第一升降连接件，所述第一升降连接件与所述顶部保温层固定连接；及

第二升降连接件，所述第二升降连接件与所述可分离区域固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种铸锭单晶热场装置，其特征在于，所述石英坩埚具有第一底部和从第一底部的外周部立起的侧壁部，并且上方开口，所述第一底部内壁呈中间低、四周高的第一斜坡，且中间位置开设有用于放置籽晶的第一凹槽。

3.根据权利要求1所述的一种铸锭单晶热场装置，其特征在于，所述石墨底座具有第二底部和从第二底部的外周部立起的侧壁护板，并且上方开口，所述第二底部内壁呈中间低、四周高的第二斜坡。

4.根据权利要求3所述的一种铸锭单晶热场装置，其特征在于，所述第二底部下表面开有一第二凹槽，所述第二凹槽与所述石英坩埚放置籽晶的第一凹槽相对应且底面大小相同，深度为第二底部下面的加热体高度的1/3-2/3。

5.根据权利要求4所述的一种铸锭单晶热场装置，其特征在于，所述第二凹槽呈上小下大状，侧壁的倾斜角度为30-70°。

6.根据权利要求1所述的一种铸锭单晶热场装置，其特征在于，所述加热体包括功率可调的顶部加热体、底部加热体和侧面加热体。

7.根据权利要求1所述的一种铸锭单晶热场装置，其特征在于，所述保温层的内部为碳纤维毡，外部为耐热金属框架。

8.根据权利要求1所述的一种铸锭单晶热场装置，其特征在于，所述可分离区域具有多组。

9.根据权利要求8所述的一种铸锭单晶热场装置，其特征在于，多组所述可分离区域环环嵌套布置。

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