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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein kontinuierliches Gießverfahren
für Silicium,
das zur Herstellung von Siliciumblöcken für eine Solarzelle usw. verwendet
wird.
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Stand der Technik
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Ein
Siliciumwafer für
eine Solarzelle wird üblicherweise
hergestellt, indem man unidirektional verfestigte Siliciumblöcke dünn abschneidet.
Die Qualität
und die Kosten eines Siliciumwafers hängen von der Qualität und den
Kosten der verfestigten Siliciumblöcke ab. Ein Verbessern der
Qualität
eines Siliciumwafers und eine Verringerung der Kosten dafür erfordern
deshalb, dass unidirektional verfestigte Siliciumblöcke von
hoher Qualität
mit geringen Kosten hergestellt werden, und als eine solche Methode
hat der Anmelder der vorliegenden Erfindung ein kontinuierliches
Silicium-Gießverfahren
unter Verwendung einer elektromagnetischen Induktionsheizung zur
praktischen Verwendung bereitgestellt.
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Das
kontinuierliche Silicium-Gießverfahren
unter Verwendung einer elektromagnetischen Induktionsheizung verwendet
einen elektrisch leitfähigen
bodenlosen Schmelztiegel 3, in dem zumindest ein Teil in
axialer Richtung unterteilt ist, wie in 15 gezeigt,
und der innerhalb einer Induktionsspule 2 platziert ist.
In einem Fertigungslauf werden Silicium-Ausgangsmaterialien, die
dem bodenlosen Schmelztiegel 3 zugeführt werden, durch der Induktionsspule
zugeführter
Energie hoher Frequenz über
den bodenlosen Tiegel 3 geschmolzen, und während die
Siliciumschmelze 19 verfestigt wird, wird sie nach unten
durch den bodenlosen Tiegel 3 abgeführt, und die Zuführung von
Ausgangsmaterialien in den bodenlosen Tiegel 3 wird fortgesetzt. Auf
diese Weise werden kontinuierlich unidirektional verfestigte Siliciumblöcke 12 (nachstehend
einfach als "verfestigte
Siliciumblöcke" bezeichnet) hergestellt.
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Durch
Unterteilen von mindestens einem Teil des bodenlosen Tiegels 3 in
axialer Richtung in Umfangsrichtung ermöglicht dieses Verfahren nicht
nur, dass die Silicium-Ausgangsmaterialien im bodenlosen Tiegel 3 durch
elektromagnetische Induktionsheizung geschmolzen werden, sondern
ermöglicht
es auch, dass die aus dem Schmelzen stammende Siliciumschmelze 19 gegen
den bodenlosen Tiegel 3 eine Abstoßungskraft ausbildet, wodurch
der Kontakt zwischen den beiden verringert wird, was es leichter
macht, die verfestigten Siliciumblöcke 12 abzuführen und
verringert die Verunreinigung der verfestigten Siliciumblöcke 12 durch den
bodenlosen Tiegel 3.
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Im
Hinblick auf die Produktqualität
ist es in einem solchen kontinuierlichen Silicium-Gießverfahren
erforderlich, Silicium-Ausgangsmaterialien hoher Qualität mit minimalen
Verunreinigungen in den bodenlosen Tiegel einzuführen. Eine hohe Qualität der Silicium-Ausgangsmaterialien
ist jedoch teuer, und deshalb werden im Hinblick auf die Herstellungskosten
Silicium-Ausgangsmaterialien niedriger Qualität mit einem relativ hohen Prozentsatz
an Verunreinigungen verwendet. Als Verfahren zum Lösen dieses
Widerspruchs wird in dem
japanischen
offengelegten Patent Nr. 4-130009 ein Verfahren zum Reinigen
von Silicium in einem Gießverfahren beschrieben,
in dem man ein Plasmagas auf die Oberfläche der Siliciumschmelze im
bodenlosen Tiegel bläst.
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Dieses
Verfahren kombiniert das Schmelzen durch elektromagnetische Induktionsheizung
und das Reinigen unter Verwendung eines Plasmagases, aber eine Reinigungsmethode
unter Verwendung eines Plasmagases ohne Verwendung einer elektromagnetischen
Induktionsheizung wird im
japanischen
offengelegten Patent Nr. 11-49510 usw. auch beschrieben.
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Das
Plasma in dem kontinuierlichen Silicium-Gießverfahren, das das Schmelzen
durch elektromagnetische Induktionsheizung und das Reinigen unter
Verwendung eines Plasmagases kombiniert, weist nicht nur die Reinigungsfunktion
auf, sondern auch die Funktion einer wirksamen Heizquelle zum Schmelzen
von Silicium-Ausgangsmaterialien in dem bodenlosen Tiegel. Für ein kontinuierliches
Gießen
durch elektromagnetische Induktionsheizung ist eine sekundäre Heizquelle
erforderlich, um anfängliches
Schmelzen usw. von Silicium-Ausgangsmaterialien in dem bodenlosen
Tiegel durchzuführen.
Zum Beispiel wird in dieser sekundären Heizquelle ein Elektronenstrahl
verwendet, aber das Erhitzen durch einen Elektronenstrahl erfordert
eine Druckverminderung in einer Kammer, während das Plasmaerhitzen einen
Vorgang bei normalem atmosphärischen
Druck ermöglicht.
Unter Berücksichtigung
dieses Vorteils des Plasmaerhitzens setzt der Anmelder der vorliegenden
Erfindung die Entwicklung eines elektromagnetischen Induktions-Gießverfahrens
unter Verwendung von Plasma, insbesondere eines Transferplasmabogens
(Transferred Plasma Arc), als sekundäre Heizquelle fort.
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Um
das Verhalten verfestigter Siliciumblöcke als Solarzelle zu verbessern,
ist es andererseits effektiv, eine Kontrolle auf solche Weise durchzuführen, dass
der Temperaturgradient während
der Herstellung der verfestigten Siliciumblöcke in einem Temperaturbereich
von 1420°C,
dem Schmelzpunkt von Silicium, auf 1100°C verringert wird. Im Zusammenhang
damit hat der Anmelder der vorliegenden Erfindung eine "Method of manufacturing
polycrystalline solidified ingots of silicon for a solar cell characterized
by controlling temperature gradient to a range of 15 to 25°C/cm when
silicon Passes through temperature range of 1420°C to 1200°C in manufacturing polycrystalline
solidified ingots of silicon to be supplied to solar cell through
indirectional solidification" im
japanischen offengelegten Patent
NR. 4-342496 präsentiert.
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Der
Grund, warum eine Verringerung des Temperaturgradienten im Temperaturbereich
von 1420 bis 1100°C
für die
Verbesserung des Verhaltens einer Solarzelle effektiv ist, ist es,
dass, wenn Silicium durch den Temperaturbereich von 1420 bis 1100°C läuft, viele
Kristalldefekte auftreten, die die Konversionseffizienz der Solarzelle
verschlechtern, und eine Verringerung des Temperaturgradienten in
diesem Temperaturbereich verringert die innerhalb der Kristalle
gebildete thermische Spannung und verhindert Kristalldefekte usw.
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Das
japanische offengelegten Patent
Nr. 4-342496 kontrolliert diesen Temperaturgradienten und
der Temperaturgradient bezieht sich hier auf den Temperaturgradienten
in axialer Richtung der verfestigten Siliciumblöcke. Gemäß nachfolgender Untersuchungen
durch die Anmelder der vorliegenden Erfindung dazu, was wirklich
die thermische Spannung bestimmt, ist dies der Temperaturgradient
in Richtung des Radius der verfestigten Siliciumblöcke, und
es wurde festgestellt, dass es erforderlich ist, die Temperaturdifferenz
zwischen dem zentralen Bereich eines Blocks und der Oberfläche eines
Blocks in einem Hochtemperaturbereich zur Verbesserung des Verhaltens
so nahe wie möglich
an 0 zu halten.
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Um
den Temperaturgradienten in Richtung des Radius der verfestigten
Siliciumblöcke
sofort nach Verfestigung gemäß dem kontinuierlichen
Gießverfahren
für Silicium
unter Verwendung eines bodenlosen Tiegels zu verringern, ist es
erforderlich, die Menge der Wärmestrahlung
von der Seite der Blöcke
sofort nach der Verfestigung zu verringern. Für diesen Zweck ist es effektiv,
die Seite des verfestigten Blocks sofort nach der Verfestigung innerhalb
des bodenlosen Tiegels warm zu halten, und insbesondere ist es effektiv,
die Länge
von dem unteren Ende der Spule zum unteren Ende des Tiegels, die
den Kühlabschnitt
des bodenlosen Tiegels bildet, zu verringern. Eine Erhöhung der
thermischen Isolation auf eine solche Weise wird jedoch die Temperatur
der Oberfläche
des Blocks im unteren Teil des bodenlosen Tiegels erhöhen, und
wenn eine bestimmte Temperatur überschritten
ist, kann eine Leckage der Schmelze aufgrund eines Bruchs der verfestigten
Schale auftreten. Aus diesem Grund wird, wenn die Menge der von
oberhalb des Blocks gelieferten Wärme festgesetzt ist, die minimale
Strahlungswärmemenge,
die von der Seite verfügbar
ist, automatisch innerhalb des Bereichs festgelegt, indem eine Leckage
der Schmelze verhindert wird.
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Im
Falle des kontinuierlichen Gießverfahrens
unter Verwendung der elektromagnetischen Induktionsheizung beginnt
sich die Siliciumschmelze vom unteren Ende der Induktionsspule aus
zu verfestigen. Die Menge der Wärme,
die erforderlich ist, um die zuzuführenden Silicium-Ausgangsmaterialien
zu schmelzen, wird nur durch die Induktionsheizung geliefert, und
deshalb ist eine Konvektion der Siliciumschmelze durch eine elektromagnetische
Kraft auffallender, als wenn andere Erhitzungsmethoden verwendet
werden, und als Ergebnis erhöht
sich die abwärts
gerichtete Wärmeflussrate
und eine Fest/Flüssig-Grenzfläche nimmt
eine stark nach unten ausgebildete konkave Form an. Wenn die Gießgeschwindigkeit
weiter erhöht
wird, erhöht
sich die Menge der Induktionswärme,
und deshalb wird die Konvektion auffallender und die nach unten
gerichtete Wärmeflussrate
steigt an, was verursacht, dass die konkave Form der Fest/Flüssig-Grenzfläche bemerkenswert wächst. Als
Ergebnis verringert sich die Temperatur im zentralen Bereich nicht
innerhalb eines langen Zeitraums und der Temperaturgradient in Richtung
des Radius des verfestigten Blocks steigt sofort nach der Verfestigung.
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Wenn
die konkave Form der Fest/Flüssig-Grenzfläche bemerkenswert
anwächst,
wird zusätzlich
die verfestigte Schale dünner,
und es ist schwieriger, die Seite des verfestigten Blocks sofort
nach der Verfestigung warm zu halten, und um die Menge an Wärmestrahlung
von der Seite zu erhöhen,
wird die Länge
vom unteren Ende der Induktionsspule zum unteren Ende des Tiegels,
die den Kühlabschnitt
des bodenlosen Tiegels bildet, erhöht. Als Ergebnis wird der Wärmeverlust
des Blocks, der zur Oberfläche
des Tiegels über
einen breiten Bereich gerichtet ist, sofort nach der Verfestigung
gefördert,
was eine beträchtliche
Verschlechterung der Qualität verursacht.
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Im
Falle einer elektromagnetischen Induktionsheizung fließt zusätzlich Induktionsstrom
in der Nähe der
Oberfläche
der Siliciumschmelze, die zur inneren Oberfläche des Tiegels gerichtet ist,
und deshalb wird das meiste der Stromwärme in der Nähe dieser
Oberfläche
gebildet. Aus diesem Grund bewegen sich die zusätzlichen Ausgangsmaterialien,
die in die Siliciumschmelze geführt
werden, nahe zur Oberfläche
der Schmelze und beginnen dort zu schmelzen, und die ungeschmolzenen
Ausgangsmaterialien bleiben im zentralen Bereich der Schmelze in
Form einer Insel. Aufgrund der elektromagnetischen Kraft, die auf
das geschmolzene Silicium wirkt, häuft sich außerdem die obere Oberfläche davon
auf und trennt sich von der Induktionsspule. Dies hindert einen
Anstieg im Schmelzausstoß davor,
wirksam zu einem Anstieg der Schmelzkapazität bei zutragen. Die Löslichkeit
von zusätzlichen
Ausgangsmaterialien kann deshalb nicht als ausreichend bezeichnet werden.
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Wie
vorstehend erwähnt,
arbeitet der Anmelder der vorliegenden Erfindung andererseits weiter
an der Entwicklung des elektromagnetischen Induktions-Gießverfahrens
unter Verwendung von Plasma, insbesondere von Transferplasmabogen
(Transferred Plasma Arc), gleichzeitig als sekundäre Heizquelle.
In dem Verfahren dieser Forschungen und Entwicklungen wurde festgestellt,
dass die gleichzeitige Verwendung eines Transferplasmabogens sehr
wirksam ist zur Lösung
der vorstehend beschriebenen verschiedenen Probleme, die eine elektromagnetische
Induktionsheizung begleiten.
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Das
heißt,
eine gleichzeitige Verwendung einer Plasmaheizung zum Schmelzen
von Ausgangsmaterialien in der Mitte des Gießvorgangs kann die elektromagnetische
Induktionsheizung-Belastung verringern, und die Reduktion der Belastung
unterdrückt
die Wärmekonvektion
von geschmolzenem Silicium durch elektromagnetische Kraft, unterdrückt die
nach unten gerichtete Wärmeflussrate,
flacht die Fest/Flüssig-Grenzfläche ab und
vermindert die konkave Form. Als Ergebnis wird der Temperaturgradient
in Richtung des Radius der verfestigten Siliciumblöcke sofort
nach der Verfestigung verringert. Außerdem wird die verfestigte
Schale dicker, was es ermöglicht,
die Wärmeisolierung
der Seite des verfestigten Blocks sofort nach der Verfestigung zu
erhöhen,
und diese Erhöhung
der Wärmeisolation
verringert auch den Temperaturgradienten in Richtung des Radius.
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Insbesondere
im Falle eines Transferred-Plasma-Arc ist es leicht, einen hohen
Ausstoß zu
erhalten, der für
das Gießen
von Silicium notwendig ist, und an seiner Spitze fließt ein Lichtbogenstrom
durch den verfestigten Siliciumblock, der die Gegenelektrode ist,
und es wird erwartet, dass die dadurch ausgebildete Stromwärme die
Wirkung aufweist, die verfestigten Siliciumblöcke sofort nach der Verfestigung
von ihrer Innenseite her warm zu halten. Darüber hinaus kann auch eine Verhinderung
einer Verschlechterung der Löslichkeit
der zusätzlichen
Ausgangsmaterialien, die ein Problem für das elektromagnetische Induktionsheizen
darstellt, erwartet werden.
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Im
Falle eines konventionellen Plasmaheizens, wie es gleichzeitig mit
kontinuierlichem Gießen
von Silicium verwendet wird, wird das Erhitzen jedoch immer auf
dem zentralen Bereich der Siliciumschmelze im bodenlosen Tiegel
durchgeführt.
Um die Wirkungen des Plasmaerhitzens zu maximieren, ist es effektiv,
die elektromagnetische Kraft in einem Ausmaß zu verringern, bei dem eine
Ausbringung der verfestigten Siliciumblöcke nicht behindert wird, und
die Plasmaheizungsbeschickung sich entsprechend erhöht. In diesem
Fall wurde festgestellt, dass ein fixiertes Erhitzen des zentralen
Bereichs der Siliciumschmelze verursacht, dass Wärme im zentralen Bereich konzentriert
wird, was die konkave Form der Fest/Flüssig-Grenzfläche bemerkenswert anwachsen
lässt,
und eine befriedigende Verbesserung des Verhaltens verhindert.
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Wenn
ein kontinuierliches Gießen
von Silicium unter Verwendung von Transferred-Plasma-Erwärmen gleichzeitig
mit elektromagnetischer Induktionsheizung durchgeführt wird,
wurde außerdem
auch festgestellt, dass die folgenden Probleme in Verbindung mit
dem stromführenden
Weg des Plasmastroms auftreten.
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Wenn
die dem bodenlosen Tiegel zuzuführenden
Silicium-Ausgangsmaterialien unter Verwendung eines Transferred-Plasma-Arc
erhitzt und geschmolzen werden, wird von oben in den bodenlosen
Tiegel ein Lichtbogenplasmabrenner in den bodenlosen Tiegel eingeführt, um
einen Plasmalichtbogen zwischen dem Brenner und der Siliciumschmelze
im bodenlosen Tiegel zu erzeugen. Um diesen Plasmabogen auszubilden, ist
es erforderlich, den Brenner mit einer Elektrode einer Plasma-Stromversorgung
zu verbinden, und die andere Elektrode elektrisch mit dem unter
den bodenlosen Tiegel abgeführten
Siliciumblock zu verbinden, um Strom zu liefern.
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Im
Hinblick auf die Stromversorgungsstruktur an der Blockseite, beschreibt
die
offengelegte japanische Patent
Nr. 1149510 einen Fall, bei dem eine Plasmaelektrode an
der Blockseite an einen mit dem unteren Teil des verfestigten Siliciumblocks
verbundenen Extraktor angebracht ist. Der von dem bodenlosen Tiegel
abgeführte
verfestigte Siliciumblock selbst wird jedoch ein Widerstand zwischen
dem oberen Ende, an dem der verfestigte Siliciumblock die Siliciumschmelze
kontaktiert, und dem Stromzuführungsabschnitt,
bei dem er die Plasmaelektrode kontaktiert, was eine durch den Plasmastrom
verursachte Stromwärme
erzeugt. Der spezifische Widerstand des Siliciums für eine Solarzelle
liegt in der Größenordnung
von 0,5 Ωcm
bis 2,0 Ωcm
bei Normaltemperatur, und dieser spezifische Widerstand erhöht sich,
wenn die Temperatur von Normaltemperatur ansteigt und erreicht in
der Nähe
von 200°C
ein Maximum. Wenn sich die Temperatur weiter erhöht, fällt jedoch der spezifische
Widerstand gegenläufig
ab und verringert sich in der Nähe
des Schmelzpunkts (1410°C)
im Vergleich zu Normaltemperatur um das Dreifache (by triple-digits).
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Das
Anbringen der Plasmaelektrode auf der Blockseite an den Exaktor
verursacht, dass der verfestigte Siliciumblock Wärme über die gesamte Länge ausbildet,
aber die gesamte Länge
des Blocks ist im Falle eines kontinuierlichen Gießens nicht
stabil, was zu einer instabilen Wärmebildung führt. Dies
verursacht schwerwiegende nachteilige Einflüsse auf die Qualität des Blocks.
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In
dem Fall, bei dem die gesamte Länge
des verfestigten Siliciumblocks sich erhöht, wenn das Gießen fortschreitet,
erhöht
sich der stromführende
Abstand vom oberen Ende des verfestigten Blocks zum Stromzuführungsabschnitt,
und der elektrische Widerstand erhöht sich ebenfalls, und deshalb
ist es erforderlich, die Menge (Spannung) der Plasmastromzufuhr
beträchtlich
zu erhöhen,
um eine ausreichende Schmelzwärme
an die Siliciumschmelze auf dem verfestigten Block zu liefern. Diese
Spannungserhöhung
verschlechtert die thermische Effizienz während des Gießens und
verursacht ein ziemlich großes
Problem bei der Herstellung verfestigter Siliciumblöcke hoher
Qualität
mit niedrigen Kosten.
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Der
Versuch, die Kammerhöhe
zu verringern und eine große
Länge des
verfestigten Blocks sicherzustellen, erfordert es, den Stromversorgungsabschnitt
unter der Kammer zu lokalisieren. Wenn Strom unter der Kammer zugeführt wird,
wird der verfestigte Siliciumblock von der Kammer abgeführt, ohne
seine Temperatur zu verringern und eine drastische Temperaturänderung
kann ein Zerplatzen auf der Oberfläche verursachen. Um ein kontinuierliches
Gießen
fortzusetzen, ist es erforderlich, den verfestigten Siliciumblock
unterhalb der Kammer, immer wenn eine bestimmte Länge des
Blocks gegossen ist, abzuschneiden, weil aber die Temperatur sich
in der Schnittzone erhöht,
besteht die Gefahr, dass das Schneidemesser nicht dazu geeignet
ist, der Hitze zu widerstehen, was das Schneiden schwierig macht.
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Eine
Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines kontinuierlichen Gießverfahrens
für Silicium,
das dazu geeignet ist, die konkave Form der Fest/Flüssig-Grenzfläche zu unterdrücken, die
ein Problem beim kontinuierlichen Gießen von Silicium unter Verwendung
einer elektromagnetischen Induktionsheizung ist, und ebenfalls den
Temperaturgradienten in Richtung des Radius der verfestigten Siliciumblöcke sofort
nach der Verfestigung selbst im Falle eines raschen Gießens zu
dampfen, was das Verhal ten verbessert, und man deshalb verfestigte
Siliciumblöcke
hoher Qualität
mit geringen Kosten herstellen kann. Eine weitere Aufgabenstellung
der vorliegenden Erfindung ist es, ein kontinuierliches Gießverfahren
für Silicium
bereitzustellen, das dazu geeignet ist, einen Energieverlust und
eine Hitzeausbildung der verfestigten Blöcke zu dämpfen, wenn Strom an die Blöcke geliefert
wird, was ein Problem darstellt, wenn ein Plasmaerhitzen unter Verwendung
von Transferred-Plasma-Arc verwendet wird, um dadurch verfestigte
Siliciumblöcke
bei geringen Kosten herzustellen.
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Beschreibung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße kontinuierliche
Gießverfahren
für Silicium
verwendet eine Plasmalichtbogenheizung als Wärmequelle, um die Silicum-Ausgangsmaterialien
zu schmelzen, ermöglicht
es, dass die durch diese Wärmequelle
gebildete Siliciumschmelze im bodenlosen Tiegel absinkt und sich
verfestigt, und führt
die verfestigten Siliciumblöcke
aus dem bodenlosen Tiegel kontinuierlich ab, und ist dadurch gekennzeichnet, dass
man einen Lichtbogenplasmabrenner zum Überstreichen auf der Siliciumschmelze
im bodenlosen Tiegel in horizontaler Richtung bewegt.
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Das
erfindungsgemäße kontinuierliche
Gießverfahren
für Silicium
dämmt nicht
nur die Konvektion der Siliciumschmelze durch magnetische Kraft,
sondern verhindert auch das auffallend starke Wachsen der konkaven
Form der Fest/Flüssig-Grenzfläche durch
Plasmalichtbogenheizung durch Lichtbogenplasmabrenner-Überstreichen, und flacht so
die Fest/Flüssig-Grenzfläche ab.
Dieses Abflachen macht es auch möglich, die
Wärmeisolation
der Seite der Blöcke
sofort nach der Verfestigung zu erhöhen. Eine Erhöhung der
Wärmeisolation
auf der Seite der Blöcke
bedeutet ein Verkürzen
der Länge
vom unteren Ende der Induktionsspule zum unteren Ende des bodenlosen
Tiegels, die den Kühlabschnitt
bildet. Dies verringert den Temperaturgradienten in Richtung des
Radius der verfestigten Siliciumblöcke sofort nach der Verfestigung,
was starke Einflüsse
auf die Qualität
einer Solarzelle aufweist, und die Qualität verbessert.
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Das
heißt,
durch Verringern der elektromagnetischen Induktionsheizung und ihr
Kombinieren mit dem Lichtbogenplasmabrenner-Überstreichen ist es möglich, den
gleichen Effekt zu erzielen, wie die Seite der Blöcke sofort
nach der Verfestigung warm zu halten. Selbst im Falle eines raschen
Gießens
macht es das Verhindern des auffallend starken Wachsens der konkaven
Form der Fest/Flüssig-Grenzfläche möglich, eine
hohe Qualität
sicherzustellen. Außerdem
werden zusätzliche
Ausgangsmaterialien wirksam geschmolzen. Als Plasmalichtbogen ist
hier ein Transferred-Plasma-Arc bevorzugt, in dem der verfestigte
Siliciumblock die Gegenelektrode wird. Die Verwendung des Transferred-Plasma-Arc
macht es möglich,
die thermische Effizienz und den Ausstoß für das Siliciumschmelzen auf
einem hohen Niveau zu halten, und verringert außerdem den Verbrauch an Plasmagas.
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Als
Plasmagas wird im allgemeinen Argongas verwendet, aber die Verwendung
von Heliumgas oder einer Kombination Argon/Wasserstoff-Gas erhöht die Wärmemenge
weiter und verbessert das Schmelzverhalten. Als Heizquelle zur Ausbildung
einer Siliciumschmelze innerhalb des bodenlosen Tiegels ist es bevorzugt, eine
elektromagnetische Induktionsheizung und eine Plasmalichtbogenheizung
gleichzeitig zu verwenden. Die elektromagnetische Induktionsleistung
wird aufgrund des Abflachens der Fest/Flüssig-Grenzfläche während des
Gießens
inhibiert, aber eine Verringerung davon auf 0 elminiert die Abstoßungskraft
zwischen dem bodenlosen Tiegel und der Siliciumschmelze, was es
schwieriger macht, die verfestigten Siliciumblöcke auszutragen. Das heißt, während des
Gießens
ist es die am meisten bevorzugte Ausführungsform, hauptsächlich die
Plasmalichtbogenheizung zu verwenden, und die elektomagnetische
Induktionsheizung auf eine minimal erforderliche Ausstoßleistung
zur Ausbildung einer elektromagnetischen Kraft zum Austragen der
verfestigten Siliciumblöcke
zu verringern.
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In
der vorliegenden Erfindung ist das Lichtbogenplasmabrenner-Überstreichung
sowie die Verwendung von Plasma die wichtigste Komponente. Es ist
wünschenswert,
dieses Überstreichen
an dem Randabschnitt durchzuführen,
dessen Abstand von der Innenfläche
des Tiegels zum Mittelpunkt des Brenners 30% oder weniger des Durchmessers
des Tiegels beträgt.
Wenn der Bereich des Überstreichens
zum Zentrumsbereich hin tendiert, wird der Effekt der Verringerung
der konkaven Form der Fest/Flüssig-Grenzfläche ebenfalls
verringert, was es verhindert, dass die Qualität der verfestigten Blöcke sich
zufriedenstellend verbessert. Das zu nahe Bringen des Lichtbogenplasmabrenners
an die Innenfläche
des Tiegels verursacht Probleme, wie z. B., dass der Brenner die
Innenfläche
des Tiegels und einen Seitenbogen kontaktiert, was später beschrieben
wird. Dies ist jedoch abhängig
vom Durchmesser des Brenners und deshalb kann für den Abstand von der Innenfläche des
Tiegels zum Mittelpunkt des Brenners keine spezielle untere Grenze
angegeben werden. Im Hinblick auf den Abstand von der Innenfläche des
Tiegels zur Außenfläche des
Brenners ist es wünschenswert,
einen Abstand von 5 mm oder mehr einzuhalten.
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Die Überstreichungsgeschwindigkeit
des Lichtbogenplasmabrenners beträgt im Durchschnitt vorzugsweise
50 bis 300 cm/min. Im Falle eines Überstreichens mit geringer
Geschwindigkeit von weniger als 50 cm/min häufen sich ungeschmolzene Ausgangsmaterialien
in einem Überstreichzyklus
an, was die Löslichkeit der
Ausgangsmaterialien verschlechtert. Im Falle eines raschen Überstreichens
von mehr als 300 cm/min verschlechtert sich die Löslichkeit
der Ausgangsmaterialien, weil sich die thermische Dichte verringert.
Da der bodenlose Tiegel elektrisch leitfähig ist, stellt eine Plasmalichtbogenheizung
Probleme dar, wie z. B. die Beschädigung der Innenfläche des
Tiegels durch einen Seitenbogen zwischen der Innenfläche des
Tiegels und dem Lichtbogenplasmabrenner und eine Unlöslichkeit
von Silicium. Da die vorliegende Erfindung hauptsächlich den Randabschnitt
entlang der Innenfläche
des Tiegels überstreicht,
ist es wichtig, diesen Seitenbogen zu verhindern. Aus diesem Grund
ist es bevorzugt, den bodenlosen Tiegel von der Schmelzkammer, in
der der bodenlose Tiegel untergebracht ist, elektrisch zu isolieren,
und die positiven und negativen Elektroden des Lichtbogenplasmabrenners
und eine Wärmeisolationsbrennkammer
unter dem bodenlosen Tiegel zu installieren. Es ist besonders bevorzugt,
die Innenfläche
des Tiegels mit einem Schild, wie z. B. einer Quarzplatte, im Bereich oberhalb
des oberen Endes der Induktionsspule zu isolieren, das obere Ende
des Brenners mit einem rohrförmigen
Siliciumschild aus Silicium zu umgeben, um die Isolation zwischen
der Innenseite der Spule und der Innenfläche des Tiegels zu vergrößern.
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Außerdem verwendet
ein zweites hier beschriebenes kontinuierliches Gießverfahren
für Silicium
mindestens einen Plasma-Arc als Heizquelle zum Schmelzen von Silicium-Ausgangsmaterialien,
und ermöglicht es
der in dem bodenlosen Tiegel durch diese Heizquelle gebildeten Siliciumschmelze,
abzusinken und zu verfestigen, und dadurch verfestigte Siliciumblöcke vom
bodenlosen Tiegel kontinuierlich abzuführen, und ist dadurch gekennzeichnet,
dass man es der Plasmaelektrode an der Blockseite ermöglicht,
einen Transferred- Plasma-Arc
auszubilden, um die Oberfläche
des Blocks an einer Stelle zu kontaktieren, bei der die Blocktemperatur
500 bis 900°C
wird.
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Das
zweite kontinuierliche Gießverfahren
für Silicium
inhibiert eine Konvektion der Siliciumschmelze durch elektromagnetische
Kraft und flacht die Fest/Flüssig-Grenzfläche ab.
Dieses Abflachen ermöglicht
auch eine Verstärkung
der Wärmeisolation
der Seite der verfestigten Blöcke.
Eine Erhöhung
der Wärmeisolation
der Seite der verfestigten Blöcke
bedeutet ein Verkürzen
der Länge
vom unteren Ende der Induktionsspule zum unteren Ende des bodenlosen
Tiegels, die den Kühlabschnitt
bildet. Dies verringert den Temperaturgradienten in Richtung des
Radius der verfestigten Siliciumblöcke sofort nach Verfestigung,
was einen starken Einfluss auf die Qualität als Solarzelle verursacht
und die Qualität
verbessert.
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Da
das verwendete Plasma insbesondere ein Transferplasma ist, ist es
möglich,
die thermische Effizienz und die Leistung zum Schmelzen des Siliciums
auf einem hohen Niveau zu halten, und den Verbrauch an Plasmagas
zu verringern. Außerdem
kann auch eine Wärmeisolation
der Blöcke
sofort nach der Verfestigung durch die durch den Plasmastrom, der
durch die verfestigten Siliciumblöcke fließt, gebildete Stromwärme erwartet
werden.
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Obwohl
das zweite kontinuierliche Gießverfahren
für Silicium
eine Plasmaheizung hoher Effizienz unter Verwendung eines solchen
Transferred-Plasma-Arc verwendet, kontaktiert die Plasmaelektrode
an der Blockseite die Oberfläche
des Blocks an einer Stelle, wo die Blocktemperatur 500 bis 900°C wird, oder
vorzugsweise bei einer konstanten Position, wodurch ein signifikanter
Spannungsabfall unter der Elektrodenkontaktposition verhindert wird,
was drastisch den Verbrauch von Plasmaenergie dämmt. Außerdem verringert das Vermeiden
von signifikanter Stromwärme
unter der Elektrodenkontaktposition drastisch die Temperatur, wenn
der Block aus der Kammer ausgeführt
wird, was eine Rissbildung auf der Oberfläche der Blöcke und eine abnormale Abnutzung
des Schneidemessers usw. verhindert.
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Das
heißt,
wenn ein Ansteigen im Spannungsabfall in den Blöcken in Austragsrichtung betrachtet
wird, dann beginnt der Spannungsabfall drastisch von dem Bereich,
in dem die Blocktemperatur auf ungefähr 600°C abfällt, anzusteigen, erreicht
300 V (im Falle eines quadratischen Blocks mit einer Seitenlänge von
16 cm) bei ca. 500°C
und steigt danach kontinuierlich an (siehe 14). Wenn
der Spannungsabfall 300 V übersteigt, wird
das Erhitzen des Blocks selbst auffallend und die Blocktemperatur
fällt nicht
länger
ab. Um diesen hohen Spannungsabfall zu kompensieren, ist es notwendig,
die zugeführte
Spannung zu erhöhen.
Wenn man es der Plasmaelektrode auf der Blockseite ermöglicht,
die Oberfläche
des Blocks in dem Bereich, wo die Blocktemperatur 500°C oder darüber ist,
zu kontaktieren, vermeidet man diesen auffallenden Spannungsabfall
und Stromwärme.
Wenn die Blocktemperatur an der Position des Elektrodenkontakts
jedoch 900°C übersteigt,
ist die Stromzufuhr aufgrund einer thermischen Deformation oder
einem thermischen Erweichen der Elektrode schwierig. Die Blocktemperatur
bedeutet eine Oberflächentemperatur.
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Die
Plasmaelektrode an der Seite des Blocks kontaktiert die Oberfläche des
Blocks bei einer hohen Temperatur und ruft Bewegungen relativ zur
Oberfläche
des Blocks hervor, und deshalb ist es erforderlich, thermischen
Widerstand und einen hohen Temperaturabnützungswiderstand in Betracht
zu ziehen. Deshalb ist es wünschenswert,
eine Plasmaelektrode an der Blockseite zu verwenden, die die Oberfläche des
Blocks durch eine elastische Kraft eines Metalls oder einer Walze
aus einem elektrisch leitfähigen
Material, wie z. B. Metall und Graphit, elastisch kontaktiert.
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Als
Heizquelle zur Ausbildung einer Siliciumschmelze innerhalb des bodenlosen
Tiegels ist es wünschenswert,
eine elektromagnetische Induktionsheizung und eine Plasmalichtbogenheizung
gleichzeitig zu verwenden. Während
des Gießens
wird die elektromagnetische Induktion-Ausstoß-Leistung gedämmt, um eine
konkave Form der Fest/Flüssig-Grenzfläche zu verhindern,
aber eine Reduktion davon auf 0 würde die Rückstoßkraft eliminieren, die zwischen
dem bodenlosen Tiegel und der Siliciumschmelze wirkt, und macht
es schwieriger, die verfestigten Siliciumblöcke auszuführen. Das heißt, die
am meisten bevorzugte Arbeitsweise ist es, während des Gießens hauptsächlich eine
Plasmalichtbogenheizung zu verwenden, und die elektromagnetische
Induktionsheizung auf die minimal erforderliche Ausstoßleistung
zur Ausbildung einer elektromagnetischen Kraft zum Austragen der
verfestigten Siliciumblöcke
zu verringern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm einer kontinuierlichen Gießvorrichtung, die zur Durchführung des
erfindungsgemäßen kontinuierlichen
Gießverfahrens
für Silicium
geeignet ist;
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2 ist
ein Längsquerschnitt
eines oberen Teils der Vorrichtung, die einen Vorgang während des
anfänglichen
Schmelzens zeigt;
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3 ist
ein Längsquerschnitt
des oberen Teils der Vorrichtung, der einen Vorgang während des
Gießens zeigt;
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4 ist
eine Ansicht in der A-A-Pfeilrichtung der 3;
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5 ist
ein Blockdiagramm einer anderen kontinuierlichen Gießvorrichtung,
die zur Durchführung des
erfindungsgemäßen kontinuierlichen
Gießverfahrens
für Silicium
geeignet ist;
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6 ist
ein Diagramm, das die Tiefe der Einbuchtung der Fest/Flüssig-Grenzfläche in einem
bodenlosen Tiegel gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
und gemäß einem
Vergleichsverfahren zeigt;
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7 ist
ein Diagramm, das das Verhältnis
zwischen der Temperaturdifferenz in Richtung des Radius des verfestigten
Blocks sofort nach der Verfestigung, und der Größe des verfestigten Blocks
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
und gemäß einem
Vergleichsverfahren zeigt;
-
8 ist
ein Diagramm, das das Verhältnis
zwischen der Länge
eines Kühlabschnitts
des bodenlosen Tiegels und der Qualität des verfestigten Blocks zeigt,
wenn Induktionsheizung und Plasmabogenheizung gleichzeitig verwendet
werden, und wenn ein Brennerüberstreichen
bei der Plasmaheizung durchgeführt
wird;
-
9 ist
ein Diagramm, das das Verhältnis
zwischen der Gießgeschwindigkeit
und der Qualität
des verfestigten Blocks gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
und einem Vergleichsverfahren zeigt;
-
10 ist
ein Blockdiagramm einer kontinuierlichen Gießvorrichtung, die zur Durchführung eines zweiten
kontinuierlichen Gießverfahrens
für Silicium
geeignet ist;
-
11 ist
ein detailliertes Blockdiagramm des Energieversorgungsabschnitts
der vorstehend beschriebenen kontinuierlichen Gießvorrichtung;
-
12 ist
ein detailliertes Blockdiagramm des Energieversorgungsabschnitts,
das eine weitere Energieversorgungsstruktur zeigt;
-
13 ist
ein detailliertes Blockdiagramm des Energieversorgungsabschnitts,
das eine weitere Energieversorgungsstruktur zeigt;
-
14 ist
ein Diagramm, das den Einfluss der Kontaktposition einer Elektrode,
die einen verfestigten Siliciumblock kontaktiert, auf die Temperaturverteilung
in axialer Richtung des verfestigten Blocks zeigt; und
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15 ist
ein Diagramm eines konzeptierten kontinuierlichen Gießverfahrens
für Silicium
unter Verwendung einer elektromagnetischen Induktionsheizung.
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Beste Ausführungsform der Erfindung
-
Unter
Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen werden nun nachstehend
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung erläutert.
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Das
erfindungsgemäße kontinuierliche
Gießverfahren
für Silicium
wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 erläutert.
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1 ist
ein Blockdiagramm einer kontinuierliche Geißvorrichtung, die zur Durchführung des
erfindungsgemäßen kontinuierliche
Geißverfahrens
für Silicium
geeignet ist. 2 ist ein Längsschnitt des oberen Teils
der Vorrichtung, der einen Vorgang während des anfänglichen
Schmelzens zeigt, 3 ist ein Längsschnitt des oberen Teils
der Vorrichtung, die einen Vorgang während des Gießens zeigt,
und 4 ist eine Ansicht in A-A-Pfeilrichtung der 3.
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1 zeigt,
dass die kontinuierliche Gießvorrichtung
mit einer Kammer 101 zum Beibehalten einer Gießatmosphäre versehen
ist. Um diese Gießatmosphäre beizubehalten,
wird ein inertes Gas in der Kammer 101 von einem Gaseinlass 101a zu
einem Gasauslass 101b zirkulieren gelassen. Innerhalb der
Kammer 101 ist ein quadratförmiger röhrenförmiger bodenloser Tiegel 103 mit
einer Induktionsspule 102 kombiniert. Unter dem bodenlosen
Tiegel 103 ist eine erste Wärmeisolations-Brennkammer 105 auf
der Basis eines Induktionsheizsystems mit einer Induktionsspule 104 vorhanden,
und darunter befindet sich eine zweite Wärmeisolations-Brennkammer 106 vom
Temperaturgradient-Typ.
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Der
bodenlose Tiegel 103 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material,
wie z. B. Kupfer, und bildet verfestigte Siliciumblöcke 112 kontinuierlich
in Kooperation mit der Induktionsspule 102 und einem Lichtbogenplasmabrenner 109 aus,
was später
beschrieben wird. Für
diese Herstellung wird der bodenlose Tiegel 103 mit Kühlwasser
wassergekühlt,
das innerhalb zirkuliert und in Umfangsrichtung, mit Ausnahme des
oberen Teils, in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt ist. Der
bodenlose Tiegel 103 ist außerdem von der ersten Wärmeisolations-Brennkammer 105 darunter
mittels eines Isoliermaterials 107 isoliert. Silicium-Ausgangsmaterialien 113 werden
aus einem Ausgangsmaterialtrichter, der an der Außenseite
der Kammer 101 vorgesehen ist, über einen Kanal 108 in
den bodenlosen Tiegel 103 eingebracht. Um die eingebrachten
Ausgangsmaterialien zu erhitzen, ist der Lichtbogenplasmabrenner 109 vertikal
von oben in den bodenlosen Tiegel 103 eingeführt.
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Der
Lichtbogenplasmabrenner 109 ist ein solcher vom Transfer-Typ
und mit der Kathode der Stromversorgung 110 verbunden.
Die Anode der Plasmastromversorgung 110 ist mit Stützvorrichtungen 111, 111 verbunden,
um die verfestigten Siliciumblöcke 112 unter
der Kammer 101 zu stützen,
und geerdet. Der Lichtbogenplasmabrenner 109 wird angetrieben,
um in zwei X-, Y-Richtungen zum horizontalen Überstreichen zu schwenken,
und wird angetrieben, um sich gerade in Z-Richtung aufsteigend und
absteigend zu bewegen. Als nächstes
wird das Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung verfestigter
Siliciumblöcke 112 unter
Verwendung der kontinuierliche Gießvorrichtung erläutert.
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Wie
in 2 gezeigt, wird zunächst ein anfänglicher
Pseudo-Block 114 in der ersten Wärmeisolations-Brennkammer 105 angebracht,
um die verfestigten Siliciumblöcke
zu stützen.
Anfängliche
Ausgangsmaterialien 116 werden auf den anfänglichen
Pseudo-Blöcken 114 angebracht.
Die anfänglichen
Ausgangsmaterialien 116 werden in den bodenlosen Tiegel 103 gegeben
und innerhalb der Induktionsspule 102 angeordnet. Der anfängliche
Pseudo-Block 114 ist mechanisch mit einer Unterlage und
einem darunter befindlichen Austragungsstab (nicht dargestellt)
verbunden.
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Wenn
die vorstehend beschriebene Anordnung vollständig ist, wird der Lichtbogenplasmabrenner 109 gegen
den Zentrumsbereich der oberen Oberfläche der anfänglichen Ausgangsmaterialien 116 gerichtet,
um den Lichtbogen zwischen dem Lichtbogenplasmabrenner 109 und
den anfänglichen
Ausgangsmaterialien 116 auszubilden. Um einen Seitenbogen
zwischen dem Lichtbogenplasmabrenner 109 und der Innenfläche des bodenlosen
Tiegels 103 zu verhindern, wird ein Quarzschild 118 auf
die Innenfläche
des Tiegels vom oberen Ende der Induktionsspule 102 nach
oben aufgetragen, damit der Lichtbogenplasmabrenner 109 von
der Innenfläche
des Tiegels oberhalb der Induktionsspule 102 isoliert ist.
-
Wenn
zwischen dem Lichtbogenplasmabrenner 109 und den anfänglichen
Ausgangsmaterialien 116 ein Plasmalichtbogen ausgebildet
wird, werden die anfänglichen
Ausgangsmaterialien 116 geschmolzen, und auf denn anfänglichen
Pseudo-Block 114 wird eine Siliciumschmelze 119 ausgebildet
(siehe 1). Wenn die anfänglichen Ausgangsmaterialien 116 geschmolzen
sind, fällt
ihr elektrischer Widerstand ab, und deshalb wird der Plasmalichtbogen
stabilisiert und die Gefahr eines Seitenbogens wird verringert.
-
Um
das Schmelzen der anfänglichen
Ausgangsmaterialien 116 zu fördern, wird der Lichtbogenplasmabrenner 109 zum Überstreichen
in horizontaler Richtung entlang der Innenfläche des bodenlosen Tiegels 103 bewegt
(siehe 4). Da der bodenlose Tiegel 103 von den
umgebenden elektrisch leitfähigen
Objekten, einschließlich
der darunter befindlichen Isolations-Brennkammer, elektrisch isoliert
ist, und außerdem
an seiner Innenfläche
mit dem aus Quarz ausgebildeten Schild 118 versehen ist,
wird sogar dann, wenn die Umgebung der Innenfläche durch den Lichtbogenplasmabrenner 109 überstrichen
wird, kein Seitenbogen gebildet.
-
Wenn
das obige anfängliche
Schmelzen, wie in 3 und 4 gezeigt,
beendet ist, wird die innerhalb der Spule im bodenlosen Tiegel 103 gebildete
Siliciumschmelze 119 allmählich zur Verfestigung nach
unten gelassen. Zur gleichen Zeit werden die Silicium-Ausgangsmaterialien 113 zusätzlich in
die Siliciumschmelze 119 eingebracht, und die zusätzlichen
Ausgangsmaterialien werden durch die gleichzeitige Verwendung von
Induktionsheizung durch eine Kombination der Induktionsspule 102 und
dem bodenlosen Tiegel 103 und der Plasmaheizung durch den
Lichtbogenplasmabrenner 109 geschmolzen. Beim Weiterführen dieses
Vorgangs werden die verfestigten Siliciumblöcke 112 kontinuierlich
aus dem bodenlosen Tiegel 103 ausgeführt. Diese verfestigten Siliciumblöcke 112 bewegen
sich fortgesetzt nach unten, während
sie durch die erste Wärmeisolations-Brennkammer 105 und
die darunter befindliche zweite Wärmeisolations-Brennkammer 106 warm gehalten
werden, und werden unterhalb der Kammer 101 abgeführt.
-
Die
unidirektional verfestigten Siliciumblöcke 112 werden somit
kontinuierlich hergestellt.
-
Während dieses
Gießens
wird der Lichtbogenplasmabrenner 109 zum Plasmaerhitzen
zum Überstreichen
in horizontaler Richtung entlang der Innenfläche des bodenlosen Tiegels 103 oberhalb
der Siliciumschmelze 119 innerhalb des bodenlosen Tiegels 103 bewegt.
Aufgrund des Überstreichens
des Lichtbogenplas mabrenners 109 wird die nach unten gerichtete
konkave Form der Fest/Flüssig-Grenzfläche innerhalb
des bodenlosen Tiegels 103 drastisch verringert, und sogar
im Falle eines raschen Gießens
wirksam abgeflacht. Dieses Abflachen machte es möglich, die Länge vom
unteren Ende der Spule bis zum unteren Ende des Tiegels, die den
Kühlabschnitt
des bodenlosen Tiegels 103 bildet, zu verringern, und verstärkt eine
Wärmeisolation
der Seite der verfestigten Blöcke.
Dies dämmt
den Temperaturgradienten in Richtung des Radius der verfestigten
Blöcke
sofort nach der Verfestigung, was einen starken Einfluss auf die
Qualität
als Solarzelle besitzt und die Qualität verbessert. Darüber hinaus
kann diese hohe Qualität
mit geringeren Kosten durch ein rasches Gießen erzielt werden.
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Zum
Zeitpunkt der Beendigung des Gießens wird das Einbringen der
Silicium-Ausgangsmaterialien 113 beendet, und die Siliciumschmelze 119 im
bodenlosen Tiegel 103 kann absinken und sich verfestigen.
Zu diesem Zeitpunkt wird der Lichtbogenplasmabrenner 109 abgesenkt,
wenn die Siliciumschmelze 119 absinkt.
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1 bis 4 zeigen
den Fall, bei dem die festen Silicium-Ausgangsmaterialien 113 direkt
in den bodenlosen Tiegel 103 eingeführt werden, aber, wie in 5 gezeigt,
ist es auch möglich,
die festen Silicium-Ausgangsmaterialien 113 in
einem wassergekühlten
Schmelzraum 120 durch einen Lichtbogenplasmabrenner 121 zu
schmelzen, und diese Siliciumschmelze 122 der Siliciumschmelze 119 innerhalb
des bodenlosen Tiegels 103 zuzugeben.
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Die 6 ist
ein Diagramm, das die Tiefe der Ausbuchtung der Fest/Flüssig-Grenzfläche im bodenlosen
Tiegel gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
und einem Vergleichsverfahren zeigt. Die Größe des verfestigten Blocks
beträgt
16 cm pro Seitenlänge
und die Gießgeschwindigkeit
beträgt
2 mm/min. Die Länge vom
unteren Ende der Spule bis zum unteren Ende des Tiegels, die den
Kühlabschnitt
des bodenlosen Tiegels bildet, beträgt 17 cm (konstant).
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Im
Falle einer alleinigen Induktionsheizung wird die Fest/Flüssig-Grenzfläche im bodenlosen
Tiegel vom unteren Ende der Spule in einer Tiefe von 100 mm oder
mehr ausgebaucht. Diese Ausbauchung kann unter Verwendung von gleichzeitigem
Plasmaerhitzen und Verringern des Induktionsheizung-Energieausstoßes verringert
werden, aber wenn Plasmaerhitzen auf den zentralen Bereich fixiert
ist, beträgt
die Ausbuchtung nahezu 100 mm. Ein Bewegen des Lichtbogenplasmabrenners
zum Überstreichen
entlang der Innenfläche des
Tiegels verringert dies Einbuchtung jedoch um nahezu die Hälfte der
Ausbuchtung im Falle der Verwendung einer Induktionsheizung allein.
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7 ist
ein Diagramm, das das Verhältnis
zwischen der Temperaturdifferenz in Richtung des Radius des verfestigten
Blocks unmittelbar nach der Verfestigung und der Größe des verfestigten
Blocks gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
und gemäß einem
Vergleichsverfahren zeigt. Diese Temperaturdifferenz ist die Differenz
(Tc – Ts)
zwischen der Temperatur Tc des zentralen Bereichs auf dem Abschnitt,
der durch das Zentrum der Fest/Flüssig-Grenzfläche verläuft, und
der Temperatur Ts der Seite des verfestigten Blocks, und der Temperaturgradient ΔT in Richtung
des Radius wird unter Verwendung des Radius r des verfestigten Blocks als ΔT = (Tc – Ts)/r
ausgedrückt.
Der Radius des verfestigten Blocks beträgt, wenn der verfestigte Block
ein Quadrat ist, 1/2 der Länge
einer Seite.
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Wenn
die Arbeitsweise des Gießens
die gleiche ist, ist der Temperaturgradient ΔT in Richtung des Radius grundsätzlich der
gleiche, und deshalb erhöht
sich die Temperaturdifferenz (Tc – Ts), wenn sich die Größe des verfestigten
Blocks erhöht.
Der Temperaturgradient ΔT
in Richtung des Radius sofort nach der Verfestigung ist, im Falle,
in dem die Induktionsheizung und die Plasmaheizung kombiniert sind,
geringer als wenn nur die Induktionsheizung als Arbeitsweise des
Gießens
verwendet wird, und ist besonders gering, wenn ein Brennerüberstreichen
unter Verwendung des Plasmaheizens durchgeführt wird.
-
Wenn
der Temperaturgradient ΔT
auf der Basis der Temperaturdifferenzen für verschiedene Größen von
verfestigten Blöcken
berechnet wird, beträgt ΔT 19 bis
24°C/cm,
wenn nur eine Induktionsheizung verwendet wird, während ΔT auf 12
bis 16°C/cm
verringert wird, wenn eine Plasmaheizung in Kombination verwendet wird.
-
Tabelle
1 zeigt das Verhältnis
zwischen den Messergebnissen des Temperaturgradienten ΔT und der Konversionseffizienz
des hergestellten verfestigten Siliciumblocks als Solarzelle, wenn
die Größe des verfestigten
Blocks 16 cm Seitenlänge
und die Gießgeschwindigkeit
2 mm/min beträgt.
Der Temperaturgradient ΔT erreicht
ein Minimum und die Konversionseffizienz ist beträchtlich
hoch, wenn Induktionsheizung und Plasmaheizung in Kombination verwendet
werden und mit dieser Plasmaheizung ein Brennerüberstreichen durchgeführt wird. Tabelle 1
| | Überstreichposition
(innere Oberfläche
des Tiegels zum Mittelpunkt des Brenners (cm) | Verhältnis der Überstreichposition
zum Durchmesser des Tiegels (%) | Überstreichgeschwindigkeit (cm/min) | Ausgangsmaterial-Schmelzsituation | Tiefe
der Fest/Flüssig-Grenzfläche (mm) |
| Beispiele
der vorliegenden Erfindung | 3 | 18,8 | 50 | ; | 70 |
| 3 | 18,8 | 100 | T | 71 |
| 3 | 18,8 | 300 | ; | 69 |
| 4 | 25 | 100 | T | 79 |
| 5 | 31,3 | 100 | ; | 85 |
| 3 | 18,8 | 400 | < | 70 |
| 3 | 18,8 | 30 | < | 71 |
| Vergleichsbeispiele | | | | x | 94 |
-
8 ist
ein Diagramm, das das Verhältnis
zwischen der Länge
des Kühlabschnitts
des bodenlosen Tiegels und der Qualität des verfestigten Blocks zeigt,
wenn Induktionsheizung und Plasmaheizung gleichzeitig verwendet
werden, und wenn mit dieser Plasmaheizung ein Brennerüberstreichen
durchgeführt
wird. Die Größe des verfestigten
Blocks beträgt
16 cm pro Seitenlänge
und die Gießgeschwindigkeit
beträgt
2 mm/min. Die Länge
des Kühlabschnitts
des bodenlosen Tiegels ist der Abstand vom unteren Ende der Spule
zum unteren Ende des Tiegels. Da dieser Abschnitt einen Wärmeverlust
von der Oberfläche
des verfestigten Blocks sofort nach der Verfestigung fördert, ist
es im Hinblick auf die Qualität
des verfestigten Blocks bevorzugt, einen kürzeren Kühlabschnitt zu haben, aber
wenn er zu kurz ist, kann die verfestigte Schale brechen und eine
Leckage der Schmelze verursachen.
-
Wenn
Induktionsheizung und Plasmaheizung in Kombination verwendet werden,
und das Brennerüberstreichen
unter Verwendung dieser Plasmaheizung durchgeführt wird, kann die Länge dieses
Kühlabschnitts
auf 4 cm verkürzt
werden, was verfestigte Blöcke
mit einer höheren
Qualität
ergibt. Darüber
hinaus werden verfestigte Blöcke
einer vergleichsweise hohen Qualität sogar bei einer Länge von
13 cm erhalten. Wenn die Länge
des Kühlabschnitts
zu groß ist,
kann ein Aufplatzen aufgrund einer zu raschen Kühlung auftreten. Die zulässige minimale
Länge des
Kühlabschnitts
gemäß dem Vergleichsverfahren
beträgt
8 cm im Falle einer Induktionsheizung allein und 5 cm im Falle einer
kombinierten Verwendung von Induktionsheizung und Plasmaheizung
und einem fixierten Brenner (kein Überstreichen).
-
9 ist
ein Diagramm, das das Verhältnis
zwischen der Gießgeschwindigkeit
und der Blockqualität gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
und gemäß einem
Vergleichsverfahren zeigt. In beiden Fällen verringert sich, wenn
die Gießgeschwindigkeit
einen spezifischen kritischen Wert überschreitet, die Konversionseffizienz
drastisch, aber im Falle der Induktionsheizung allein beginnt diese
Reduzierung bei einer Gießgeschwindigkeit
von 2 mm/min und die Konversionseffizienz verbleibt sogar bei einer
Gießgeschwindigkeit,
die gleich oder geringer ist als dieser kritische Wert, bei 13%.
Wenn die Induktionsheizung und die Plasmaheizung in Kombination
verwendet werden, beginnt die Konversionseffizienz abzufallen, und
die kritische Geschwindigkeit erhöht sich, und gleichzeitig verbessert
sich die Konversionseffizienz auch bei einer Geschwindigkeit von
gleich oder geringer als die kritische Geschwindigkeit. Insbesondere,
wenn ein Brennerüberstreichen
mit Plasmaerhitzen durchgeführt
wird, wird bei einer Gießgeschwindigkeit
von 5 mm/min oder weniger eine Konversionseffizienz von 13,5% erhalten,
und eine Konversionseffizienz, die 14% übersteigt, wird bei einer Gießgeschwindigkeit
von 4 mm/min oder weniger erhalten.
-
Das
Ergebnis einer Untersuchung der Beeinflussung der Bedingungen des
Lichtbogenplasmabrenner-Überstreichens
auf die Tiefe der Ausbuchtung der Fest/Flüssig-Grenzfläche und
der Ausgangsmaterial-Schmelzsituation
wird nun erläutert.
-
Wenn
ein verfestigter Block mit einer Seitenlänge von 16 mm mit einer Gießgeschwindigkeit
von 2 mm/min hergestellt wird, werden Induktionsheizung und Plasmaheizung
in Kombination verwendet, und der Lichtbogenplasmabrenner wurde
zum Überstreichen
entlang der inneren Fläche
des Tiegels in einem quadratischen Verlauf bewegt. Der Innendurchmesser
des Tiegels beträgt
16 cm (Länge
einer Seite) und der Außendurchmesser
des Brenners beträgt
5 cm. Der Überstreichweg
wird ausgedrückt
durch den Abstand (Überstreichposition)
von der Innenfläche
des Tiegels zum Mittelpunkt des Brenners und das Verhältnis dieses
Abstands zum Innendurchmesser des Tiegels. Wenn dieser Abstand 2,5
cm oder darunter beträgt,
berührt
der Brenner die Innenfläche
des Tiegels. Tabelle 2 zeigt das Untersuchungsergebnis.
-
In
einem Vergleichsbeispiel, bei dem der Brenner im zentralen Bereich
fixiert ist, beträgt
die Tiefe der Ausbuchtung der Fest/Flüssig-Grenzfläche nahe
10 mm (siehe
6). Am Rand bleiben die Ausgangsmaterialien
ungeschmolzen. Im Gegensatz dazu wird gemäß der vorliegenden Erfindung,
bei der der Brenner auf quadratischem Weg entlang der Innenfläche des
Tiegels um den zentralen Bereich bewegt wird, die Tiefe der Ausbuchtung
der Fest/Flüssig-Grenzfläche verringert,
und die Schmelzsituation des Ausgangsmaterials verbessert sich ebenfalls.
Insbesondere, wenn der Abstand von der Innenfläche des Tiegels zum Mittelpunkt
des Brenners 30% oder weniger des Innendurchmessers des Tiegels
beträgt
(hier ca. 5 cm oder weniger), wird die Tiefe der Ausbuchtung der
Fest/Flüssig-Grenzfläche besonders
verringert, und die Schmelzsituati on des Ausgangsmaterials ist auch
günstig.
Selbst wenn der Überstreichbereich
optimal ist, verringert sich jedoch, wenn die Überstreichgeschwindigkeit zu
hoch oder zu niedrig ist, die Löslichkeit
des Ausgangsmaterials. Tabelle 2
| Heizmethode | Temperaturgradient
in radialer Richtung (°C/min) | Konversionseffizienz
(%) |
| Plasma
(Überstreichen)
+ elektromagnetische Induktion | 7,0 | 14,5 |
| Plasma
(fixiert) + elektromagnetische Induktion | 8,6 | 14,2 |
| Elektromagnetische
Induktion | 10,1 | 13,8 |
-
Tabelle
3 zeigt das Untersuchungsergebnis der Einflüsse des Energieausstoß-Verhältnisses,
wenn Induktionsheizung und Plasmaheizung in Kombination verwendet
werden, auf die Tiefe der Einbuchtung der Fest/Flüssig-Grenzfläche und
die Qualität
der verfestigten Blöcke.
Der Energieausstoß der
Induktionsheizung wird ausgedrückt
als Pi und der Energieausstoß der
Plasmaheizung wird mit Pp ausgedrückt. Die Größe des verfestigten Blocks
beträgt
16 cm pro Seite, die Induktionsfrequenz beträgt 20 kHz und die Gießgeschwindigkeit
beträgt
2 mm/min, und während
des Plasmaheizens wurde der Brenner bewegt. Tabelle 3
| Pi
(kW) | Pp
(kW) | Pp/Pi | Tiefe
Fest/Flüssig-Grenzfläche der
(mm) | Konversionseffizienz
(%) |
| 230 | 0 | 0 | 138 | 13,7 |
| 150 | 25 | 0,17 | 125 | 13,8 |
| 100 | 46 | 0,46 | 112 | 14,2 |
| 70 | 60 | 0,86 | 106 | 14,5 |
| 70 | 72 | 1,03 | 135 | 13,7 |
-
Wenn
der Energieausstoß des
Plasmaerhitzens Pp 0 ist, muss der Energieausstoß des Induktionserhitzens Pi
230 kW betragen. Als Ergebnis reicht die Tiefe der Ausbuchtung der
Fest/Flüssig-Grenzfläche 138 mm
und die Konversionseffizienz bleibt bei 13,7%. Die gleichzeitige
Verwendung von Plasmaheizung macht es möglich, den Energieausstoß Pi der
Induktionsheizung zu verringern, und als Ergebnis wird die Tiefe
der Ausbuchtung der Fest/Flüssig-Grenzfläche verringert,
während
die Konversionseffizienz verbessert wird. Im Vergleich mit dem Energieausstoß der Plasmaheizung
Pp ist die Reduktionsbreite des Energieausstoßes der Induktionsheizung Pi
groß,
der Energieausstoß Pp
des Plasmaheizens beträgt
ca. 40 kW und der Energieausstoß der
Induktionsheizung Pi wird von anfänglichen 230 kW auf die Hälfte reduziert.
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Der
Energieausstoß der
Plasmaheizung Pp soll vorzugsweise 0,15 oder darüber sein im Hinblick auf das
Verhältnis
zum Energieausstoß der
Induktionsheizung (Pp/Pi). Ein extremer Anstieg des Energieausstoßes der
Plasmaheizung Pp schwächt
jedoch die Rückstoßkraft des
Energieausstoßes
der Induktionsheizung Pi und verschlechtert das Austragsverhalten
der verfestigten Blöcke
aus dem bodenlosen Tiegel, und deshalb soll die obere Grenze des
Energieausstoßes
der Plasmaheizung Pp im Hinblick auf das Verhältnis zum Energieausstoß der Induktionsheizung
Pi (Pp/Pi) vorzugsweise 0,9 oder weniger betragen.
-
Der
Energieausstoß der
Induktionsheizung Pi besitzt ferner einen minimal notwendigen Energieausstoß. Gemäß Tabelle
3 beträgt
er 70 kW. Dies ist einer Verringerung der Pinchkraft aufgrund einer
Verringerung des Energieausstoßes
der Induktionsheizung Pi und der durch eine erhöhte Austragswärme aufgrund
einer Vergrößerung der
Kontaktfläche
mit dem wassergekühlten
Kupfertiegel bedingten Gegenwart ungeschmolzener Ausgangsmaterialien
zuzuschreiben. Wenn der Energieausstoß der Plasmaheizung Pp unter
dieser Bedingung erhöht
wird, wird die Fest/Flüssig-Grenzfläche vertieft,
und die Konversionseffizienz verschlechtert sich ebenfalls. Als
Gegenmaßnahme
dafür ist
es wirksam, die Induktionsfrequenz zu verringern. Eine Verringerung
der Induktionsfrequenz erhöht
den Spulenstrom sogar wenn der Energieausstoß unverändert bleibt, und deshalb erhöht sich
die Pinchkraft, was es möglich
macht, den Energieausstoß der
Plasmaheizung Pp weiter zu erhöhen.
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Es
wird jetzt eine Ausführungsform
eines zweiten kontinuierliche Gießverfahrens für Silicium
unter Verwendung der 10 bis 14 erläutert.
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10 ist
ein Blockdiagramm einer kontinuierliche Gießvorrichtung, die zur Durchführung des
zweiten kontinuierliche Gießverfahrens
für Silicium
geeignet ist, und 11 ist ein detailliertes Blockdiagramm
des Energieversorgungsdurchschnitts der gleichen kontinuierlichen
Gießvorrichtung.
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Wie
in 10 dargestellt, wird die Vorrichtung zum kontinuierlichen
Gießen
für eine
kontinuierliche Herstellung verfestigter Siliciumblöcke 220 für eine Solarzelle
verwendet. Innerhalb der Kammer 201 zur Aufrechterhaltung
einer Gießatmosphäre ist ein
quadratischer röhrenförmiger bodenloser
Tiegel 203 mit einer Induktionsspule 202 kombiniert
angebracht, gefolgt von einem Erhitzer 204 für eine Wärmeisolation
unter dem bodenlosen Tiegel 203.
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Die
verfestigten Siliciumblöcke 220 werden
innerhalb des bodenlosen Tiegels 203 durch die kombinierte
Verwendung einer elektromagnetischen Induktionsheizung und einer
Plasmaheizung hergestellt und unter die Kammer 201 durch
Stützvorrichtungen 206, 206 für verfestigte
Blöcke
nach unten ausgeführt,
während sie
durch den Erhitzer 204 thermisch isoliert sind.
-
Der
bodenlose Tiegel 203 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material,
wie z. B. Kupfer, für
eine elektromagnetische Induktionsheizung und wird mit Kühlwasser,
das innerhalb zirkuliert und mit Ausnahme des oberen Teils in Umfangsrichtung
in eine Vielzahl von Anteilen unterteilt ist, wassergekühlt. Die
Silicium-Ausgangsmaterialien 221 werden
aus einem Ausgangsmaterialtrichter 205, der außerhalb
der Kammer 201 vorgesehen ist, durch einen Kanal in den
bodenlosen Tiegel 203 eingebracht. Um die eingebrachten
Ausgangsmaterialien zu erhitzen und zu schmelzen, ist in Zusammenwirkung
mit der Induktionsspule 202 ein Lichtbogenplasmabrenner 207 vertikal
von oben in den bodenlosen Tiegel 203 eingeführt.
-
Der
Lichtbogenplasmabrenner 207 ist ein solcher vom Transfer-Typ
und mit der Kathode der Plasma-Stromversorgung 208 verbunden.
Die Anode der Plasma-Stromversorgung 208 ist mit einer
Plasmaelektrode 210 auf der Seite des verfestigten Blocks
verbunden. Diese Elektrode 210 kontaktiert die Oberfläche der unterhalb
des bodenlosen Tiegels 203 ausgebrachten verfestigten Siliciumblöcke an einer
fixierten Position.
-
Die
Kontaktposition der Elektroden 210 liegt innerhalb der
Kammer 201, in der die Temperatur der verfestigten Blöcke 900
bis 500°C
wird.
-
Wie
in 11 dargestellt, weist die Elektrode 210 eine
solche detaillierte Struktur auf, dass eine Vielzahl von Kontaktteilen 212, 212 in
und an der Oberfläche
eines Basisteils 211, der gegen die Oberfläche der verfestigten
Siliciumblöcke 220 gerichtet
ist, als Elektrode 210 implantiert und fixiert wird. Das
Basisteil 211 ist aus einem elektrisch leitfähigen Metall,
wie z. B. Kupfer, hergestellt und wird mit Kühlwasser, das innerhalb zirkuliert,
gekühlt
und ist elektrisch mit der Anode der vorstehend erwähnten Plasma-Stromversorgung 208 verbunden.
Die Mehrzahl der Kontaktteile 212, 212, die als
Elektrode 210 funktionieren, sind dünne leitfähige Metallbleche, die mit
Elastizität
versehen sind, in bestimmten Abständen in vertikaler Richtung,
in der die verfestigten Siliciumblöcke 220 sich bewegen,
parallel angeordnet und kontaktieren die Oberfläche der verfestigten Siliciumblöcke 220 elastisch.
Wie vorstehend beschrieben, entspricht die Kontaktposition dem Bereich
in der Kammer 202, worin die Temperatur der verfestigten
Blöcke
im Bereich von 900 bis 500°C
liegt.
-
Es
wird nun das Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung der verfestigten
Siliciumblöcke 220 unter Verwendung
dieser Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen erläutert.
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Als
erstes wird ein Dummy-Material von unten in den bodenlosen Tiegel 203 eingeführt und
darauf gestellte anfängliche
Ausgangsmaterialien werden unter Verwendung des Lichtbogenplasmabrenners 207 und der
Induktionsspule 202 geschmolzen und innerhalb des bodenlosen
Tiegels 203 wird eine Siliciumschmelze 222 ausgebildet.
Während
die Induktionsspule 202 elektromagnetische Kraft an die
Siliciumschmelze 222 abgibt, wird die Siliciumschmelze 222 allmählich absinken
gelassen, um sich zu verfestigen. Zur gleichen Zeit werden die Silicium-Ausgangsmaterialien 221 zusätzlich in
die Siliciumschmelze 222 eingebracht, und diese zusätzlichen
Ausgangsmaterialien werden unter Verwendung der elektromagnetischen
Induktionsheizung durch die Induktionsspule 202 und die
Plasmaheizung durch den Lichtbogenplasmabrenner 207 in
Kombination geschmolzen.
-
Bein
Fortsetzen dieses Vorgangs werden die verfestigten Siliciumblöcke 220 kontinuierlich
aus dem bodenlosen Tiegel 203 ausgeführt. Diese verfestigten Siliciumblöcke 220 werden
durch den darunter befindlichen Erhitzer 204 warm gehalten
und sinken ab und werden unter der Kammer 201 ausgebracht.
Wenn die Siliciumblöcke 220 einer
bestimmten Länge
unterhalb der Kammer 201 hergestellt sind, werden die verfestigten
Siliciumblöcke 220 durch
ein Rotationsschneidemesser 209 direkt unterhalb der Kammer 201 geschnitten. Während dieses
Gießens
werden die als Elektrode 210 fungierenden Kontaktteile 212, 212 nach
unten gebogen, wenn die verfestigten Siliciumblöcke 220 absinken und
Kontaktieren den Hochtemperaturabschnitt (900 bis 500°C) der Oberfläche der
verfestigten Blöcke
elastisch, ohne das Absinken zu verhindern oder eine Beschädigung zu
verursachen, und liefern an die verfestigten Siliciumblöcke 220 verlässlich Strom.
Auf diese Weise fließt
ein Plasmastrom von der Anode der Plasmastromversorgung 208 über die
Elektrode 210, die verfestigten Siliciumblöcke 220,
die Siliciumschmelze 222, den Lichtbogenplasmabrenner 207 zur
Kathode der Plasma-Stromversorgung 208 und bildet einen
DC-Stromkreis. Als Ergebnis fließt der Plasmastrom restriktiv durch
den Hochtemperaturabschnitt des verfestigten Siliciumblocks 220 von
der Kontaktposition der Elektrode 210 zum oberen Ende.
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Da
der spezifische Widerstand in diesem Hochtemperaturabschnitt relativ
gering ist, ist der Spannungsabfall durch den Plasmastrom gering.
Ein Anstieg der zugeführten
Spannung zur Kompensation dieses Spannungsabfalls ist deshalb gering,
was den Stromverbrauch dämpft.
Die Wärmemenge
durch Energiezufuhr ist ebenfalls gering, und deshalb wird die Temperatur
der verfestigten Blöcke,
wenn sie aus der Kammer 201 ausgeführt sind, auf ein Niveau verringert,
das nahe zu dem Fall ist, bei dem eine Plasmaheizung nicht durchgeführt wird,
was ein Aufplatzen an der Oberfläche
der verfestigten Blöcke
durch einen thermischen Schock während
des Ausführens
verhindert. Auch wenn die verfestigten Siliciumblöcke 220 durch
das Schneidemesser 209 geschnitten werden, sinkt die Temperatur
am Schneideabschnitt ab, was eine abnormale Abnutzung des Schneidemessers 209 verhindert.
Der Abstand vom oberen Ende zur Kontaktposition ist außerdem konstant
und der gesamte Widerstand dieses Abschnitts variiert nicht, und
deshalb variiert die Wärmemenge
nicht, wenn das Gießen
fortschreitet. Dies verhindert auch eine durch Variationen in der
Wärmemenge
verursachte Verschlechterung der Qualität.
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12 und 13 zeigen
detaillierte Blockdiagramme anderer Stromversorgungen.
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12 zeigt
eine Walze 213, die als an der Seite des Basisteils 211 angebrachte
Elektrode 210 dient. Um die Walze 213 gegen die
Oberfläche
der verfestigten Siliciumblöcke 220 zu
drücken,
wird das Basisteil 211 mittels einer Feder 214 gegen
die Stirnseite gepresst. Die Walze 213 besteht aus einem
weichen elektrisch leitfähigen
Metall, wie z. B. Kupfer, und wird durch eine parallel zur Oberfläche der
Blöcke
verlaufenden horizontalen Welle 215 auf eine solche Weise
gestützt,
dass sie frei drehbar ist, wenn der verfestigte Siliciumblock 220 absinkt.
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13 zeigt
eine Vielzahl elastischer Kontaktteile 212, die auf der
Umfangsfläche
der Walze 213 in bestimmten Intervallen implantiert sind.
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In
beiden Stromversorgungsstrukturen kontaktiert die Elektrode 210 die
Hochtemperaturoberfläche der
verfestigten Blöcke,
ohne das Absinken zu verhindern oder Schäden an den verfestigten Siliciumblöcken 220 zu
verursachen, und liefert verlässlich
Strom an die verfestigten Siliciumblöcke 220.
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14 ist
ein Diagramm, das die Einflüsse
der Kontaktposition einer Elektrode, die einen verfestigten Siliciumblock
kontaktiert, auf die Temperaturverteilung in axialer Richtung des
verfestigten Blocks einer Seitenlänge von 16 cm (Gießgeschwindigkeit
2 mm/min) zeigt.
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In
der Zeichnung zeigt die strichlierte Linie eine Temperaturverteilung
in der axialen Richtung, wenn die Plasmaelektrode die Oberfläche des
verfestigten Blocks nicht kontaktiert, d. h., für den Fall, dass ohne Plasmaheizung
kein Strom zugeführt
wird. Die nach rechts abfallende dicke Linie zeigt eine Temperaturverteilung
in der axialen Richtung, wenn die Plasmaelektrode die Oberfläche des
verfestigten Blocks an einer Position von ca. 500°C außerhalb
der Kammer 6 m oder mehr entfernt vom oberen Ende kontaktiert. Die
nach rechts aufsteigende dicke Linie zeigt einen Spannungsabfall
im verfestigten Block in der letzteren als Bezug.
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Im
Fall, dass ohne Plasmaheizung kein Strom zugeführt wird, sinkt die Temperatur
des verfestigten Blocks allmählich
und stetig von ihrem Maximum von 1410° am oberen Ende, das die Siliciumschmelze
kontaktiert, an einer Position von 4 m, wo der Block aus der Kammer
ausgeführt
wird, auf 200°C
ab. Bei dieser Temperatur wird, selbst wenn der Block aus der Kammer
ausgeführt
wird, kein Aufplatzen aufgrund thermi schen Schocks an der Oberfläche des
Blocks auftreten. Darüber
hinaus tritt, selbst wenn der Block unter der Kammer geschnitten
wird, keine abnormale Abnutzung oder eine Beschädigung des Schneidemessers
auf.
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Wenn
die Plasmaerhitzung durchgeführt
wird, wird der Temperaturabfall, wenn die Elektrode die Oberfläche des
Blocks an einer Position von ca. 500°C außerhalb der Kammer 6 m oder
mehr vom oberen Ende entfernt kontaktiert, der Temperaturabfall
des verfestigten Blocks innerhalb der Kammer jedoch beträchtlich verlangsamt.
Die Temperatur fällt
von einer Position, insbesondere von 5 m an, kaum. Als Ergebnis
verbleibt, selbst bei einer Position von 4 m von der Stelle, wo
der Block ausgeführt
wird, die Temperatur des Blocks bei 600°C. Dies deshalb, weil die Temperatur
des Blocks an der Position von 5 m 500°C wird, und nach dieser Position
ein Spannungsabfall im Block 300 V übersteigt, und die Ausbildung
von Stromwärme
durch einen Plasmastrom auffällig
stark wird.
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Ein
Ausführen
des Blocks aus der Kammer unter dieser Hochtemperaturbedingung erhöht das Risiko, dass
durch einen thermischen Schock an der Oberfläche ein Aufplatzen stattfindet.
Andererseits kann, wenn der Block unter der Kammer geschnitten wird,
eine abnormale Abnutzung des Schneidemessers aufgrund der hohen
Temperatur des Blocks auftreten. Darüber hinaus muss die zugeführte Spannung
beträchtlich
erhöht werden,
um den Spannungsabfall an und nach der Position von 5 m zu kompensieren,
was ein Problem eines Energieverlusts darstellt.
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Im
Gegensatz dazu sinkt die Temperatur des Blocks bei ➀ bis ➃,
wo die Elektrode die Oberfläche
des Blocks bei einer Position von 500°C oder höher kontaktiert, drastisch
nach der Kontaktposition, wie durch eine dünne Linie gezeigt, ab. Als
Ergebnis sinkt die Temperatur des Blocks an der Position von 4 m
von der Stelle, wo der Block aus der Kammer ausgeführt wird,
selbst im Fall ➃, wo die Elektrode die Oberfläche des
Blocks bei der Position von 500°C
kontaktiert, auf 400°C
ab, während
im Fall von ➀ und ➁, wo die Elektrode die Oberfläche des
Blocks bei den Positionen von 900 und 800°C kontaktiert, die Temperatur
des Blocks unter 300°C fällt, was
kaum verschieden ist von dem Fall, bei dem kein Strom zugeführt wird.
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Somit
werden, obwohl eine Plasmalichtbogenheizung durchgeführt wird,
die mit der Heizung verbundenen Probleme, wie z. B. ein Energieverlust
und ein Erhitzen von verfestigten Blöcken, gelöst.
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Im
Fall von 5, wo die Elektrode die Oberfläche des Blocks bei einer Position
bei einer Temperatur von weniger als 500°C kontaktiert, wird in den verfestigten
Blöcken
eine hohe Stromwärme
oberhalb der Kontaktposition hervorgerufen, und der Temperaturabfall
ist nicht ausreichend, und deshalb sinkt die Temperatur des verfestigten
Blocks, wenn er aus der Kammer ausgeführt wird, nicht ausreichend
ab. Außerdem
ist ein großer Spannungsabfall
vorhanden, was einen übermäßigen Energieverlust
verursacht.
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Es
muss nicht darauf hingewiesen werden, dass eine Kombination des
erfindungsgemäßen kontinuierlichen
Gießverfahrens
für Silicium
und des zweiten kontinuierlichen Geißverfahrens für Silicium
noch effektiver ist.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Wie
vorstehend erläutert,
schwächt
und flacht das erfindungsgemäße kontinuierliche
Geißverfahren für Silicium
die konkave Form der Fest/Flüssig-Grenzfläche, die
ein Problem bei der Induktionsheizung ist, ab. Dieses Abflachen
macht es möglich,
den Kühlabschnitt
des bodenlosen Tiegels zu verringern, was die Wärmeisolierung auf der Seite
der verfestigten Blöcke
sofort nach der Verfestigung erhöht.
Dadurch mil dern diese Charakteristika den Temperaturgradienten in
Richtung des Radius der verfestigten Blöcke sofort nach der Verfestigung
auch im Fall eines schnellen Gießens ab und verbessern die
Qualität
als Solarzelle. Dieses Verfahren ermöglicht es somit, verfestigte
Siliciumblöcke
mit hoher Qualität
mit einem hohen Effizienzgrad und mit geringen Kosten herzustellen.
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Das
zweite kontinuierliche Gießverfahren
für Silicium
verwendet außerdem
Transfer-Plasma-Lichtbogen (Transferred-Plasma-Arc) als Heizquelle
zur Bildung einer Siliciumschmelze innerhalb des bodenlosen Tiegels,
wodurch die konkave Form der Fest/Flüssig-Grenzfläche, die
ein Problem bei der Induktionsheizung darstellt, abgeschwächt und
abgeflacht wird. Dieses Abflachen ermöglicht es auch, den Kühlabschnitt
des bodenlosen Tiegels zu verringern, was die Wärmeisolation auf der Seite
der verfestigten Blöcke
unmittelbar nach der Verfestigung erhöht. Selbst im Fall eines schnellen
Gießens
mildern diese Charakteristika den Temperaturgradienten in Richtung
des Radius der verfestigten Blöcke
sofort nach Verfestigung ab und verbessern die Qualität als Solarzelle.
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Indern
man es der Plasmaelektrode ermöglicht,
die Oberfläche
der verfestigten Blöcke,
deren Temperatur innerhalb des Bereichs von 900 bis 500°C fällt, ermöglicht dies
vor allem eine stabile Dämpfung
der Stromwärmeheizung
der verfestigten Blöcke,
die ein großes
Problem für
Transfer-Plasma-Lichtbögen
darstellt, und verhindert das Aufplatzen verfestigter Blöcke und
eine abnormale Abnutzung des Schneidemessers. Dieses Verfahren dämpft auch
den Energieverlust einer Plasma-Stromversorgung bei einem beträchtlichen
Spannungsabfall und erhöht
die thermische Effizienz.
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Das
zweite kontinuierliche Gießverfahren
sowie das erfindungsgemäße kontinuierliche
Gießverfahren für Silicium
ermöglichen
somit die Herstellung von verfestigten Siliciumblöcken mit
hoher Qualität
mit einem hohen Effizienzgrad und mit geringeren Kosten.