专利名称：一种制备准单晶硅的铸锭炉及制备准单晶硅的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备准单晶硅的铸锭炉及制备准单晶硅的方法。
背景技术：
准单晶(Mono Like)是基于多晶铸锭的工艺，在长晶时通过部分使用单晶籽晶，获得外观和电性能均类似单晶的多晶硅片。这种通过铸锭的方式形成单晶硅的技术，其功耗只比普通多晶硅多5%，所生产的单晶硅的质量接近直拉单晶硅。简单地说，这种技术就是用多晶硅的成本，生产单晶硅的技术。在当今快速发展的光伏行业，高效率和低成本一直是业内人士所追求的目标。晶体硅作为当今最主要的太阳电池材料而广泛应用，而晶体硅市场上单晶硅和多晶硅占主导地位。单晶硅一般采用直拉法(Cz)法制得，使用特定向的单晶籽晶经过化料、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等工序制备，所得晶体具有低缺陷、高效率等优点，但该法对原料及操作要求较高，且每次投炉量少，成本较高；多晶硅一般采用定向凝固法(DSS)制得，通过加热、融化、长晶、退火、冷却等工序制备，所得晶体具有多晶界、低效率等缺点，但该法对原料及操作要求不高，且每次投炉量大，成本较低。为了追求一种兼具单晶硅转换效率高与多晶硅工艺成本较低、易于大规模生产的优点，产业界考虑用多晶铸造的方法来铸造单晶，即用预留的硅单晶籽晶作为晶体生长的起点来实现长晶，浙江大学的杨德仁、余学功针对此展开了一些工作，其专利CN 101654805A提到了一种方法，但其操作较为复杂且难以控制，得到的准单晶比例不闻。DSS铸锭炉准单晶铸锭过程典型方法:在坩埚底部铺设一层籽晶，硅原料逐渐加热到1410°C以上开始融化，此时隔热笼从下往上移动到一定高度，使硅原料全部融化为液体而保证底部籽晶不被完全融化，进入晶体生长后，继续提升隔热笼，热量从坩埚底部导出，形成垂直的温度梯度，从而熔体的定向凝 固从下往上开始。因为在融化和长晶阶段都涉及到隔热笼的移动，而隔热笼的移动无法精确控制籽晶温度和固液界面，时常出现部分籽晶过度融化或者没有融化的现象，导致无法形成大面积准单晶或者没有准单晶；在长晶初始阶段隔热笼已经打开，温度控制紊乱，在成核阶段没有提供足够的过冷度以及平坦的固液界面而导致硅锭下部杂质集中，致使硅料利用率下降，增加成本。
发明内容
本发明提供了一种制备准单晶硅的铸锭炉。本发明的另一技术方案是提供了准单晶硅的制备方法。本发明提供了一种制备准单晶硅的铸锭炉，包括炉体、坩埚、石墨柱；石墨柱安装在炉体底部，坩埚安装在石墨柱上，炉体和坩埚有导流筒相连；炉体和坩埚之间设有隔热装置；坩埚外部设置有加热装置；坩埚底部设置有热交换装置；热交换装置上有冷气管和热气管与热交换器连接。其中，所述的热交换装置(6)中冷气由中部进入，进入5X5矩阵或6 X 6矩阵的分流口，由边缘流出。本发明还提供了一种制备准单晶硅的方法，它是在上述铸锭炉中完成准单晶硅的生长。具体地，它包括如下步骤:a、装料:将包含籽晶的原料放入坩埚中，其中籽晶平铺在坩埚底部，在籽晶上部放置原生多晶硅以及掺杂元素，将电阻率调节至1.5Ω.Cm ;b、加热:在9个小时内将坩埚温度升至1412-1550°c ；C、熔化:保持坩埚顶部温度1412-1550°C，开启热交换器的气体阀门，在2小时内将气体流量升为30SLM，且持续供应气体，坩埚底部温度调至1390-1410°C，整个融化过程持续8-10小时；d、长晶:保持坩埚顶部温度1412_1550°C，坩埚底部气体流量在半小时内从30SLM增加至65SLM，底部温度从1390-1410°C迅速降低至1356_1370°C，整个长晶过程持续23-25小时；e、关闭热交换器的气体阀门， 甘埚在1356-1370°C退火、冷却，即得准单晶硅锭。其中坩埚的顶部温度通常是通过红外测温仪测定熔体表面的温度。坩埚底部温度是通过热电偶来测定坩埚与热交换装置接触面的温度。进一步优选地，步骤a所述的掺杂元素为硼。进一步优选地，步骤b所述的坩埚温度为1550°C。进一步优选地，c步骤所述的坩埚的顶部温度为1430°C ;所述的坩埚底部温度为1410。。。进一步优选地，所述的d步骤为:保持顶部温度1430°C，底部气体流量由30SLM在半小时内增加至65SLM，此时底部温度由1410°C迅速降低至1356°C，整个长晶过程持续24小时。进一步优选地，所述的e步骤在1370°C退火2小时、并冷却10小时即得准单晶硅锭。本发明通过使用特殊的热交换装置，用气体换热的方式替代传统的隔热笼换热，解决了难以精确控制籽晶温度和固液界面不平坦化的问题，提高准单晶比例以及提升硅料利用率。
图1本发明铸锭炉结构示意2铸锭炉热交换装置剖面3本发明制备的准单晶硅照片
具体实施例方式实施例1本发明准单晶硅的制备方法
采用图1所述的铸锭炉气冷散热的结构示意图，具体方法如下:a、装料:将包含籽晶的原料放入坩埚中，其中籽晶平铺在坩埚底部，在籽晶上部放置原生多晶硅以及掺杂元素，将电阻率调节至1.5Ω.cm ;
b、加热:在9个小时内将坩埚温度升至1550°C，此时原料开始从顶部熔化；C、熔化:将坩埚顶部温度调节至1430°C，底部温度调至1410°C，同时开启底部气体阀门，并在2小时内将气体流量升为30SLM，且持续供应以保证籽晶不被全部融化，整个融化过程会持续8-10小时；d、长晶:保持顶部温度1430°C，底部气体流量由30SLM在半小时内增加至65SLM以实现晶体生长过冷度的需求，此时底部温度由1410°C迅速降低至1356°C，实现底部定向散热，晶体开始生长，整个长晶过程会持续24小时左右；e、在1370°C退火2小时、并冷却10小时即得准单晶硅锭。本发明采用特殊热交换装置如图2所示，气体由中部进入，进过5 X 5个分流口，由边缘流出。因为生产中硅锭重量约为420公斤，840X840豪米，经过开方之后分为5X5=25块硅块，所以根据需要，在热交换装置设计中采用5x5个通气口。融化及长晶过程中25个通气孔均匀通以冷却气体精确控制温度。其中通气孔的直径及高度根据通气量来设计，一般来说，可以将铸锭炉热场中的DS-BLOCK整个石墨块改造成具有通气结构的换热器，同时根据需要在炉体下部打开适当尺寸的出气口与进气口。本发明的要点在于表I所示:在刚进入融化阶段底盘流量打开，硅料从顶部逐渐向下融化，而坩埚底部由于有冷却气体的存在，通过设定底盘温度，PID调节底盘流量使温度始终在低于熔点的设定值变化，等温曲线始终与坩埚底部平行，不会出现局部过热现象，这就能精确控制坩埚底部(籽晶)温度，不会出现籽晶过度融化或者没有融化的现象。在融化结束后，始终保持底部温度在1410°C，有一个小时的熔体充分搅拌时间，进入长晶后，底部气流量加大使得底部温度下降以 提供足够大的过冷度，使熔体快速的沿籽晶方向生长，很好的继承了籽晶的晶体结构，得到完整的单晶结构，在后续的长晶过程中温度也精确控制，提供了均匀的等温曲线，使固液界面平坦化，杂质很好的排出，提高了准单晶锭的质量。在整个过程中隔热装置没有打开，避免了机械扰动和热对流。表1.准单晶制备部分工艺设定
工作模式I工序IX序长度I特殊功能I顶温度I隔热装置位置I底盘温度I底盘流量.........前序步骤
融化 3 2:00 无 I1550.0 I0.00 1360 30
融化 4 4:00 融化结束1540.0 0.PO__1410__30
融化 5 0:30__X1450.0 0.PO__MlO__30
融化 6 0:10__；￡1430.0 O, PO__MlO__60融化 7 0:20__无1,130.0 0.PO__HlO__60
长品 I 0:15__无1430.0 0.00__UlO__65
长晶 2 0:13__无1430.0 0.PO__1356__65
K晶 I 3 I 0:10 I 无 I1430.0 I0.PO 1356 65
____…屮间步—___
长晶 I 8 I 8:00 丨无 I1.114.0 I0.0Q 1050 65
长晶 I 9 [ 1:00 无1412.0O, PO 1047 65因为要实现准单晶硅在约I平方米的坩埚底部开始生长，需要带出的热量很大，约为20_60kw，循环管路内气体流速快，用气量大，基于成本考虑，多采用气体的闭路循环，将热交换后的高温气体导出炉体，进行炉外水冷，然后低温气体重新进入热场冷却。工艺过程如图1所示:炉体连接一个热交换器，使得带出来的超热气体经过换热，变成低温气体，再次进入热场循环。该方案通过使用特殊的热交换装置，使用气体换热来控制温度及调节固液界面，实现了籽晶温度控制和长晶界面平坦化，从而提高准单晶比例以及提升硅料利用率。有实验显示，通过该方案生长的准单晶，电池转换效率比常规准单晶电池转换效率高出
0.1-0.2%,多晶硅锭的利用率可以提高4-5%。图3为本发明制备的准单晶硅，通过肉眼观测的，准单晶硅锭中部无多晶晶界，且通过后续电池加工，其效率比普通的硅片高。实施例2本发明准单晶硅的制备方法a、装料:将包含籽晶的原料放入坩埚中，其中籽晶平铺在坩埚底部，在籽晶上部放置原生多晶硅以及掺杂元素，将电阻率调节至1.5Ω.cm ;b、加热:在9个小时内将坩埚温度升至1412°C，此时原料开始从顶部熔化；C、熔化:将加热装置顶部温度调节至1412°C，底部温度调至1407°C，同时开启底部气体，并在2小时内将气体流量升为30SLM，且持续供应以保证籽晶不被全部融化，整个融化过程会持续8小时； d、长晶:保持顶部温度1412°C，底部气体流量由30SLM在半小时内增加至65SLM以实现晶体生长过冷度的需求，此时底部温度由1407°C迅速降低至1356°C，实现底部定向散热，晶体开始生长，整个长晶过程会持续24小时左右；e、在1370°C退火2小时、并冷却10小时即得准单晶硅锭。实施例3本发明准单晶硅的制备方法a、装料:将包含籽晶的原料放入坩埚中，其中籽晶平铺在坩埚底部，在籽晶上部放置原生多晶硅以及掺杂元素，将电阻率调节至1.5Ω.cm ;b、加热:在9个小时内将坩埚温度升至1550°C，此时原料开始从顶部熔化；C、熔化:将加热装置顶部温度调节至1550°C，底部温度调至1410°C，同时开启底部气体，并在2小时内将气体流量升为30SLM，且持续供应以保证籽晶不被全部融化，整个融化过程会持续10小时；d、长晶:保持顶部温度1550°C，底部气体流量由30SLM在半小时内增加至65SLM以实现晶体生长过冷度的需求，此时底部温度由1410°C迅速降低至1356°C，实现底部定向散热，晶体开始生长，整个长晶过程会持续24小时左右；e、在1356°C退火2小时、并冷却10小时即得准单晶硅锭。综上所述，本发明准单晶硅的制备方法的技术要点如下:1.在多晶硅铸锭炉中使用底部通气进入热场的方法来保证垂直的温度梯度，并保证坩埚底部的籽晶层不被完全融化。2.从底部进入用于冷却的气体为氩气，氮气或氦气等高热容比气体。气体散热量与提升隔热装置的散热量一致，约为20-60kw。3.冷却气体采用闭路循环控制，导出的热气经过外围的水冷换热装置冷却后再次进入铸锭炉热场底部，起到循环散热的作用。4、该气冷循环保证铸锭炉内底部籽晶不融化的设计，可以使用于G5，G6的铸锭炉热场，既可以生产5X5约840X840平方毫米，也可以生产6X6约1000X 1000平方毫米的方形 娃锭。
权利要求
1.一种制备准单晶硅的铸锭炉，其特征在于:包括炉体(I)、坩埚(2)、石墨柱(3);石墨柱(3)安装在炉体(I)底部，坩埚(2)安装在石墨柱(3)上，炉体(I)和坩埚(2)有导流筒(8)相连；炉体(I)和坩埚(2)之间设有隔热装置(4);坩埚(2)外部设置有加热装置(5);坩埚底部设置有热交换装置(6);热交换装置(6)上有冷气管(61)和热气管(62)与热交换器(7)连接。
2.根据权利要求1所述的铸锭炉，其特征在于:所述的热交换装置(6)中冷气由中部进入，进入5X5矩阵或6X6矩阵的分流口，由边缘流出。
3.一种制备准单晶硅的方法，它是在权利要求1或2所述的铸锭炉中完成准单晶硅的生长。
4.根据权利要求1所述的准单晶硅的制备方法，它包括如下步骤: a、装料:将包含籽晶的原料放入坩埚中，其中籽晶平铺在坩埚底部，在籽晶上部放置原生多晶硅以及掺杂元素，将电阻率调节至1.5Ω.cm ; b、加热:在9个小时内将坩埚温度升至1412-1550°C； C、熔化:保持坩埚顶部温度1412-1550°C，开启热交换器的气体阀门，在2小时内将气体流量升为30SLM，且持续供应气体，坩埚底部温度调至1390-1410°C，整个融化过程持续8-10小时； d、长晶:保持坩埚顶部温度1412-1550°C，坩埚底部气体流量在半小时内从30SLM增加至65SLM，底部温度从1390-1410°C迅速降低至1356_1370°C，整个长晶过程持续23-25小时； e、关闭热交换器的气体阀门，坩埚在1356-1370°C退火、冷却，即得准单晶硅锭。
5.根据权利要求4所述的准单晶硅的制备方法，其特征在于:步骤a所述的掺杂元素为硼。
6.根据权利要求4所述的准单晶硅的制备方法，其特征在于:步骤b所述的坩埚温度为 1550。。。
7.根据权利要求4所述的准单晶硅的制备方法，其特征在于:c步骤所述的顶部温度为14300C ;所述的坩埚底部温度为1410°C。
8.根据权利要求4所述的准单晶硅的制备方法，其特征在于:所述的d步骤为:保持顶部温度1430°C，底部气体流量由30SLM在半小时内增加至65SLM，此时底部温度由1410°C迅速降低至1356°C，整个长晶过程持续24小时。
9.根据权利要求4所述的准单晶硅的制备方法，其特征在于:所述的e步骤在1370°C退火2小时、并冷却10小时即得准单晶硅锭。
全文摘要
本发明提供了一种制备准单晶硅的铸锭炉。本发明还提供了一种准单晶硅的制备方法，它是在准单晶铸锭炉中完成准单晶硅的生长，采用热交换装置，利用气体换热，控制温度、调节固液界面，生长准单晶。本发明通过使用特殊的热交换装置，用气体换热的方式替代传统的隔热笼换热方式，能精确控制籽晶温度，解决了固液界面不平坦的问题，提高准单晶比例以及提升硅料利用率。
文档编号C30B28/06GK103205807SQ201210583938
公开日2013年7月17日 申请日期2012年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者吕铁铮, 李万辉 申请人:江苏有能光电科技有限公司