專利名稱：帶控溫籽晶裝置的單晶鑄錠爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于太陽(yáng)能電池片鑄錠生產(chǎn)的帶控溫籽晶裝置的單晶鑄錠爐。多晶硅鑄錠爐是生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的主要設(shè)備之一，鑄錠硅片已逐步取代單晶硅片成為最主要的光伏電池材料，本實(shí)用新型屬于太陽(yáng)能電池設(shè)備制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
公知的多晶硅定向凝固法鑄錠爐是由爐體、位于所述的爐體內(nèi)的坩堝、加熱器、 坩堝和加熱器四周的隔熱材料、控制、冷卻系統(tǒng)等組成。相比于其它硅晶體生長(zhǎng)方法(如直拉單晶)，傳統(tǒng)多晶硅鑄錠爐的優(yōu)點(diǎn)是；單爐次產(chǎn)能大(可達(dá)數(shù)百公斤)，切片損耗較單晶少(不存在頭尾料和切方的損耗)，單位能耗低。定向凝固法多晶硅鑄錠爐工藝過(guò)程是；所述加熱器對(duì)裝入所述的坩堝內(nèi)的硅進(jìn)行加熱；硅原料在真空狀態(tài)或惰性氣體保護(hù)下熔化， 然后在嚴(yán)格控制的溫度場(chǎng)中定向結(jié)晶，凝固成硅錠，定向結(jié)晶硅錠經(jīng)切片等工序后即可制成太陽(yáng)能電池。其中從裝爐到出爐工藝分為幾個(gè)階段；1.加熱、2.融化、3.定向結(jié)晶生長(zhǎng)、 4.退火和冷卻；但是，由于多晶硅鑄錠爐在定向結(jié)晶凝固成硅錠過(guò)程中，熔融硅在一定過(guò)冷度下自然成核，成核是隨機(jī)的而且數(shù)量龐大，得到的硅錠是晶體數(shù)量龐大的柱狀晶粒的多晶硅錠。多晶硅太陽(yáng)能電池由于晶體缺陷較多以及晶間勢(shì)壘和雜質(zhì)聚集效應(yīng)，光電換效率低于直拉單晶，使用過(guò)程中光電換效率衰減也高于直拉單晶硅太陽(yáng)能電池，通常多晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率比單晶硅低1. 5% -3%?，F(xiàn)有的多晶硅鑄錠工藝為減少晶體缺陷和獲得盡可能大的晶粒，一般采用延長(zhǎng)保溫再結(jié)晶時(shí)間的辦法，但是效果不明顯，不能夠根本解決存在問(wèn)題，同時(shí)多晶硅鑄錠由于結(jié)晶膨脹因素，結(jié)晶產(chǎn)生鑄錠比較大應(yīng)力，容易導(dǎo)致裂紋，降低產(chǎn)品成品率。目前，產(chǎn)生太陽(yáng)能電池片還采用直拉單晶硅方法(Czochralski法)，直拉單晶硅爐主要由主爐體、爐體副室、底座、晶體旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、籽晶夾頭和晶體提升機(jī)構(gòu)、坩堝傳動(dòng)裝置和真空抽氣泵所組成，直拉單晶硅工藝分為幾個(gè)階段；1.將料裝入坩堝抽并且抽真空或者充氬氣，2.加熱化料、3.熔接籽晶、拉細(xì)頸、4.放肩收肩、5.等徑生長(zhǎng)、6.收尾、7.降溫出爐；直拉單晶太陽(yáng)能電池雖然晶體結(jié)構(gòu)完整、光電轉(zhuǎn)換效率較高，但是直拉單晶單爐次產(chǎn)能小(數(shù)十公斤)，切片損耗大(頭尾料和切方、切片損耗達(dá)60%左右)，單位能耗和勞動(dòng)成本高的缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問(wèn)題多晶硅鑄錠爐通過(guò)定向結(jié)晶凝固成硅錠，得到的是晶體數(shù)量龐大的柱狀晶粒的多晶硅錠，存在大量晶體缺陷，多晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率低。直拉單晶太陽(yáng)能電池晶體結(jié)構(gòu)完整、轉(zhuǎn)換效率較高，但是單爐次產(chǎn)能小(數(shù)十公斤)，原料損耗大，能耗和勞動(dòng)成本高。發(fā)明目的為解決現(xiàn)有工藝技術(shù)存在的問(wèn)題，獲得高生產(chǎn)效率、晶體結(jié)構(gòu)完整、轉(zhuǎn)換效率高的鑄錠方法，本實(shí)用新型專利帶控溫籽晶裝置的單晶鑄錠爐與公知的多晶硅鑄錠爐不同的關(guān)鍵技術(shù)是，基于“布里奇曼”晶體生長(zhǎng)原理，可在定向凝固晶體組織的硅錠生長(zhǎng)鑄錠爐中獲得單晶硅錠。技術(shù)方案本實(shí)用新型專利帶控溫籽晶裝置的單晶鑄錠爐；由包括爐體、坩堝、籽晶、籽晶控溫護(hù)套、坩堝四周的隔熱材料、隔熱材料內(nèi)的加熱器、電極、坩堝升降機(jī)構(gòu)構(gòu)成， 其構(gòu)成特點(diǎn)是；安置于爐體內(nèi)的隔熱材料和坩堝升降機(jī)構(gòu)，隔熱材料內(nèi)安置加熱器和坩堝， 電極連接加熱器，安裝在坩堝上的籽晶控溫護(hù)套，籽晶安置于籽晶控溫護(hù)套中，籽晶控溫護(hù)套安裝有測(cè)溫?zé)犭娕?。控溫籽晶護(hù)套由內(nèi)套和外護(hù)套組成，內(nèi)套有和籽晶尺寸匹配的籽晶安置孔，內(nèi)套可在制造坩堝時(shí)做成一體式，或做成分體式通過(guò)螺紋與坩堝匹配連接。籽晶控溫護(hù)套、籽晶，可在坩堝的底部或側(cè)部、頂部安置。籽晶控溫護(hù)套的作用是控制籽晶的溫度，使熔融硅與單晶籽晶既可靠熔接，又保證在化料過(guò)程中籽晶不會(huì)被完全熔蝕，在熔融硅與單晶籽晶可靠熔接后控制溫度梯度使晶體不斷長(zhǎng)大、經(jīng)過(guò)定向結(jié)晶、退火和冷卻，最終獲得單晶硅鑄錠。從裝爐到出爐工藝分為幾個(gè)階段；1.將料裝入坩堝抽并且抽真空或者充氬氣、2.加熱化料、3.籽晶熔接、4.定向結(jié)晶生長(zhǎng)、5退火和冷卻。幾種籽晶裝置安置方式的優(yōu)缺點(diǎn)；a.籽晶底部安置；優(yōu)點(diǎn)是不必重新設(shè)計(jì)水平線性梯度的溫度場(chǎng)，及溫度場(chǎng)硬件和軟件，可在現(xiàn)有定向結(jié)晶鑄錠爐中加裝，缺點(diǎn)是在定向結(jié)晶過(guò)程中應(yīng)力釋放不好，結(jié)晶進(jìn)程監(jiān)控完全依靠?jī)x器和經(jīng)驗(yàn)，不便于調(diào)整過(guò)程控制。b.籽晶側(cè)部安置；優(yōu)點(diǎn)是；其關(guān)鍵是在定向結(jié)晶過(guò)程中，結(jié)晶膨脹的應(yīng)力可以不斷得到釋放，結(jié)晶進(jìn)程可全程監(jiān)控，便于調(diào)整過(guò)程控制。缺點(diǎn)是必須重新設(shè)計(jì)水平線性梯度的溫度場(chǎng)，及溫度場(chǎng)硬件和軟件。c.籽晶頂部安置；優(yōu)點(diǎn)是熔接籽晶可在目視下進(jìn)行，不必重新設(shè)計(jì)水平線性梯度的溫度場(chǎng)，及溫度場(chǎng)硬件和軟件，可在現(xiàn)有定向結(jié)晶鑄錠爐中加裝，設(shè)備改動(dòng)最小，缺點(diǎn)是在定向結(jié)晶過(guò)程中應(yīng)力無(wú)法釋放，坩堝漲裂后硅熔液容易漏出。有益效果；本實(shí)用新型技術(shù)帶控溫籽晶裝置的單晶鑄錠爐；具有單爐次產(chǎn)能大 (可達(dá)數(shù)百公斤)，切片損耗較單晶少、單位能耗相對(duì)耗低、晶體結(jié)構(gòu)較完整、光電轉(zhuǎn)換效率高，兼具了多晶硅鑄錠爐生產(chǎn)能力大和直拉單晶晶體結(jié)構(gòu)完整的特點(diǎn)，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中還兼具有分凝提純作用，可使用次級(jí)硅料生產(chǎn)。能夠在多晶硅鑄錠爐獲得與直拉單晶光電轉(zhuǎn)換效率相同的太陽(yáng)能電池鑄錠，提高太陽(yáng)能電池切片的生產(chǎn)效率，可用于現(xiàn)有設(shè)備改造和升級(jí)而且基本不增加生產(chǎn)成本，由于太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率高、單位能耗低相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)更加低碳，有較大的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

附圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理示意圖(籽晶底部安置)；圖1中；1.電極，2.坩堝，3.籽晶，4.爐體，5.坩堝升降機(jī)構(gòu)，6.加熱器，7.隔熱材料，8.籽晶控溫護(hù)套，9.測(cè)溫?zé)犭娕迹?0.硅結(jié)晶體，11.熔融硅。附圖2.本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理示意圖(籽晶側(cè)部安置)；圖2中；1.電極，2.坩堝，3.籽晶，4.爐體，5.坩堝升降機(jī)構(gòu)，6.加熱器，7.隔熱材料，8.籽晶控溫護(hù)套，9.測(cè)溫?zé)犭娕迹?0.硅結(jié)晶體，11.熔融硅。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明，應(yīng)理解本實(shí)施例僅用于對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明而不用于對(duì)本實(shí)用新型的限制，附圖1.是帶控溫籽晶裝置的單晶鑄錠爐籽晶底部安置實(shí)施例示意；具體步驟如下；首先把籽晶(3)安裝在帶有強(qiáng)制冷卻控溫護(hù)套(8)中，把處理好的硅料裝入坩堝O)，坩堝( 材質(zhì)為高純二氧化硅或者帶涂層的石英， 把坩堝⑵放入鑄錠爐⑷內(nèi)，安置保溫罩隔熱材料⑵和籽晶測(cè)溫電偶(9)，然后封閉爐體G)，抽取真空到規(guī)定值、開(kāi)啟控制器、開(kāi)啟籽晶強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)、調(diào)整電源系統(tǒng)加熱器(6) 加熱到1500°C左右，自動(dòng)控制溫度及時(shí)間使坩堝內(nèi)的多晶硅完全熔化；籽晶強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)保證化料過(guò)程中籽晶(3)溫度始終低于硅的熔點(diǎn)(彡1410°C )，待坩堝中多晶硅原料完全熔解后，調(diào)整籽晶強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，使籽晶( 與硅熔體融接，然后按工藝要求，通過(guò)控溫降低籽晶(3)和爐子溫度，使單晶不斷生長(zhǎng)，緩慢提升保溫罩隔熱材料(7)或按要求調(diào)整加熱器(6)以調(diào)整熱場(chǎng)溫度梯度，使硅熔液在垂直方向上形成溫度梯度，使得硅熔液緩慢從下方向上方凝固生長(zhǎng)結(jié)晶；當(dāng)所有的硅熔液均結(jié)晶固化后，硅錠再經(jīng)過(guò)熱退火、冷卻處理， 硅錠冷卻到200-250°C之間，打開(kāi)爐體取出硅錠。附圖2.是帶控溫籽晶裝置的單晶鑄錠爐籽晶側(cè)部安置實(shí)施例示意；具體步驟如下；首先把籽晶(3)安裝在帶有強(qiáng)制冷卻控溫護(hù)套(8)中，把處理好的硅料裝入坩堝0)， 坩堝材質(zhì)為高純二氧化硅或者帶涂層的石英，把坩堝(2)放入鑄錠爐(4)內(nèi)，安置保溫罩隔熱材料(7)和籽晶測(cè)溫電偶(9)，然后封閉爐體，抽取真空到規(guī)定值、開(kāi)啟控制器、開(kāi)啟籽晶 (3)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)、調(diào)整電源系統(tǒng)加熱器加熱到1500°C左右，自動(dòng)控制溫度及時(shí)間使坩堝 (2)內(nèi)的硅料完全熔化；籽晶強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)保證化料過(guò)程中籽晶C3)溫度始終低于硅的熔點(diǎn)1410°C)，待坩堝(2)中多晶硅原料完全熔解后，調(diào)整籽晶強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，使籽晶與硅熔體融接，然后按工藝要求，降低籽晶溫度，使不斷生長(zhǎng)，按要求緩慢平移保溫罩隔熱材料7或者調(diào)整加熱器6，使在水平方向上形成溫度梯度，使得硅熔液緩慢從籽晶方向另一側(cè)水平凝固生長(zhǎng)結(jié)晶；當(dāng)所有的硅熔液均固化后，硅錠再經(jīng)過(guò)熱退火、冷卻處理，硅錠冷卻到 200-250 V之間，打開(kāi)爐體取出硅錠。
權(quán)利要求1.一種帶控溫籽晶裝置的單晶鑄錠爐；包括爐體、坩堝O)、籽晶(3)、籽晶控溫護(hù)套(8)、坩堝(2)四周的隔熱材料(7)、隔熱材料(7)內(nèi)的加熱器(6)、電極(1)、坩堝升降機(jī)構(gòu)(5)構(gòu)成，其特征是；置于爐體⑷內(nèi)的隔熱材料(7)和坩堝升降機(jī)構(gòu)(5)，隔熱材料(7) 內(nèi)安置加熱器(6)和坩堝O)，電極⑴連接加熱器(6)，安裝在坩堝⑵上的籽晶控溫護(hù)套(8)，籽晶(3)安置于籽晶控溫護(hù)套(8)中，籽晶控溫護(hù)套(8)安裝有測(cè)溫?zé)犭娕?9)。
2.按權(quán)利要求1所述的帶控溫籽晶裝置的單晶鑄錠爐，其特征是控溫籽晶護(hù)套(8)由內(nèi)套和外護(hù)套組成，內(nèi)套有和籽晶尺寸匹配的籽晶(3)安置孔，內(nèi)套可在制造坩堝(2)時(shí)做成一體式，或做成分體式通過(guò)螺紋與坩堝O)匹配連接。
3.按權(quán)利要求1所述的帶控溫籽晶裝置的單晶鑄錠爐，其特征是籽晶控溫護(hù)套(8)、籽晶(3)，可在坩堝(2)的底部或側(cè)部、頂部安置。
專利摘要一種用于太陽(yáng)能電池片鑄錠的帶控溫籽晶裝置的單晶鑄錠爐，通過(guò)引入控溫籽晶裝置，改變?nèi)廴诠柙谝欢ㄟ^(guò)冷度下自然成核，可在定向凝固晶體組織的硅錠生長(zhǎng)獲得單晶硅鑄錠。帶控溫籽晶裝置的單晶鑄錠爐；包括爐體、爐體內(nèi)的坩堝、帶控溫籽晶裝置、坩堝四周的隔熱材料、隔熱材料內(nèi)的加熱器、外部控制設(shè)備等組成。帶控溫籽晶裝置的單晶鑄錠爐能夠方便應(yīng)用于現(xiàn)有的多晶硅鑄錠爐改造，能夠在多晶硅鑄錠爐獲得與直拉單晶光電轉(zhuǎn)換效率相同或者接近的太陽(yáng)能電池切片用鑄錠材料，可減少鑄錠應(yīng)力缺陷、提高鑄錠的完整性、改善鑄錠太陽(yáng)能電池切片生產(chǎn)效率和技術(shù)指標(biāo)，相對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備技術(shù)更加節(jié)能。
文檔編號(hào)C30B11/00GK202090092SQ20102019667
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者張志堅(jiān) 申請(qǐng)人:張志堅(jiān), 靳梅