CN211522362U - 带晶种升降单元的铸造硅单晶炉 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉。所述的铸造硅单晶炉，包括炉体、晶种升降单元、温控单元、晶体生长单元；所述的晶体生长单元位于炉体内；所述的晶种升降单元位于炉体上方，并穿进炉体至晶体生长单元，用于将晶种***到晶体生长单元；所述的温控单元用于提供晶体生长单元中的晶体生长所需的温度。晶种升降单元包括波纹管、晶种升降杆、升降机构，升降机构用于升降晶种升降杆。采用本实用新型生长出的硅晶体质量好，位错增殖少，晶界少，晶种消耗少，与晶种同方向的硅单晶体积占比大于90%，可以将碱制绒工艺应用于使用铸锭法制造的硅片制造太阳能电池的工艺过程，得到光衰减低、太阳能转化效高的硅太阳能电池。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉。
背景技术
目前主要通过硅太阳能电池发电来利用太阳能，其占据了超过90％的市场份额。硅太阳能电池组件主要以硅晶体材料为基础，硅太阳能电池所使用的晶体硅材料包括单晶硅片和多晶硅片。
单晶硅片是由直拉法从石英坩埚内的硅熔体中生长得到的圆柱形单晶硅棒切片，单晶硅片具有缺陷较少，杂质含量较低的优点。目前制造硅太阳能电池所使用的单晶硅片都是（100）晶向的，电池工艺碱制绒时在硅片表面形成整面均匀分布的金字塔状绒面结构，可以大大降低硅片表面的反射率，显著提高硅片对太阳光的吸收效率和单晶硅太阳电池的转换效率。但是，单晶硅片的生产成本较高，对于普遍生产的p型直拉单晶硅太阳能电池，由于其氧含量较大，在光照下会产生大量的硼氧复合体导致严重的光致衰减效应。
常用的多晶硅片是由方形石英坩埚内的硅熔体定向凝固生长得到方形多晶硅锭切片得到，相比单晶硅片成本较低、单炉产量大。多晶硅片中的氧含量相对直拉单晶硅要低的多，光衰减的影响要小的多。由于目前常用的铸锭法制备的多晶硅片表面晶粒取向不一，只能通过酸制绒工艺来制备绒面，难以达到碱制绒电池片对太阳光的吸收效率和转换效率。
实用新型内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉。
一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉，包括炉体、晶种升降单元、温控单元、晶体生长单元；所述的晶体生长单元位于炉体内；所述的晶种升降单元位于炉体上方，并穿进炉体至晶体生长单元，用于将晶种***到晶体生长单元；所述的温控单元用于提供晶体生长单元中的晶体生长所需的温度。
所述的晶种升降单元包括波纹管、晶种升降杆、升降机构，升降机构用于升降晶种升降杆，晶种升降杆穿过波纹管进入炉体内。
所述的晶种升降单元进一步设有热屏蔽管，用于屏蔽炉体内的高温，位于所述的波纹管的下方，晶种升降杆穿过波纹管和热屏蔽管进入炉体内。
所述的升降机构依次包括电机、减速机、丝杆、支架、波纹管提升块，电机安装在减速机上，减速机、丝杆分别安装在支架上，波纹管提升块安装在丝杆上，波纹管和晶种升降杆安装在波纹管提升块下。
所述的温控单元包括加热器、温度传感器、温度控制器。
所述的加热器包括主加热器；或者
所述的加热器包括主加热器、底部加热器；或者
所述的加热器包括主加热器、侧加热器；或者
所述的加热器包括主加热器、侧加热器、底部加热器；
所述的主加热器位于所述的晶体生长单元的上方，底部加热器位于所述的晶体生长单元的下方，侧加热器位于所述的晶体生长单元的侧面。
所述的温控单元进一步包括冷却机构。
所述的冷却机构设置在晶体生长单元的下方；
所述的冷却机构包括冷却送风管、冷却进风口，冷却送风管向上吹风冷却晶体生长单元的下部；或者所述的冷却机构包括冷却送风管、冷却进风口、冷却出风口、冷却排风管，冷却送风管向上吹风冷却晶体生长单元的下部，冷却送风管所吹冷却风由冷却排风管直接带走。
所述的晶体生长单元包括坩埚、坩埚底托板、坩埚侧护板；所述的坩埚底托板下设有支承板或者不设支承板；所述的晶种为硅单晶体。
本发明的有益效果是，
使用本发明的一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉生长铸造硅单晶，由于在硅熔体从坩埚底到熔体表面的结晶全过程中，以硅晶种为核心的晶体长过程都是主要的过程，在坩埚内绝大部分区域生长出的硅晶体质量好，位错增殖少，晶界少，与晶种同方向的硅单晶体积占比大，晶种消耗少。使用本发明，与晶种同方向的硅单晶体积占比大于90%。使铸锭法制备的硅片的晶粒尺寸足够大且以(100)晶向为主（这就是所谓的铸造硅单晶），就可以将碱制绒工艺应用于使用铸锭法制造的硅片制造太阳能电池的工艺过程，得到光衰减低、太阳能转化效高的硅太阳能电池。
附图说明
图1本发明的一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉第一种方案结构示意图；
图2本发明的一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉第二种方案结构示意图；
图3本发明的一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉第三种方案结构示意图；
图4本发明的一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉第四种方案结构示意图；
图5本发明的一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉第五种方案结构示意图；
图6本发明的一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉第六种方案结构示意图；
图7本发明的一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉第七种方案结构示意图；
图8本发明的一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉第八种方案结构示意图；
图9本发明的一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉第九种方案结构示意图；
图10本发明的一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉第十种方案结构示意图；
图11本发明的晶种升降单元的结构示意图（晶种处于波纹管内状态）；
图12晶种在石英坩埚内的水平分布示意图；
图13石英坩埚内硅熔体以晶种为中心结晶示意图；
上述图中，电机1、减速机2、丝杆3、支架4、液面温度传感器5、波纹管6、主加热器电极7、热屏蔽管8、晶种升降杆9、顶部保温层10、主加热器11、晶种12、侧保温层13、坩埚14、侧加热器15、坩埚底托板16、支承板17、底部加热器电极18、底部加热器19、冷却送风管20、底部温度传感器21、真空抽气管22、支撑杆23、炉体24、硅熔体25、坩埚侧护板26、侧温度传感器27、硅熔体液面28、氩气进气口29、波纹管提升块30、冷却机构31、升降机构32、硅单晶体区域33、冷却进风口34、冷却出风口35、冷却排风管36。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
在图1中，一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉，包括炉体24、晶种升降单元、温控单元、晶体生长单元；所述的晶体生长单元位于炉体24内；所述的晶种升降单元位于炉体24上方，并穿进炉体24至晶体生长单元，用于将晶种12***到晶体生长单元；所述的温控单元用于提供晶体生长单元中的晶体生长所需的温度。
所述的晶种升降单元包括波纹管6、晶种升降杆9、升降机构32，升降机构32用于升降晶种升降杆9，晶种升降杆9穿过波纹管6进入炉体内。在晶种升降杆9升降时波纹管6用于保证炉体24内的真空状态不变。
在图2中，所述的晶种升降单元进一步设有热屏蔽管8，用于屏蔽炉体内的高温，位于所述的波纹管6的下方，晶种升降杆9穿过波纹管6和热屏蔽管8进入炉体内。
在图9、10、11中，所述的升降机构依次包括电机1、减速机2、丝杆3、支架4、波纹管提升块30、电机1安装在减速机2上，减速机2、丝杆3分别安装在支架4上，波纹管提升块30安装在丝杆3上，晶种升降杆9安装在波纹管提升块30下。
所述的温度传感器可安装在炉体外，用于直接或间接测量晶体生长单元的温度。加热器位于炉体内并设置在晶体生长单元外，用于直接给晶体生长单元加热。温度控制器在炉体外，用于处理温度信号、控制向加热器输入加热功率的大小。
所述的晶体生长单元位于炉体内，包括坩埚、坩埚底托板、坩埚侧护板，用于盛放多晶硅和硅熔体，多晶硅熔化后，***晶种，硅熔体在坩埚内长出尺寸较大的单晶体。
所述的温控单元包括加热器、温度传感器、温度控制器。加热器位于炉体内，设置在生长单元外。温度控制器一般位于炉体外，包括温度信号处理和向加热器输送加热功率。
在图2、图3、图6、图7，或者图8中，所述的加热器包括主加热器11；或者
所述的加热器包括主加热器11、底部加热器19；或者
所述的加热器包括主加热器11、侧加热器15；或者
所述的加热器包括主加热器11、侧加热器15、底部加热器19；
所述的主加热器11位于所述的晶体生长单元的上方，底部加热器19位于所述的晶体生长单元的下方，侧加热器15位于所述的晶体生长单元的侧面。
在图1中，所述的温度传感器位于炉体24的外表面。根据需要确定温度传感器的位置和数量，本领域技术人员很容易做出改变。温度传感器包括液面温度传感器5，也可以包括底部温度传感器21和侧温度传感器27中的一种或两种。
在图3中，所述的温控单元进一步包括冷却机构31。冷却机构21可通过辐射、热传导、对流等方式中的一种或者多种（如风冷、水冷）控制晶体生长单元内的熔体结晶过程。冷却机构31一般安装在晶体生长单元的下方，本领域技术人员可以很容易地改变冷却机构安装位置和工作方式。
在图3中，所述的冷却机构31设置在晶体生长单元的下方。晶体生长单元包括坩埚14、坩埚底托板16、坩埚侧护板26。坩埚底托板下设有支承板17。
在图4中，所述的冷却机构31包括冷却送风管20、冷却进风口34，冷却送风管20向上吹风冷却晶体生长单元的下表面。
在图5中，所述的冷却机构31包括冷却送风管20、冷却进风口34、冷却出风口35、冷却排风管36，冷却送风管20向上吹风冷却晶体生长单元的下表面，冷却送风管20所吹冷却风由冷却排风管36直接带走。
所述的晶体生长单元采用的坩埚14的材料为石英，所述的坩埚的横截面可为正方形，材料为石英陶瓷，使用前预先在内表面涂高纯氮化硅粉涂层；所述的晶种为硅单晶体，截面可为正方形，边长5-50mm，长度比坩埚中硅熔体的深度大30-100mm。
应用实施例
本例所用的一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉如图10所示，晶种的分布如图12所示，主要步骤如下：（1）将高纯氮化硅粉、硅溶胶、纯水按一定的比例配好，在坩埚14内表面涂高纯氮化硅粉涂层，厚度1-2mm，自然干燥后1000℃烧结。坩埚14的横截面为正方形，材料为石英陶瓷，具体尺寸根据投料量确定。（2）先将（100）晶向的晶种12安装在晶种升降杆9的下端，开动电机1将晶种12升入波纹管6内并达到最高位置，如图11所示。将坩埚底托板16置于支承板17上，再将烧结好的坩埚14放在坩埚底托板16上，安装好坩埚侧护板26，将块状或颗粒状的多晶硅装满坩埚14。（3）抽真空。（4）熔化：抽好真空后通氩气，控制加热器的功率先将多晶硅完全熔化成硅熔体。（5）控制温度：控制加热器的功率，将硅熔体液面28的温度稳定到比硅熔点（1420℃）高1-50℃的范围，将坩埚14侧内表面和底内表面的温度控制在比硅熔点高1-10℃的范围内，温度由温度传感器直接或间接测量，原则是使坩埚14侧内表面和底内表面的温度在硅熔体不结晶的前提下尽可能接近硅熔点。（6）下降晶种：控制电机1将晶种12降低到下端距硅熔体表面5-10mm，停止下降，使晶种的温度稳定，缓慢将晶种12浸入硅熔体，直到晶种12下端与坩埚14底内表面接触。过程中控制温度使硅熔体表面不产生结晶，晶种12也不熔断。（7）结晶：控制温度使硅熔体以晶种12为中心结晶，晶体沿着晶种12由下向上生长的同时也向相邻晶种之间的区域生长，如图13所示。（8）晶锭冷却：当硅熔体完全结晶后停加热功率，使晶锭冷却后取出晶锭。
由于在硅熔体从坩埚底到熔体表面的结晶全过程中，以硅晶种为核心的晶体长过程都是主要的过程，在坩埚内绝大部分区域生长出的硅晶体质量好，位错增殖少，晶界少，与晶种同方向的硅单晶体积占比大，晶种消耗少。使用本发明，与晶种同方向的硅单晶体积占比大于90%。
Claims (9)
1.一种带晶种升降单元的铸造硅单晶炉，其特征是：包括炉体（24）、晶种升降单元、温控单元、晶体生长单元；
所述的晶体生长单元位于炉体（24）内；
所述的晶种升降单元位于炉体（24）上方，并穿进炉体（24）至晶体生长单元，用于将晶种（12）***到晶体生长单元；
所述的温控单元用于提供晶体生长单元中的晶体生长所需的温度。
2.如权利要求1所述的铸造硅单晶炉，其特征是：
所述的晶种升降单元包括波纹管（6）、晶种升降杆（9）、升降机构（32），升降机构（32）用于升降晶种升降杆（9），晶种升降杆（9）穿过波纹管（6）进入炉体（24）内。
3.如权利要求2所述的铸造硅单晶炉，其特征是：
所述的晶种升降单元进一步设有热屏蔽管（8），用于屏蔽炉体（24）内的高温，位于所述的波纹管（6）的下方，晶种升降杆（9）穿过波纹管（6）和热屏蔽管（8）进入炉体（24）内。
4.如权利要求2所述的铸造硅单晶炉，其特征是：所述的升降机构依次包括电机（1）、减速机（2）、丝杆（3）、支架（4）、波纹管提升块（30），电机（1）安装在减速机（2）上，
减速机（2）、丝杆（3）分别安装在支架（4）上，波纹管提升块（30）安装在丝杆（3）上，波纹管（6）和晶种升降杆（9）安装在波纹管提升块（30）下。
5.如权利要求1所述的铸造硅单晶炉，其特征是：所述的温控单元包括加热器、温度传感器、温度控制器。
6.如权利要求5所述的铸造硅单晶炉，其特征是：所述的加热器包括主加热器（11）；或者
所述的加热器包括主加热器（11）、底部加热器（19）；或者
所述的加热器包括主加热器（11）、侧加热器（15）；或者
所述的加热器包括主加热器（11）、侧加热器（15）、底部加热器（19）；
所述的主加热器（11）位于所述的晶体生长单元的上方，底部加热器（19）位于所述的晶体生长单元的下方，侧加热器（15）位于所述的晶体生长单元的侧面。
7.如权利要求5所述的铸造硅单晶炉，其特征是：所述的温控单元进一步包括冷却机构（31）。
8.如权利要求7所述的铸造硅单晶炉，其特征是：所述的冷却机构（31）设置在晶体生长单元的下方；
所述的冷却机构（31）包括冷却送风管（20）、冷却进风口（34），冷却送风管（20）向上吹风冷却晶体生长单元的下部；
或者所述的冷却机构（31）包括冷却送风管（20）、冷却进风口（34）、冷却出风口（35）、冷却排风管（36），冷却送风管（20）向上吹风冷却晶体生长单元的下部，冷却送风管（20）所吹冷却风由冷却排风管（36）直接带走。
9.如权利要求1所述的铸造硅单晶炉，其特征是：所述的晶体生长单元包括坩埚（14）、坩埚底托板（16）、坩埚侧护板（26）；所述的坩埚底托板（16）下设有支承板（17）或者不设支承板；所述的晶种（12）为硅单晶体。
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| CN110777425A (zh) * | 2019-11-24 | 2020-02-11 | 田达晰 | 带晶种升降单元的铸造硅单晶炉及硅单晶生长方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200918 |
|
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