CN103243392A

CN103243392A - 多晶硅铸锭炉与制备均匀细小晶粒多晶硅铸锭的方法

Info

Publication number: CN103243392A
Application number: CN2013101689572A
Authority: CN
Inventors: 王悦; 刘华; 戴允蛟; 任建华; 唐自成
Original assignee: Tianjin Yingli New Energy Resource Co Ltd
Current assignee: Tianjin Yingli New Energy Resource Co Ltd
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2013-08-14

Abstract

本发明提供了一种多晶硅铸锭炉和利用所述多晶硅铸锭炉制备多晶硅铸锭的方法。本发明中所述多晶硅铸锭炉包括隔热笼提升机构、上炉体、隔热笼、坩埚组件、定向助凝块、下炉体、支撑柱和超声波发生器，所述超声波发生器设置于下炉体外壁的底部，或所述超声波发生器设置于上炉体外壁的侧面。本发明在生产多晶硅铸锭的过程中，在多晶硅熔体达到临界形核状态时开启超声波发生器，并1min～20min后关闭超声波发生器，本发明通过在多晶硅形核初期引入机械振荡，从而有利于形成晶粒均匀细小的多晶硅铸锭。

Description

多晶硅铸锭炉与制备均匀细小晶粒多晶硅铸锭的方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及多晶硅铸锭炉与制备均匀细小晶粒多晶硅铸锭的方法。

背景技术

太阳能电池是近几年发展最快的产业之一，以超过50%的速度高速增长。在各种类型的太阳能电池中，晶体硅太阳能电池由于转换率高，技术成熟而保持领先地位。晶体硅太阳能光伏组件的完整产业链包括铸锭、切片、电池和组件四部分，而铸造多晶硅锭是生产多晶硅太阳能光伏组件的第一个步骤。

目前铸造多晶硅锭一般采用多晶硅铸锭炉，图1为多晶硅铸锭炉的结构示意图，如图1所示，多晶硅铸锭炉包括隔热笼提升机构1，上炉体2，隔热笼3，坩埚组件4，定向助凝块5，下炉体6，支撑柱7；所述上炉体2与所述下炉体6通过液压连接，所述上炉体2能与所述下炉体6分开或闭合，所述隔热笼3位于上炉体2和下炉体6构成的炉体中，所述定向助凝块5通过支撑柱7设置于隔热笼3中，所述坩埚组件4放置于定向助凝块5平台上，所述隔热笼提升机构1与隔热笼3、上炉体2相连接，所述隔热笼3通过隔热笼提升机构1实现隔热笼3的升降。

目前硅片和电池成本持续降低，在太阳能应用产业链中的成本比重越来越低。组件、安装与维护等的成本已成为第一因素，降低多晶硅太阳能电池产业链中高成本部分成为太阳能电池的发展方向。电池效率提升将提高电池的成本，但降低总成本，因此高效电池成为了未来发展的方向。而铸造高品质的多晶硅锭又是提高电池转换效率的关键因素和基本前提。制备晶粒均匀细小的多晶硅能够保证多晶硅铸锭的品质。

目前制备均匀小晶粒的方法主要依靠在长晶初级加大铸锭炉底部的降温速度，以获得较大的过冷度，达到细化晶粒的目的。具体操作方案是在硅料熔化完成后，迅速提升隔热笼，使得铸锭炉底部散热量加大，形核量增大，在坩埚底部形成晶粒比较细小的母相后，适当减小隔热笼的开度，在适宜的温度下继续完成剩余的长晶过程。

增大长晶初期铸锭炉底部散热速度以加大过冷度的方法可以实现生长小晶粒的目的，但是这种生产方法存在以下缺点：一、突然增大温度变化率对坩埚和涂层产生影响，如果坩埚涂层存在缺陷，则很容易发生粘埚甚至泄露等生产事故；二、突然增大的降温变化率会对后面正常的长晶过程造成影响，导致硅锭长晶速率波动较大，造成多晶硅锭缺陷、位错增多；三、目前铸锭炉主要依靠提升隔热笼来实现降低底部温度的目的，但是单纯的提升隔热笼，定向助凝块四边的散热速率高于中央的散热速率，这种降温模式会形成水平方向上的温度梯度，最终会影响硅锭晶粒的垂直度。因此，本发明提供了一种制备晶粒细小均匀的多晶硅铸锭的方法。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种制备均匀细小晶粒的多晶硅铸锭的方法。

有鉴于此，本发明提供了一种多晶硅铸锭炉，包括：隔热笼提升机构、上炉体、隔热笼、坩埚组件、定向助凝块、下炉体和支撑柱，所述多晶硅铸锭炉还包括超声波发生器，所述超声波发生器设置于所述下炉体外壁的底部，或所述超声波发生器设置于所述上炉体外壁的侧面。

本发明还提供了一种利用所述的多晶硅铸锭炉制备均匀细小晶粒多晶硅铸锭的方法，包括：

将多晶硅料装载至坩埚中，将所述坩埚置于定向助凝块上；

关闭下炉室进行抽真空，然后加热所述多晶硅料，使所述多晶硅料熔化；

利用隔热笼提升机构使熔化的多晶硅料冷却，所述熔化的多晶硅料达到临界形核状态时开启超声波发生器；

所述超声波发生器开启1min～20min后关闭，依次经过长晶、退火和冷却后得到多晶硅铸锭。

优选的，所述坩埚为内壁涂有Si₃N₄的石英坩埚。

优选的，所述超声波发生器的开启时的功率为500w～1200w，频率为20±2khz。

本发明提供了一种多晶硅铸锭炉和利用所述多晶硅铸锭炉制备多晶硅铸锭的方法。本申请的多晶硅铸锭炉在下炉体外壁的底部或上炉体外壁的侧面设置了超声波发生器。利用本发明提供的多晶硅铸锭炉，在制备多晶硅铸锭的过程中，坩埚中的硅料完全熔化后，在临界形核状态将超声波发生器开启1min～20min，超声波处理硅熔体时，液体分子受到周期***变声场的影响，在负压作用下被拉裂而产生空化气泡，在声波的正相作用下，产生的空化泡以极高的速度闭合或崩塌，从而在熔体内局部产生瞬间高压、高温和强烈的冲击波。空化泡所形成的局部热脉冲不断的冲击凝固前沿，并使界面局部溶蚀，空化泡产生的高温使枝晶熔断，也增加了形核数量，从而达到细化晶粒的效果。因此，经超声波处理后的熔体在声空化效应和声流效应的共同作用下晶粒变得更细小更均匀，停止超声波发生器后坩埚底部形成了一层晶粒均匀细小的母相，自此晶体会自下而上在此母相的基础上逐渐生长，最终得到完整的内部晶粒尺寸均匀细小的多晶硅铸锭。

附图说明

图1为现有技术多晶硅铸锭炉的结构示意图；

图2为本发明多晶硅铸锭炉的结构示意图；

图3为本发明多晶硅铸锭炉的结构示意图；

图4为本发明实施例2制备的多晶硅铸锭的内部组织照片；

图5为对比例制备的多晶硅铸锭的内部组织照片。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种多晶硅铸锭炉，如图2所示，图2为多晶硅铸锭炉的结构示意图。所述多晶硅铸锭炉包括：隔热笼提升机构1、上炉体2、隔热笼3、坩埚组件4、定向助凝块5、下炉体6和支撑柱7，所述多晶硅铸锭炉还包括超声波发生器8，所述超声波发生器8设置于所述下炉体6外壁的底部，或如图3所示，所述超声波发生器8设置于所述上炉体2外壁的侧面。

按照本发明，所述超声波发生器的作用是将市电（380v或220v）转换成与超声波换能器相匹配的高频交流信号，从而发生一定频率的超声波。所述超声波发生器的规格型号可以选择功率为0w～1200w连续可调，超声波频率为20±2khz的超声波发生器，也可以选择其他规格型号的超声波发生器，本发明没有特别的限制。按照本发明，为了使形成的多晶硅铸锭内部晶粒尺寸更加均匀细小，所述超声波发生器优选设置于多晶硅铸锭炉下炉体外壁的底部。

本发明还提供了一种利用所述多晶硅铸锭炉制备均匀细小晶粒多晶硅铸锭的方法，包括以下步骤：

将多晶硅料装载至坩埚中，将所述坩埚置于定向助凝块上；

所述超声波发生器1min～20min后关闭，依次经过长晶、退火和冷却后得到多晶硅铸锭。

本发明是采用超声波发生器在多晶硅料长晶初期发生超声波，当测量到硅锭开始生长后立即停止超声波，然后按照现有技术中的工艺使晶粒沿着温度梯度的方向生长直至生长过程结束。

按照本发明，多晶硅铸锭制备过程中，首先将多晶硅料装载至坩埚中，并将装有多晶硅料的坩埚置于定向助凝块上，所述坩埚优选为内壁涂有Si₃N₄的石英坩埚。所述定向助凝块为中空石墨块，导热性很强。

然后关闭下腔室并进行抽真空操作，优选将多晶硅铸锭炉进行检漏操作后进入加热工艺。所述坩埚的四周和顶部安装有加热器，接通电源后即对硅料进行加热，加热持续12～24h直至硅料完全熔化。然后利用隔热笼提升机构，使隔热笼位置上升，加快热量由定向助凝块向外扩散的速度，对熔化的多晶硅料进行冷却，并间接带走坩埚的热量，最终在硅熔液中形成自下而上的垂直温度梯度；在所述垂直梯度的作用下，熔融硅料从坩埚底部开始凝固，即长晶过程是从熔液底部向顶部顺序进行。

在长晶初期即熔硅达到临界形核状态时，开启超声波发生器。何时开启超声波发生器对于对多晶硅铸锭形核很关键，超声波发生器开始时间过早，影响多晶硅熔液的正常形核，开启时间过晚对形成均匀细小晶粒不起作用，因此，需要对开启时间进行严格控制，因此本申请开启超声波发生器是在开始形核的临界状态。本发明是按下述方法测定硅料完全熔化到开始形核的转折点的：

选择一根石英棒，将石英棒伸入到熔融的液硅中，触碰到坩埚底面的位置设为基点，在长晶初期将石英棒从铸锭炉顶部重复伸入，每10分钟测量一次，通过测量玻璃棒伸入的位置，来确定硅晶体是否开始生长，测量值与基点的差值即为晶体的生长高度。测量到开始生长后立即开启超声波，最终当长晶高度测量值达到3mm～10mm时，关闭超声波。当然，这种测量的方法比较繁琐，可以在测量的基础上，通过对铸锭炉底部温区温度来判断开始形核这个关键点发生的时间。

在超声波发生器开启阶段，超声波处理硅熔体时，液体分子受到周期***变声场的作用，在负压作用下被拉裂而产生空化气泡，在声波的正相作用下，产生的空化泡以极高的速度闭合或崩塌，空化泡形成长大的过程将从周围吸收热量，这导致空化泡表面区域硅熔体温度降低，产生局部过冷，但在空化泡崩塌过程中，产生的强烈冲击波会击碎初生晶体和正在长大的晶体，使之成为破碎的晶体质点。空化所形成的局部热脉冲不断的冲击凝固前沿，并使界面局部溶蚀，空化产生的高温使枝晶熔断，也增加了形核数量，从而达到细化晶粒的效果。经过超声波处理产生的高压，可以使液态硅向固态硅转变，从而促进了晶核的形成，因此，超声波处理后的熔体在声空化效应和声流效应的共同作用下使晶粒变得更细小更均匀。超声波处理熔体时发生的能量损耗会被通体吸收热能，输入功率越大热效应越明显，所以当超声波的功率过大时会使熔体的降温速度变慢，反而会使晶体粗化，所以需要保证超声波发生器的功率在合理的范围内。按照本发明，所述超声波发生器的开启时间为1min～20min，优选为10min～20min。所述超声波发生器开启时的功率优选为500w～1200w。

通过超声波发生器的机械振荡，坩埚底部形成数量较多的新晶核，待晶核产生后即停止超声波振荡，此时坩埚底部形成了一层晶粒均匀细小的母相，此后晶体会自下而上在此母相的基础上逐渐生长，最终生长成完整的多晶硅铸锭，硅锭经过退火和冷却后就完成了整个的生产周期。

利用本发明的多晶硅铸锭炉，能够使得到的多晶硅铸锭晶粒细化，同时相较于现有技术有明显的优势：没有改变温度的变化率，也没有改变温度梯度方向，从而给在形核之后的晶体长大阶段提供了一个稳定的外部环境，保证不引入多余的位错、缺陷，同时不影响硅晶粒的垂直度；不会引入热冲击，保护了坩埚、涂层的质量稳定性；有更好的晶粒一致性，生长过程的内应力小，导致铸锭的均匀性好，有助于改善开路电压及电流特性，提高多晶硅电池片的光电转换效率。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的多晶硅铸锭炉以及利用多晶硅铸锭炉制备多晶硅铸锭的过程，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

如图2所示，图2为多晶硅铸锭炉的结构示意图，所述多晶硅铸锭炉包括：隔热笼提升机构1，上炉体2，隔热笼3，坩埚组件4，定向助凝块5，下炉体6，支撑柱7，超声波发生器8，所述超声波发生器8设置于下炉体6外壁的底部。

实施例2

将多晶硅料装载至内壁涂有Si₃N₄的石英坩埚中，并将坩埚放置于中空石墨块，即定向助凝块（DS块）上；随后，关闭下炉室进行抽真空操作，***完成检漏操作后进行加热；坩埚的四周和顶部安装有加热器，接通电源后对硅料进行加热，加热过程持续十五个小时直至硅料完全熔化，接着利用隔热笼提升机构，使隔热笼位置上升，加快热量由定向助凝块向外扩散的速度，对其进行冷却，从而间接带走坩埚中的热量，最终在硅溶液形成自下而上的垂直温度梯度；在这个温度梯度的作用下，硅料从坩埚底部开始凝固，即长晶过程是从溶液底部向顶部顺序进行；当熔硅达到临界形核状态时，开启超声波发生器，长晶高度测量值达到3mm～10mm，停止超声波，此时坩埚底部形成了一层晶粒均匀细小的母相，接下来晶体会自下而上在此母相的基础上逐渐生长，最终生长成完整的高效多晶硅锭，硅锭经过退火和冷却后就完成了整个的生产周期。

选取硅锭底部位置拍照，如图4所示，图4为本实施例生产的多晶硅铸锭的内部组织照片。

对比例

将多晶硅料装载至内壁涂有Si₃N₄的石英坩埚中，并将坩埚放置于中空石墨块，即定向助凝块（DS块）上；随后，关闭下炉室进行抽真空操作，***完成检漏操作后进行加热；坩埚的四周和顶部安装有加热器，接通电源后对硅料进行加热，加热过程持续十五个小时直至硅料完全熔化，接着利用隔热笼提升机构，使隔热笼位置上升，加快热量由定向助凝块向外扩散的速度，对其进行冷却，从而间接带走坩埚中的热量，最终在硅溶液形成自下而上的垂直温度梯度；在这个温度梯度的作用下，硅料从坩埚底部开始凝固，即长晶过程是从溶液底部向顶部顺序进行，最终生长成完整的多晶硅锭，硅锭经过退火和冷却后就完成了整个的生产周期。

选取与实施例2铸锭相同位置进行拍照，如图5所示，图5为对比例生产的多晶硅铸锭的内部组织照片。

由图4与5可以看出，对比例1生产的晶体晶粒粗大，晶粒的均匀性差，且枝晶组织较多；而经过超声波处理的样品，晶粒细化明显，晶体的均匀化效果好。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种多晶硅铸锭炉，包括：隔热笼提升机构、上炉体、隔热笼、坩埚组件、定向助凝块、下炉体和支撑柱，其特征在于，所述多晶硅铸锭炉还包括超声波发生器，所述超声波发生器设置于所述下炉体外壁的底部，或所述超声波发生器设置于所述上炉体外壁的侧面。

2.一种利用权利要求1所述的多晶硅铸锭炉制备均匀细小晶粒多晶硅铸锭的方法，包括：

将多晶硅料装载至坩埚中，将所述坩埚置于定向助凝块上；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述坩埚为内壁涂有Si₃N₄的石英坩埚。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述超声波发生器的开启时的功率为500w～1200w，频率为20±2khz。