TWI593840B - N-type polycrystalline silicon ingot device and ingot method - Google Patents

Description

N型多晶矽鑄錠裝置及鑄錠方法

本發明提供一種太陽能晶錠的鑄錠裝置及方法，特別是指一種具有二次投料設備的N型多晶矽鑄錠裝置及鑄錠方法。

隨著替代性能源使用量的增長，太陽能因建構成本相對較低，與快速回本等優勢，進而成為極具成本優勢的替代能源；在眾多太陽能電池材料中，矽基太陽能電池，因其具有光電轉換效率高，技術發展成熟等優勢，成為目前太陽能電池製作廣泛使用的材料。

矽晶鑄錠的製作，是將高純度的矽原料，通過耐高溫坩堝熔融，調控製備條件，進行矽晶鑄錠程序，藉以生產具有良好材料應力與光電轉換率的太陽能電池材料。

在多晶矽鑄錠上，所面臨的考驗在於如何增加晶錠利用率，降低生產成本，同時減低偏析、調控晶錠內電阻值分佈範圍，進而提升光電轉換效率。目前廣泛使用的多晶矽鑄錠方法，是以加入摻雜劑方式進行製備，在矽原料中加入IIIA族元素，例如：硼、鎵等元素，來製備P型多晶矽；或是加入VA族元素，例如：磷、砷等元素，來製備N型多晶矽。然而，在N型多晶矽鑄錠過程中，VA族摻雜劑因為偏析係數小，造成該元素在晶錠內分佈不均，導致電阻值分佈範圍過大，影響晶錠的利用率。在過往的矽料添加程序中，一方面無法及時調控摻雜劑比例，達到縮小電阻值分佈 範圍的目的，影響光電轉換率；另一方面，直接固態投料會造成矽料與鑄錠爐矽液間的溫度差異過大，從而產生材料應力及熱場效應，進而使結晶缺陷增加，減低了多晶錠的可利用率，同時增加了生產成本與時間成本。

為解決上述問題，本發明提出一種N型多晶矽鑄錠裝置及鑄錠方法，利用本發明可以降低晶錠中摻雜劑所造成的應力、解決熱場效應等相關影響。

本發明提出的N型多晶矽鑄錠裝置，包括：鑄錠爐，所述鑄錠爐內設有坩堝，所述鑄錠爐頂端設有儲料倉用於存放矽料，所述儲料倉與所述坩堝連接有輸料管，所述儲料倉的矽料投料由出料閥控制，所述鑄錠爐的頂端設置有高功率雷射單元，所述高功率雷射單元設置有雷射源，所述雷射源用於對自儲料倉投入坩堝的矽料進行輻射掃描，以輻射掃描方式對投入坩堝的矽料進行加熱熔融；所述儲料倉的外部分別設有真空抽氣閥與惰性氣體進氣閥，所述儲料倉還設有加熱單元用於對儲料倉的矽料進行預加熱。

所述坩堝為氮化矽坩堝或石英坩堝。

所述儲料倉的頂部還設有一加料口，用於可隨時補充矽料，以進行連續性投料。

所述高功率雷射的雷射源可週期性地移動掃描。

所述鑄錠爐有一觀察窗，所述高功率雷射的雷射源是透過所述觀察窗輻射掃描。

本發明還提供了一種利用本發明裝置的鑄錠方法，包括以下 步驟：(1)在鑄錠爐的坩堝內填入多晶矽料以及磷摻雜劑；(2)對坩堝內的多晶矽料進行加熱熔化；(3)對儲料倉多晶矽料進行預熱，同時對儲料倉進行真空抽氣，並通入惰性氣體；(4)當坩堝的N型多晶矽晶體生長至坩堝約1/2高度時，暫停長晶程序；(5)當儲料倉的多晶矽料進行預熱至一定溫度時，開啟出料閥，將所述儲料倉內的矽料，通過輸料管投料至所述鑄錠爐的坩堝內；(6)透過高功率雷射，以輻射掃描方式對投入的固態矽料進行加熱熔融，以調整N型多晶矽錠中的摻雜劑濃度；(7)啟動所述鑄錠爐設備內的加熱器，使鑄錠爐的坩堝溫度回升到投料前的溫度，繼續多晶矽錠的長晶程序。

重複(5)-(7)的步驟，分批多次將所述儲料倉內的矽料投料至所述鑄錠爐的坩堝中。

利用本發明的鑄錠裝置與鑄錠方法，所產生的效益在於：對N型多晶矽鑄錠程序進行改進，在原有裝置上增加了二次投料設備，利用矽料固、液相密度不同的物理特性，密度較小的固態矽料漂浮於密度大的矽液上，通過高功率雷射熔融程序，熔化漂浮於矽液表面的矽料，使矽料以熔融態與鑄錠爐坩堝中的矽液混合後，進行鑄錠程序；分批投料以及雷射熔融矽料的步驟，可避免快速投料時，固態矽料與矽液間溫度差造成的熱場效應，減少N型多晶矽錠應力，同時增加坩堝填料量，提升多晶錠單次生產量；另一方面，藉由連續投料，控制投料的速度與時程，均勻調控摻雜劑分佈，降低摻雜元素偏析。

1‧‧‧鑄錠爐

2‧‧‧氮化矽坩堝

3‧‧‧儲料倉

4‧‧‧輸料管

5‧‧‧出料閥

6‧‧‧高功率雷射單元

7‧‧‧雷射入射光源

8‧‧‧鑄錠爐觀察窗

9‧‧‧儲料倉加料口

10‧‧‧真空抽氣閥

11‧‧‧惰性氣體進氣閥

12‧‧‧儲料倉加熱單元

圖1為本發明N型多晶矽鑄錠裝置結構示意圖。

圖2為本發明N型多晶矽鑄錠裝置的儲料倉示意圖。

圖3為本發明N型多晶矽鑄錠裝置的儲料倉、雷射加熱單元以及鑄錠爐構件示意圖。

本發明提出了一種N型多晶矽鑄錠裝置及鑄錠方法，為充分說明本發明的發明理念，以下配合附圖對本發明之具體實施方式進行說明。

請參閱圖1及圖2，本發明N型多晶矽鑄錠裝置，包括：鑄錠爐1，鑄錠爐1內設有坩堝2，坩堝2可為氮化矽坩堝、石英坩堝或其他材質的坩堝，鑄錠爐1頂端設有儲料倉3用於放置矽料，儲料倉3頂部設有加料口9，外部設有加熱單元12，倉體外部上下兩側分別設有真空抽氣閥10與惰性氣體進氣閥11，儲料倉3與坩堝2連接有輸料管4，輸料管4設有一個出料閥5，儲料倉3矽料投料時可以由出料閥5進行控制，鑄錠爐1頂端設置有高功率雷射6。

請繼續參閱圖3，於鑄錠爐1頂部設置的高功率雷射6其雷射源7通過鑄錠爐觀察窗8以輻射掃描方式對投入的矽料進行加熱熔融，熔化投入坩堝2內因固、液相矽料間密度差而漂浮的固相矽料，使固相矽料以熔融態與坩堝2內的矽液混合。為了進一步使輻射掃描的範圍能夠擴大，高功率雷射6的雷射源7設置成可週期性地移動掃描，以確保投入的固相矽料皆能接收到雷射光源進行加熱熔融。

以下以實施例具體說明利用本發明N型多晶矽鑄錠裝置進行N型多晶矽鑄錠的方法及其步驟：(1)在鑄錠爐1的坩堝2內填入一定重量(約400kg)的多晶矽料以及磷摻雜劑，磷摻雜劑含量調控在一定範圍內(約0.16ppma)或可依實際鑄錠的需要調控在其他特定的含量；(2)啟動鑄錠爐1內 的加熱器(未圖示)，熔化鑄錠爐1的坩堝2內的矽料，進行N型多晶矽鑄錠程序，並將晶體生長速度調控在一定速度(約1.2cm/h)以內；(3)啟動儲料倉3內的加熱單元12，對儲料倉3內的矽料進行預熱程序，將儲料倉3內的矽料逐步加熱至約1200℃，同時透過真空抽氣閥10對儲料倉3進行真空抽氣，並透過惰性氣體進氣閥11通入惰性氣體(例如：氬氣)以排除氧氣；(4)當鑄錠爐1內的N型多晶矽晶體生長至坩堝2約1/2高度時(約為17-18cm)，暫停長晶程序，開啟出料閥5進行二次投料程序，將儲料倉3已預熱至約1200℃的矽料通過輸料管4投料至鑄錠爐1內的坩堝2內，此時因投入坩堝2內的固態矽料的密度(2.33g/cm3)低於坩堝2內液態矽料的密度(2.57g/cm3)，所以固態矽料會漂浮於矽液表面；(5)完成矽料投料過程中，利用固態矽料漂浮於矽液表面的特性透過高功率雷射6，波長為0.7-1.0μm，通過鑄錠爐1的觀察窗8，以輻射掃描對投入的漂浮矽料進行熔融程式，將固態矽料熔化，使之與鑄錠爐坩堝2內的矽液混合，藉以調整N型多晶矽錠中的摻雜劑濃度；(6)完成投料後，關閉出料閥5，停止雷射掃描熔化矽料程序，並啟動鑄錠爐1內的加熱器，等待鑄錠爐1內坩堝2溫度回升到投料前的溫度，繼續多晶矽錠的長晶程序，此時長晶速度亦調控在約1.2cm/h以內；(7)必要時可以重複(4)-(6)的步驟，分批多次將儲料倉3的矽料投料至鑄錠爐1內的坩堝2當中，同時進行雷射輻射掃描熔化矽料程序，直到達到多晶矽錠一定的高度(約35cm)為止；(8)多晶矽錠完成鑄錠之後，進行退火以及冷卻程序，等到溫度降低至室溫之後，將多晶錠取出脫模，即完成N型多晶矽鑄錠程序。

綜合上述，本發明所提出的N型多晶矽鑄錠裝置，在原有鑄錠爐設備上增加了二次投料裝置，利用固態矽料漂浮於矽液上的物理特 性，通過雷射加熱程序熔化投入的矽料，使矽料以熔融態與鑄錠爐1坩堝2中的矽液混合後，進行鑄錠程序，同時可以通過分批投料以及雷射加熱熔化的步驟，避免投入的矽料與矽液間溫度差造成的熱場效應，降低多晶矽應力，增加晶錠利用率，降低生產成本；同時藉由連續投料，控制投料的速度與時程，可均勻調控摻雜劑分佈，減少摻雜元素偏析。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，凡在相同發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

1‧‧‧鑄錠爐

2‧‧‧氮化矽坩堝

3‧‧‧儲料倉

4‧‧‧輸料管

5‧‧‧出料閥

6‧‧‧高功率雷射單元

Claims (9)

1. 一種N型多晶矽鑄錠裝置，包括：鑄錠爐，所述鑄錠爐內設有坩堝，所述鑄錠爐頂端設有儲料倉用於存放矽料，所述儲料倉與所述坩堝連接有輸料管，所述儲料倉的矽料投料由出料閥控制，其特徵在於，所述鑄錠爐的頂端設置有高功率雷射單元，所述高功率雷射單元設置有雷射源，所述雷射源用於對自儲料倉投入坩堝的矽料進行輻射掃描，以輻射掃描方式對投入坩堝的矽料進行加熱熔融；所述儲料倉的外部分別設有真空抽氣閥與惰性氣體進氣閥，所述儲料倉還設有加熱單元用於對儲料倉的矽料進行預加熱。
2. 如申請專利範圍第1項所述之N型多晶矽鑄錠裝置，其中所述坩堝為氮化矽坩堝或石英坩堝。
3. 如申請專利範圍第1項所述之N型多晶矽鑄錠裝置，其中所述儲料倉的頂部還設有一加料口，用於可隨時補充矽料，以進行連續性投料。
4. 如申請專利範圍第1項所述之N型多晶矽鑄錠裝置，其中所述高功率雷射的雷射源可週期性地移動掃描。
5. 如申請專利範圍第1項所述之N型多晶矽鑄錠裝置，其中所述鑄錠爐有一觀察窗，所述高功率雷射的雷射源是透過所述觀察窗輻射掃描。
6. 一種根據申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之N型多晶矽鑄錠裝置鑄造N型多晶矽晶錠之方法，包括以下步驟：利用高功率雷射單元的雷射源對所投入的預加熱固態矽料進行輻射加熱，以熔化自儲料倉投入坩堝的矽料，使所述矽料以熔融態與所述鑄錠爐內的坩堝中的矽液混合。
7. 如申請專利範圍第6項所述之鑄造N型多晶矽晶錠之方法，其中所述高功 率雷射的雷射源，波長為0.7-1.0μm。
8. 一種根據申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之N型多晶矽鑄錠裝置鑄造N型多晶矽晶錠之方法，包括以下步驟：(1)在鑄錠爐的坩堝內填入多晶矽料以及磷摻雜劑；(2)對坩堝內的多晶矽料進行加熱熔化；(3)對儲料倉多晶矽料進行預熱，同時對儲料倉進行真空抽氣，並通入惰性氣體；(4)當坩堝的N型多晶矽晶體生長至坩堝約1/2高度時，暫停長晶程序；(5)當儲料倉的多晶矽料進行預熱至一定溫度時，開啟出料閥，將所述儲料倉內的矽料，通過輸料管投料至所述鑄錠爐的坩堝內；(6)透過高功率雷射，以輻射掃描方式對投入的固態矽料進行加熱熔融，以調整N型多晶矽錠中的摻雜劑濃度；(7)啟動所述鑄錠爐設備內的加熱器，使鑄錠爐的坩堝溫度回升到投料前的溫度，繼續多晶矽錠的長晶程序。
9. 如申請專利範圍第8項所述之鑄造N型多晶矽晶錠之方法，進一步包括：重複(5)-(7)的步驟，分批多次將所述儲料倉內的矽料投料至所述鑄錠爐的坩堝中。