专利名称：一种多晶硅片的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于生产太阳能电池的多晶硅片的制造方法。
背景技术：
目前的太阳能电池大多数是用晶体硅片制造，晶体硅片分为单晶硅片和多晶硅片，由于多晶硅片的成 本较低，现在的太阳能电池越来越多地使用多晶硅片。但是目前的多晶硅片的制造方法是对结晶成型后的 块状硅锭进行机械切割的方式来制造的，这种方法有两个主要的缺点， 一个是这种切割方式的硅材料消耗
太大，会损失切割过程中产生的硅粉末，这种方法的硅材料的利用率一般只有百分之五十左右；另一个缺 点是切割法的硅片由于机械切割的技术限制不能割的很薄， 一般只能达到200微米左右，而实际的太阳能 电池所需要的硅片厚度只需要50微米左右，这样厚的硅片会造成太阳能电池的硅材料的利用率很低。这 两个缺点都会降低制造太阳能电池的硅材料的利用率，而用于制造太阳能电池的高纯硅的成本非常高，硅 片是太阳能电池的最大成本的部分，因此低的硅材料的利用率是目前多晶硅片制造的太阳能电池价格居高 不下的主要原因，从而影响了太阳能电池的普及。
发明内容
为了解决制造多晶硅片过程中硅材料的消耗大和硅片较厚的问题，从而达到降低制造多晶硅太阳能电 池成本的目的，本发明提供一种制造多晶硅片的方法，可以降低制造多晶硅片过程中硅材料的消耗，并且 可以减薄硅片的厚度。
本发明为了实现上述目的，是通过下述的技术方案。
本发明是一种使熔融状态的硅直接结晶成薄片硅的方法，其具体是通过以下的方法来实现首先将多 晶硅的原料装入坩埚，坩埚被加热后，把坩埚内的硅原料熔成液态的硅熔体，将硅熔体注入到一个狭缝， 该狭缝是由两个平行的耐高温面(耐高温面以下有时简称为面)形成的，这两个耐高温面可以是平面或曲 面，是用陶瓷、石墨或耐高温金属材料制成，两个耐高温面之间的空间就是该狭缝的缝隙。两个耐高温面 上都设有独立的温度控制装置，可以使狭缝的两个耐高温面处于分别设定的温度，将其中一个耐高温面的 温度控制在硅的熔点1415摄氏度以下，另一个耐高温面可以处于1415摄氏度左右。当硅熔体流到狭缝时，
由于狭缝的一个耐高温面的温度低于硅的熔点，硅原子就会在这个面上开始结晶，由于狭缝的两个面之间 有温度差，在结晶面上就会有个垂直结晶面的温度场梯度，这个温度场梯度可以生长出适于太阳能电池的 柱状结晶多晶硅片，这对制造出高性能太阳能电池用的硅片至关重要。熔融的硅原子在狭缝处结晶成硅片， 狭缝的两个面对结晶的硅片厚度有个约束，起到了限制硅片厚度的作用，硅片的厚度近似等于狭缝的厚度，
从而可以得到指定厚度的硅片。狭缝两个面之间的距离范围可以在10微米到300微米之间，也就是缝隙 的厚度，相应产出的硅片厚度就在20微米到300微米的范围。由于硅在狭缝处结晶成固体硅片，将已经 结晶的硅片与狭缝分离，就得到了指定厚度的多晶硅片。
本发明主要有两个优点其中一个优点是可以将多晶硅的原料几乎全部利用制成硅片，没有切割方法 的硅材料损失，另一个优点是本发明可以将硅片制成很薄，可以低于200微米，这是切割方法无法做到的。 这两个优点都可以节省制造太阳能电池硅片的硅材料，从而降低太阳能电池的成本。
下面结合附图和几种优选方案的实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的实施例1的示意图，图1中狭缝的第一个耐高温面1，狭缝的第二个耐高温面2，
多晶硅片3，旋转辊4，旋转辊轴5，硅熔体出口嘴6，硅熔体7，坩埚8,坩埚进气口9。
图2是本发明的实施例2的示意图，图2中狭缝的第一个耐高温面1，狭缝的第二个耐高温面2，
多晶硅片3，左侧旋转辊4，左侧旋转辊轴5，硅熔体出口6，硅熔体7，坩埚8，坩埚进气口9，右侧旋转 辊10，右侧旋转辊轴ll。
图3是本发明的实施例3的示意图，图3中狭缝的第一个耐高温面1,狭缝的第二个耐高温面2, 多晶硅片3，左侧旋转辊4，左侧旋转辊轴5，硅熔体出口嘴6，硅熔体7，坩埚8，坩埚进气口9，右侧旋 转辊IO,右侧旋转辊轴ll。
图4是本发明的实施例4的示意图，图4中狭缝的第一个耐高温面l，狭缝的第二个耐高温面2， 多晶硅片3，上旋转辊4，上旋转辊轴5，硅熔体出口嘴6，硅熔体7，坩埚8，坩埚进气口 9，下旋转辊 10，下旋转辊轴ll，传输带12。
图5是本发明的实施例5的示意图，图5中狭缝的第一个耐高温面1，狭缝的第二个耐高温面2， 多晶硅片3，左侧上旋转辊4，左侧上旋转辊轴5，硅熔体出口嘴6，硅熔体7，坩埚8，坩埚进气口9，左 侧下旋转辊IO,左侧下旋转辊轴ll，左侧传输带12，右侧上旋转辊13，右侧上旋转辊轴14，右侧下旋转 辊15，右侧下旋转辊轴16,右侧传输带。
图6是本发明的实施例6的示意图，图6中凹坑的底面l,上模板的底面2，硅熔体3，下模具4, 上模板5，硅熔体进口6，硅熔体出口7。
图7是本发明的实施例6的下模具与上模板分离情况的示意图，图7中凹坑底面1,上模板底面2, 下模具4，上模板5，硅熔体进口6，硅熔体出口7，硅片8。
具体实施方式
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实施例l:该实施例的示意图如图l所示，这个实施例主要由狭缝的第二个耐高温面2、旋转辊4、硅 熔体出口嘴6和坩埚8等构成，坩埚8由耐高温的材料制成， 一般如陶瓷、石墨或高熔点金属材料，坩埚 内装有多晶硅的原料，在坩埚的加热器加热下，将多晶硅原料熔化为硅熔体7，坩埚8上方设有坩埚进气 口 9，进气口接有惰性气体，如氮气或氩气等，通过调整惰性气体的压力，就可以控制坩埚内部的压力， 在坩埚内部压力和重力的作用下，硅熔体可以从坩埚底部的硅熔体出口嘴6流出，坩埚的内的压力可以控 制硅熔体的流量。硅熔体流出口嘴6的一侧是与狭缝的第二个耐高温面2连为一体，旋转辊4的表面与狭 缝第二个耐高温面2最靠近的部分就是狭缝的第一个耐高温面1，狭缝的第一个耐高温面1和狭缝的第二 个耐高温面2之间，就形成了一个狭缝，狭缝的第一个面和狭缝的第二个面的之间的距离在10微米到300 微米的范围，狭缝的厚度就是这个距离。旋转辊是由耐高温材料制成， 一般如陶瓷、石墨或高熔点金属材 料，旋转辊上设有温度控制装置，可以控制旋转辊表面的温度，从而控制狭缝第一个面的温度；狭缝的第 二个耐高温面2也是采用耐高温材料制成， 一般如陶瓷、石墨或高熔点金属材料，在狭缝的第二个面上也 设有温度控制装置，也可以控制狭缝第二个面的温度。可将旋转辊的表面上狭缝第一个耐高温面1区域的 温度控制在低于硅的熔点1415摄氏度，将狭缝第二个耐高温面2的温度控制在硅的熔点附近，当硅熔体 流到旋转辊表面的狭缝的第一个耐高温面1上时，由于这时狭缝的第一个耐高温面1的温度低于硅的熔点， 熔融的硅原子就会在狭缝的第一个耐高温面上结晶形成硅片3，由于狭缝的第二个耐高温面的温度在硅熔 点附近，两个面有温度差，在狭缝处就会形成一个垂直于耐高温面的温度场梯度，这个梯度可以有助于形 成有利的柱状硅晶体。由于受到狭缝的空间限制，硅片3的厚度不会超过狭缝的厚度，从而能够较好的控 制硅片的厚度。在结晶的同时，旋转辊也在旋转，在附着力作用下可以将结晶完的硅片从狭缝处输出，旋 转的速率与结晶速度相匹配，多晶硅片的厚度等于狭缝的厚度，这样就可以连续地制造出多晶硅片。
实施例2:该实施例的示意图如图2所示，这个实施例主要由狭缝的第一个面l，狭缝的第二个面2， 左侧旋转辊4、右侧旋转辊10，硅熔体出口 6和坩埚8等构成。该实施例的坩埚部分与实施例1基本相同， 坩埚8由耐高温的材料制成， 一般如陶瓷、石墨或高熔点金属材料，坩埚内装有多晶硅的原料，在坩埚的 加热器加热下，将多晶硅原料熔化为硅熔体7,坩埚8上方设有坩埚进气口 9，进气口接有惰性气体，如 氮气或氩气等，通过调整惰性气体的压力，就可以控制坩埚内部的压力，在坩埚内部压力和重力的作用下， 硅熔体可以从坩埚底部的硅熔体出口6流出，坩埚的内的压力可以控制硅熔体的流量。在硅熔体流出口6 的两侧分别与狭缝的第一个耐高温面1和狭缝的第二个耐高温面2相连，狭缝的第一个耐高温面1和狭缝 的第二个耐高温面2之间，就形成了一个狭缝，狭缝的第一个面和狭缝的第二个面的之间的距离在10微
米到300微米的范围，狭缝的厚度就是这个距离。狭缝的两个耐高温面也是采用耐高温材料制成， 一般如 陶瓷、石墨或高熔点金属材料，在狭缝的两个面上分别设有温度控制装置，可以分别控制狭缝两个面的温 度。可将狭缝第一个耐高温面1的温度控制在低于硅的熔点1415摄氏度，将狭缝第二个耐高温面2的温 度控制在硅的硅熔点附近，当硅熔体由硅熔体出口6流到狭缝的第一个耐高温面1上时，由于这时狭缝的 第一个耐高温面1的温度低于硅的熔点，熔融的硅原子就会在狭缝的第一个面上结晶形成硅片3,由于狭 缝的第二个耐高温面的温度在硅熔点附近，两个面有温度差，在狭缝处就会形成一个垂直于耐高温面的温 度场梯度，这个梯度可以有助于形成有利的柱状硅晶体。由于受到狭缝空间的限制，硅片3的厚度不会超 过狭缝的厚度，从而能够较好的控制硅片的厚度。在狭缝的下面有两个反向旋转的旋转辊，分别是左侧旋 转辊4和右侧旋转辊10,两个旋转辊并排夹住已经固化的硅片3，在摩擦力的作用下将结晶完的硅片不断 地从狭缝拉出，拉出的速率与结晶速度相匹配，多晶硅片的厚度等于狭缝的厚度，这样就可以连续地制造 出多晶硅片。
实施例3:该实施例的示意图如图3所示，这个实施例主要由左侧旋转辊4、右侧旋转辊IO、硅熔体 出口嘴6和坩埚8等构成，该实施例的坩埚部分与实施例1基本相同，坩埚8由耐高温的材料制成， 一般 如陶瓷、石墨或高熔点金属材料，坩埚内装有多晶硅的原料，在坩埚的加热器加热下，将多晶硅原料熔化 为硅熔体7，坩埚8上方设有坩埚进气口 9，进气口接有惰性气体，如氮气或氩气等，通过调整惰性气体 的压力，就可以控制坩埚内部的压力，在坩埚内部压力和重力的作用下，硅熔体可以从坩埚底部的硅熔体 出口嘴6流出，坩埚的内的压力可以控制硅熔体的流量。与实施例l不同的是硅熔体流出口嘴6不与狭缝 相连，在硅熔体流出口嘴6的下方有两个旋转辊并排设置，分别是左侧旋转辊4和右侧旋转辊10，左右侧 旋转辊的表面最接近的部分就分别是狭缝的第一个耐高温面1和狭缝的第二个耐高温面2，两个面之间就 形成了一个狭缝，狭缝的第一个面和狭缝的第二个面的之间的距离在10微米到300微米的范围，狭缝的 厚度就是这个距离。两个旋转辊都是由耐高温材料制成， 一般如陶瓷、石墨或高熔点金属材料，两个旋转 辊上分别设有温度控制装置，可以分别控制旋转辊表面的温度，从而分别控制狭缝两个耐高温面的温度。 可将左侧旋转辊的表面上狭缝第一个耐高温面1的温度控制在低于硅的熔点1415摄氏度，将右侧旋转辊 的表面上狭缝第二个耐高温面2的温度控制在硅的熔点附近，当硅熔体流到旋转辊表面的狭缝的第一个耐 高温面1上B寸，由于这时狭缝的第一个耐高温面1的温度低于硅的熔点，熔融的硅原子就会在狭缝的第一 个面上结晶形成硅片3,由于狭缝的第二个面的温度在硅熔点附近，两个面有温度差，在狭缝处就会形成 一个垂直于耐高温面的温度场梯度，这个梯度可以有助于形成有利的柱状硅晶体。由于受到狭缝空间的限 制，硅片3的厚度不会超过狭缝的厚度，从而能够较好的控制硅片的厚度。在结晶的同时，两个旋转辊也 在反向旋转，在附着力作用下可以将结晶完的硅片从狭缝处输出，旋转的速率与结晶速度相匹配，多晶硅 片的厚度等于狭缝的厚度，这样就可以连续地制造出多晶硅片。
实施例4:该实施例的示意图如图4所示，这个实施例主要由狭缝的第二个耐高温面2、上旋转辊4、 下旋转辊10、传输带12、硅熔体出口嘴6和坩埚8等构成，该实施例的柑埚部分与实施例1基本相同， 坩埚8由耐高温的材料制成， 一般如陶瓷、石墨或高熔点金属材料，坩埚内装有多晶硅的原料，在坩埚的 加热器加热下，将多晶硅原料熔化为硅熔体7，坩埚8上方设有坩埚进气口 9,进气口接有惰性气体，如 氮气或氩气等，通过调整惰性气体的压力，就可以控制坩埚内部的压力，在坩埚内部压力和重力的作用下， 硅熔体可以从坩埚底部的硅熔体出口嘴6流出，坩埚的内的压力可以控制硅熔体的流量。在硅熔体流出口 嘴6的一侧与狭缝的第二个耐高温面2相连，与实施例1不同的是，该实施例在硅熔体流出口嘴的下面设 有上旋转辊4和下旋转辊10，两个旋转辊之间连有传输带12，传输带12的表面与狭缝第二个面最靠近的 部分就是狭缝的第一个耐高温面1，狭缝的第一个面1和狭缝的第二个面2之间就形成了一个狭缝，狭缝 的第一个面和狭缝的第二个面的之间的距离在IO微米到300微米的范围，狭缝的厚度就是这个距离。传 输带是由耐高温材料制成， 一般如高熔点的金属材料，在传输带上设有温度控制装置，可以控制传输带表 面的温度，从而控制狭缝第一个面的温度；狭缝的第二个耐高温面也是采用耐高温材料制成， 一般如陶瓷、 石墨或高熔点金属材料，在狭缝的第二个面上也设有温度控制装置，也可以控制狭缝第二个面的温度。可 将传输带表面上的狭缝的第一个耐高温面1的温度控制在低于硅的熔点1415摄氏度，将狭缝第二个耐高
温面2的温度控制在硅的熔点附近，当硅熔体流到传输带表面上的狭缝的第一个耐高温面1上时，由于这 时狭缝的第一个耐高温面1的温度低于硅的熔点，熔融的硅原子就会在狭缝的第一个面上结晶形成硅片3, 由于狭缝的第二个面的温度在硅熔点附近，两个面有温度差，在狭缝处就会形成一个垂直于耐高温面的温 度场梯度，这个梯度可以有助于形成有利的柱状硅晶体。由于受到狭缝空间的限制，硅片y的厚度不会超 过狭缝的厚度，从而能够较好的控制硅片的厚度。在结晶的同时，上下两个旋转辊也在同向旋转，传输带 也随之传动，在附着力的作用下可以将在传输带表面上结晶完的硅片从狭缝处输出，旋转的速率与结晶速 度相匹配，多晶硅片的厚度等于狭缝的厚度，这样就可以连续地制造出多晶硅片。
实施例5:该实施例的示意图如图5所示，这个实施例主要由左上旋转辊4、左下旋转辊IO、左侧传 输带12、右侧上旋转辊13、右侧下旋转辊15、右侧传输带17、硅熔体出口嘴6和坩埚8等构成，该实施 例的坩埚部分与实施例l基本相同，坩埚8由耐高温的材料制成， 一般如陶瓷、石墨或高熔点金属材料， 坩埚内装有多晶硅的原料，在坩埚的加热器加热下，将多晶硅原料熔化为硅熔体7，坩埚8上方设有柑埚 进气口 9，进气口接有惰性气体，如氮气或氩气等，通过调整惰性气体的压力，就可以控制坩埚内部的压 力，在坩埚内部压力和重力的作用下，硅熔体可以从坩埚底部的硅熔体出口嘴6流出，坩埚的内的压力可 以控制硅熔体的流量。与实施例l不同的是在硅熔体流出口嘴6不与狭缝相连，该实施例在硅熔体流出口 嘴6的左侧下方设有左侧上旋转辊4和左侧下旋转辊10，两个旋转辊之间连有左侧传输带12;在硅熔体 流出口嘴6的右侧下方设有右侧上旋转辊13和右侧下旋转辊15，两个旋转辊之间连有右侧传输带17。左 侧传输带的右侧表面就是狭缝的第一个耐高温面1，右侧传输带的左侧表面就是狭缝的第二个耐高温面2， 狭缝的第一个耐高温面1和狭缝的第二个耐高温面2之间，就形成了一个狭缝，狭缝的第一个面和狭缝的 第二个面的之间的距离在10微米到300微米的范围，狭缝的厚度就是这个距离。传输带是由耐高温材料 制成， 一般如高熔点的金属材料，在两个传输带上分别设有温度控制装置，可以控制传输带表面的温度， 从而分别控制狭缝的两个耐高温面的温度。可将左侧传输带表面上的狭缝的第一个耐高温面1的温度控制 在低于硅的熔点1415摄氏度，将右侧传输带表面上的狭缝第二个耐高温面2的温度控制在硅的熔点附近， 当硅熔体流到第一个耐高温面1上时，由于这时狭缝的第一个耐高温面1的温度低于硅的熔点，熔融的硅 原子就会在狭缝的第一个耐高温面上结晶形成硅片3，由于狭缝的第二个耐高温面的温度在硅熔点附近， 两个面有温度差，在狭缝处就会形成一个垂直于耐高温面的温度场梯度，这个梯度可以有助于形成有利的 柱状硅晶体。由于受到狭缝空间的限制，硅片3的厚度不会超过狭缝的厚度，从而能够较好的控制硅片的 厚度。在结晶的同时，左侧上下两个旋转辊在旋转，左侧传输带随之传动，做顺时针传动，右侧上下两个 旋转辊也在旋转，右侧传输带也随之传动，做逆时针传动，在两个传输带的传动下，在附着力的作用下可 以将在传输带表面上结晶完的硅片从狭缝处输出，旋转的速率与结晶速度相匹配，多晶硅片的厚度等于狭 缝的厚度，这样就可以连续地制造出多晶硅片。
实施例6:该实施例的侧面截面示意图如图6所示，这个实施例主要由下模具4、上模板5、硅熔体进 口6和硅熔体出口7等构成，该实施例与上面几个实施例差别比较大，上面几个实施例都是一种连续制造 硅片方式，该实施例是一片一片非连续地制造硅片的方式。下模具4采用耐高温材料制成， 一般是陶瓷、 石墨材料或高熔点金属，下模具4是一块带有凹坑的平板，凹坑的底面l是一个平面，在凹坑的两边上分 别有两个通孔，它们分别就是硅熔体进口6和硅熔体出口7。上模板5是盖在下模具4上的，下模具的凹 坑底面1和上模板底面2之间就形成了一个狭缝，凹坑底面1就是狭缝的一个耐高温面，上模板底面2就 是狭缝的另一个耐高温面，凹坑的深度在IO微米到300微米的范围，凹坑的深度就是狭缝厚度。上模板 也是采用高温材料制成， 一般是陶瓷、石墨材料或高熔点金属。下模具和上模板分别都设有温度控制装置， 分别可以控制凹坑底面和下模板底面的温度。可以将凹坑底面1的温度控制在硅熔点1415摄氏度附近， 上模板底面2温度也控制在硅熔点1415摄氏度左右，从硅熔体进口 6将熔融的硅熔体注入到有下模具和 上模板构成的狭缝中，直至将狭缝完全注满，硅熔体出口7的作用是可以排出狭缝内的空气，同时在注入 过程中多余的硅熔体也可由硅熔体出口流出，当狭缝中注满硅熔体后，将硅熔体出口7加一定的压力与狭 缝内的硅熔体的压力保持平衡，注满的硅熔体就不会从硅熔体出口7流出了。此时将上模板底面的温度控 制到低于硅的熔点，注入的硅熔体就开始会在上模板底面结晶，下模具凹坑底面的温度在硅熔点附近，两
个面有温度差，在狭缝处就会形成一个垂直于底面的温度场梯度，这个梯度可以有助于形成有利的柱状硅 晶体。由于受到狭缝空间的限制，硅片3的厚度不会超过狭缝的厚度，从而能够较好的控制硅片的厚度。 当硅片结晶完后，将下模具与上模板分离，如图7所示，上模板的底面上附着的就是结晶完的硅片8。
权利要求
1.一种多晶硅片的制造方法，其特征在于将熔融的硅熔体注入一个狭缝，该狭缝是由两个耐高温面形成，可以分别独立设定这两个耐高温面的温度，硅熔体会在狭缝的耐高温面上结晶成硅片，狭缝的耐高温面可以约束硅片的厚度。
2、 根据权利要求1所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于将熔融的硅熔体注入一个狭缝。
3、 根据权利要求l所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于该狭缝是由两个耐高温面形成。
4、 根据权利要求1所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于可以分别独立设定这两个耐高温面的 温度。
5、 根据权利要求l所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于狭缝的耐高温面可以约束硅片的厚度。
6、 根据权利要求1所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于狭缝的两个耐高温面可以是旋转辊的表面。
7、 根据权利要求1所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于狭缝的两个耐高温面可以是传输带的 表面。
8、 根据权利要求1所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于可以只有一个狭缝的耐高温面是旋转 辊的表面。
9、 根据权利要求1所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于可以只有一个狭缝的耐高温面是传输 带的表面。
10、 根据权利要求l所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于狭缝的耐高温面可以是上模板底面2。
11、 根据权利要求10所述的一种多晶硅片的制造方法，其特征在于狭缝的耐高温面可以是下模具 的凹坑底面l。
全文摘要
一种用于生产太阳能电池的多晶硅片的制造方法，是将熔融的硅熔体注入到一个狭缝，硅熔体在狭缝的耐高温面上结晶，在狭缝空间的约束下，结晶成指定厚度的多晶硅片。它是一种使熔融状态的硅直接结晶成薄片硅的方法，因此可以提高硅材料的利用率，可以制造出200微米以下厚度的硅片，从而降低太阳能电池的成本。
文档编号C30B11/00GK101368290SQ20071004494
公开日2009年2月18日 申请日期2007年8月16日 优先权日2007年8月16日
发明者科 陈 申请人:科 陈