定向凝固系統(tǒng)和方法
【專利說明】定向凝固系統(tǒng)和方法
[0001] 優(yōu)先權的要求
[0002] 本申請要求于2013年3月14日提交的美國臨時專利申請第61/784, 838號的優(yōu) 先權權益，其通過引用整體并入本文。 柳的]背景
[0004] 通過利用太陽能電池把太陽光轉(zhuǎn)換為電能的能力，太陽能電池可W是可行的能量 來源。娃是半導體材料和在太陽能電池制造中使用的進貨原料；電池的電特性即轉(zhuǎn)換效率 關鍵地取決于娃的純度。多種技術已經(jīng)被用于純化娃。最熟知的技術被稱為'西口子工藝'。 該技術允許幾乎除去每個在娃內(nèi)存在的雜質(zhì)。然而，該技術要求把娃生產(chǎn)為氣相，并且再沉 積為固相W除去雜質(zhì)。在本專利中描述的技術允許通過把娃烙融為液相，并且使用被稱為 '定向凝固'的技術凝固娃，從而非常有效地除去雜質(zhì)。雖然該技術是非常熟知的，但是本專 利集中于允許大大減少該程序成本的采用定向凝固的新方式。
[0005] 用于制造太陽能電池的純化的娃晶體的技術是已知的。運些技術的大多數(shù)按W下 原理操作：娃晶體在從烙融的娃溶液凝固的同時，非期望的雜質(zhì)保留在烙融溶液中。第一示 例性技術，浮區(qū)技術，可W被用于制造單晶娃錠，使用運動的液體來推動雜質(zhì)朝向模具的邊 緣W進行除去。另一示例性技術，提拉法（Czoc虹alski)技術，可用于制造單晶娃錠，其使 用從烙融溶液緩慢地拉動出來的晶種，允許娃的單晶柱形成同時把雜質(zhì)留在溶液中。另外 的示例性技術，如化idgeman或熱交換器技術，可用于制造多晶娃錠，其通過產(chǎn)生具有受控 的冷卻速率的溫度梯度導致定向凝固。
[0006] 附圖簡述
[0007] 在附圖中，同樣的數(shù)字可用于描述在所有的多個視圖中的相似的元件。具有不同 的字母后綴的同樣的數(shù)字可W被用于表示相似的元件的不同視圖。附圖W實施例的方式但 是不W限制的方式，大體上圖示了在本文件中討論的各種實施方案。
[0008] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方案的系統(tǒng)的等距視圖。
[0009] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方案的模具的橫截面。
[0010] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方案的加熱器的俯視圖。
[0011] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方案的加熱器的側(cè)視圖。
[0012] 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方案的系統(tǒng)的側(cè)視圖。
[0013] 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方案的模具的側(cè)視圖。
[0014] 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方案的模具的基部的等距視圖。 陽〇1引詳細描述
[0016] 在W下的詳細描述中，參照附圖。附圖形成描述的一部分，并且W圖示的方式而不W限制的方式提供。附圖實施方案W足夠的細節(jié)描述W使本領域的技術人員能夠?qū)嵺`本發(fā) 明的主題?？刹捎闷渌麑嵤┓桨福⑶铱勺鞒鰴C械、結(jié)構或材料的改變，而不偏離本專利文 件的范圍。
[0017] 現(xiàn)在將詳細地參照所公開的主題的某些實施例，其中某些圖示于附圖中。雖然將 主要參照附圖來描述所公開的主題，但是應當理解，運樣的描述不意圖使所公開的主題局 限于運些附圖。相反地，所公開的主題意圖覆蓋所有的替代形式、修改和等效物，其可W被 包括在本文公開的主題的范圍內(nèi)，如權利要求書所限定的。
[001引在說明書中提及"一個實施方案"、"實施方案"、"示例性實施方案"等等是指所描 述的實施方案可W包括特定的特征、結(jié)構或特性，但是可W不一定每個實施方案都包括該 特定的特征、結(jié)構或特性。此外，運樣的短語不一定指同一個實施方案。此外，當關于實施 方案而描述特定的特征、結(jié)構或特性時，無論是否被明確地描述，應認為參照其他實施方案 影響運樣的特征、結(jié)構或特性在本領域的技術人員的知識內(nèi)。
[0019] 在本文件中，術語"一（a)"或"一個（an)"被用于包括一個或多于一個，并且術語 "或"被用于指代非排他性的"或"，除非另有指示。此外，應理解，本文采用的沒有另外定義 的措辭或術語僅用于描述的目的而不用于限制的目的。
[0020] 本發(fā)明的主題設及用于采用定向凝固技術純化娃，同時保持固體-液體界面遍及 模具的一致行進的模具、模具系統(tǒng)和相關的方法。來源于定向凝固的純化娃可用于太陽能 電池中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過控制模具內(nèi)的溫度梯度，可實現(xiàn)高度受控的定向凝固。雖然在下文 的實施例中最詳細地描述娃的純化，但是所描述的系統(tǒng)和方法也可用于其他材料如藍寶石 的定向凝固和純化。
[0021] 定向結(jié)晶通常從底部行進至頂部，因此期望的溫度梯度在底部具有較低的溫度且 在頂部具有較高的溫度。對溫度梯度的高度控制和相應的定向結(jié)晶可W有利地允許更有效 的定向凝固，導致具有更高純度的娃。
[0022] 圖1圖示了用于娃的定向凝固的模具系統(tǒng)100的具體實施方案。該系統(tǒng)可W包括 定位在模具120的頂部上或附近的頂部加熱器110。頂部加熱器110可W被一個或多個鏈 條101支撐，所述鏈條101在第一端部上與豎直結(jié)構構件103的孔102曬合。鏈條101在 本實施例中形成馬勒化ridle)，允許頂部加熱器110通過使用起重機或其他抬升系統(tǒng)被移 動。系統(tǒng)100可W也例如通過在把頂部加熱器110留在模具120上的同時把模具120放置 在叉車或杠桿式升降機上被移動。篩箱106可W環(huán)繞頂部加熱器110的從模具外套突出的 加熱構件的端部，保護使用者抵抗在運些構件的端部中和附近存在的熱和電。
[0023] 豎直結(jié)構構件103可W從頂部加熱器110的底部邊緣延伸至頂部加熱器110的頂 部邊緣。豎直結(jié)構構件103可W位于頂部加熱器110的模具外套的外表面上，并且可W在 垂直于該外表面的方向向外延伸。頂部加熱器可W也包括位于頂部加熱器110的模具外套 的外表面上的水平結(jié)構構件104,并且可W在垂直于該外表面的方向向外延伸。
[0024] 頂部加熱器110可W包括形成加熱器的模具外套的一部分的凸緣（Iip) 105。凸 緣可W從模具外套向外突出，并且可W朝向頂部加熱器110的中屯、軸線向內(nèi)延伸，使得其 覆蓋任何存在的隔熱部的厚度?？蛇x擇地，凸緣105可W僅向內(nèi)延伸，足W覆蓋頂部加熱器 110的模具外套的底部邊緣。 陽0巧]在圖1中描繪的實施方案中，從模具120的隔熱部111可W在頂部加熱器110和 模具120之間延伸。在各種實施例中，模具120的一個或多個隔熱層111的至少一部分可 W在模具的外套的高度上方延伸。類似于頂部加熱器110,模具120可W包括豎直結(jié)構構 件112。豎直結(jié)構構件112可W位于模具120的外套的外表面上，并且可W在垂直于該外表 面的方向向外延伸。豎直結(jié)構構件112可W從模具120的底部邊緣延伸至模具120的頂部 邊緣。模具112可W也包括一個或多個水平結(jié)構構件113。水平結(jié)構構件113被示出為在 模具120的外套的外表面上，從模具外套向外延伸。水平結(jié)構構件113可W水平地圍繞圓 柱形的模具112的外周或沿著非圓柱形的模具的一個或多個側(cè)部延伸。模具112可W也包 括十字交叉的底部結(jié)構構件114、115。底部結(jié)構構件114、115可W延伸跨越模具112的底 部。底部結(jié)構構件115中的某些可W被控制形狀和大小W允許叉車或杠桿式升降機或其他 機器物理地操縱（例如運動）系統(tǒng)100。 陽0%] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的模具200。模具200包括包圍底部212 和壁隔熱結(jié)構220的模具外套210,模具外套210包括側(cè)壁201和底板202。在一個實施例 中，側(cè)壁201和底板202被一體地形成。在另一個實施例中，側(cè)壁201和底板202被螺栓連 接，或W其他方式機械地連接在一起W形成模具外套210。
[0027] 模具200界定在模具200內(nèi)的內(nèi)部部分201 W容納一定量的烙融娃。在一個實施 例中，壁隔熱結(jié)構220是包含被定位為緊鄰彼此的多種不同材料的復合結(jié)構。復合的壁隔 熱結(jié)構220的一個優(yōu)點包括，通過選擇復合結(jié)構的單個部件的材料和幾何構型來控制熱梯 度的能力。復合的壁隔熱結(jié)構220的另一個優(yōu)點包括，減少模具成本的能力。把更高成本、 高耐熱性的材料用于烙融娃將與該處接觸的暴露的表面上，而使具有較低耐熱性、較低成 本的材料在復合結(jié)構遠離烙融娃前行處形成層狀。
[0028] 在一個實施例中，壁隔熱結(jié)構220的厚度從模具200的具有第一厚度224的外緣 222至具有比第一厚度224薄的第二厚度228的與底部212的底部界面226呈錐形。在一 個實施例中，第二厚度比第一厚度薄約25 %。在操作中，壁隔熱結(jié)構220的錐形提供了熱梯 度，其在定向凝固期間提供在娃中液體-固體界面的期望的行進。在一個實施例中，壁隔熱 結(jié)構220的錐形在烙融物的頂部附近提供更多的隔熱W把烙融物的表面保持在液態(tài)，而在 與底部212的底部界面附近提供較少的隔熱，W幫助在模具200的底部處的冷卻。
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