专利名称：一种制备大晶粒铸造多晶硅的新型石墨底板的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及大晶粒多晶娃的制备设备，具体是指一种制备大晶粒铸造多晶娃的新型石墨底板，通过对石墨底板进行改进，使得石英坩埚底部不同区域的散热强度不同，从而改善多晶娃初始形核的条件，为大晶粒的生长提供条件。
背景技术：
多晶硅是目前最主要的光伏材料，通过定向凝固工艺获得的铸造多晶硅，具有结晶取向一致、晶粒粗大均一等特点，该方法目前被多晶硅产业界广泛采用。相对于直拉单晶硅，铸造多晶硅太阳电池的效率要小1_2%。其主要原因是由于铸造多晶硅中存在大量的晶界和位错，它们能在硅禁带中引入深能级，成为光生少数载流子的有效复合中心，降低电池 的光电转换效率。因此，减少铸造多晶硅中的晶界密度、提高硅电池光转换效率是目前业界最主要的目标。铸造多晶硅中的晶界主要来源于晶体生长阶段。因此，生长高质量的大晶粒铸造多晶硅，降低晶界密度一直是光伏界研究的热点。目前铸造多晶硅主要是利用定向凝固的铸造技术，在方形石英陶瓷坩埚中生长多晶硅铸锭，但由于形核区域的面积较大，成核数目多，生长出的多晶硅晶粒细小，晶界密度高，影响了铸造多晶硅太阳电池的转换效率。因此，寻找一种能够减少成核数目的新型法对于低成本、高效率的铸造多晶硅太阳电池的开发和应用具有重要的意义。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种制备大晶粒铸造多晶硅的新型石墨底板，通过对石墨底板进行改进，使得石英坩埚底部不同区域的散热强度不同，从而改善多晶硅初始形核的条件，为大晶粒的生长提供条件。本实用新型的实现方案如下一种制备大晶粒铸造多晶硅的新型石墨底板，包括贴附在石英坩埚底部的石墨底板，所述石墨底板内镶嵌有若干均匀分布的冷源块，所述冷源块为点冷源块或\和棱冷源块。所述冷源块的厚度与石墨底板的厚度相等，且冷源块的两端面分别与石墨底板的上端面和下端面齐平，上端面为石墨底板靠近石英坩埚的一面，下端面为与上端面对称的面。所述冷源块的一端面与石墨底板的上端面齐平，上端面为石墨底板靠近石英坩埚的一面。所述冷源块的一端面高于石墨底板的上端面，上端面为石墨底板靠近石英坩埚的一面。冷源块为柱状形的点冷源块时，其横切面呈圆形或多边形。冷源块为棱冷源块时，其俯视方向的投影与纵横交叉连接的网格结构的俯视方向
投影一致。冷源块为棱冷源块时，其俯视方向的投影与小圆外套大圆的俯视方向投影一致。[0012]冷源块为棱冷源块时，其俯视方向的投影与小矩形外套大矩形的俯视方向投影一致。点冷源块或者棱冷源块在其俯视方向的投影面积占整个石墨底板面积的30%_70%现有技术的技术方案为目如生广多晶娃铸淀所应用的石墨底板，将多晶娃原料放置在石英陶瓷坩埚中，石英陶瓷坩埚放置在由石墨底护板及侧护板构成的“石墨坩埚”中，放置在热场系统中，加热使得硅料完全融化。然后，热场底部开启，热量从坩埚底部释放，温度降低，坩埚的底部将逐渐冷却到硅材料的结晶点温度。然后硅溶液在坩埚底部开始结晶，逐渐向上凝固，形成自下而上的柱状晶体结构。现有技术的缺点为由于传统的坩埚底护板为平板结构，其弊端是石英陶瓷坩埚的底面与底护板完全接触，因而对于坩埚底部来说，散热强度基本一致。从而在长晶初期，整个石英坩埚底面上温度分布基本一致，成核机会也一致，从而形成大量的晶核。使得晶体中的晶粒较小，在多晶体内的晶界密度及晶体缺陷密度较高，影响铸锭多晶晶体的质量，利·用其制作的太阳能电池转换效率也会受到影响。本实用新型提供了一种柱状大晶粒的铸造多晶硅的制备方法，通过对石墨底板进行改进，是石英坩埚底部不同区域的散热强度不同，从而改善多晶硅初始形核的条件，为大晶粒的生长提供条件。本实用新型涉及新型盖板的设计简单、成本低廉，与现有的铸锭炉的兼容性好，适合产工业化生产的大范围推广。本实用新型设计的新型石墨底板可以采用点冷的方式和棱冷的方式。点冷源的排列方式不但可以变化，而且点冷源的形状和大小也可以变化，棱冷的方式中，棱的大小和间距也是可以调整的。点冷源块和棱冷源块的材料是导热系数大于石墨的材料制备而成的，同时还具有较高的熔点，一般采用高纯金属钥或者钨。点冷源块和棱冷源块的厚度与石墨底板的厚度一致，大约在20至30毫米作用，整个点冷源块和棱冷源块是贯穿石墨底板上下两个平面的。本实用新型首先将石墨底板按照不同的设计方案加工成带有图案的底板，然后将高纯金属加工成与底板上的图形相匹配的点冷源块或\和棱冷源块，然后将其放入到石墨底板上，然后将石英陶瓷坩埚放在整个石墨底板上即可，整个复合式的石墨底板的安装过程十分方便。经过上述改造后石英坩埚底部的散热方式由平面变为分散的点冷与棱冷。从而改变了初始形核阶段石英坩埚底部的散热方式。在点冷或棱冷的条件下，石英坩埚底部的硅液体在形核的初期由于散热条件的不用，不同部位的硅液体处于不用的冷却条件下，因此形核数量以及生长速度都会发生变化，在有点冷源块或棱冷源块的位置处，由于散热较快，因此形核速度快，同时点冷源块和棱冷源块还产生了径向的温度梯度，形核后的硅晶体会横向生长，而在无冷源的位置处，由于散热较慢，因此形核速度较慢，而且不会发生横向生长，由于石英坩埚底部不同位置的散热条件发生变化，因此可以有效地改善坩埚底部硅熔体的形核与生长条件，点冷或棱冷处的成核速度较快，生长速度也较快，同时还能够发生横向生长，随着生长的进行能够淘汰临近位置无冷源处的晶体，因此再生长过程中占据主导地位，这样生长出的晶体的晶粒尺寸明显得到了增大。本实用新型的有益效果是，减少在铸锭多晶结晶初期的成核数量，并且在结晶初期控制晶粒横向长大后再向上生长，从而获得具有较大横截面积的柱状多晶硅晶锭。降低铸淀多晶娃体内晶界及缺陷密度，提闻晶体质量，从而提闻光伏电池的转换效率。
图I为棱冷与点冷新型石墨底板传热示意图。图2为点冷时石墨底板示意图。图3为棱冷时石墨底板示意图一。图4为棱冷时石墨底板示意图二。图5为棱冷时石墨底板示意图三。图6为传统铸锭炉中石墨底板的传热示意图。图中的标号分别表不为1、石英樹祸；2、娃溶体；3、石墨底板；4、冷源块。
具体实施方式
实施例一如图I所不。一种制备大晶粒铸造多晶娃的新型石墨底板，包括贴附在石英樹祸I底部的石墨底板3，所述石墨底板3内镶嵌有若干均匀分布的冷源块4，所述冷源块4为点冷源块或\和棱冷源块。冷源块4与石墨底板的键接关系为冷源块4的厚度与石墨底板3的厚度相等,且冷源块的两端面分别与石墨底板的上端面和下端面齐平，上端面为石墨底板3靠近石英坩埚I的一面，下端面为与上端面对称的面。或者冷源块4与石墨底板的镶接关系为冷源块4的一端面与石墨底板3的上端面齐平，上端面为石墨底板3靠近石英坩埚I的一面。或者冷源块4与石墨底板的镶接关系为冷源块4的一端面高于石墨底板3的上端面，上端面为石墨底板3靠近石英坩埚I的一面。如图2所示，冷源块4为柱状形的点冷源块时，其横切面呈圆形或多边形。如图3所示，冷源块4为棱冷源块时，其俯视方向的投影与纵横交叉连接的网格结构的俯视方向投影一致。如图4所示，冷源块4为棱冷源块时，其俯视方向的投影与小圆外套大圆的俯视方
向投影一致。如图5所示，冷源块4为棱冷源块时，其俯视方向的投影与小矩形外套大矩形的俯视方向投影一致。如图6所不,现有技术的技术方案为目如生广多晶娃铸淀所应用的石墨底板，将多晶硅原料放置在石英陶瓷坩埚中，石英陶瓷坩埚放置在由石墨底护板及侧护板构成的“石墨坩埚”中，放置在热场系统中，加热使得硅料完全融化。然后，热场底部开启，热量从坩埚底部释放，温度降低，坩埚的底部将逐渐冷却到硅材料的结晶点温度。然后硅溶液在坩埚底部开始结晶，逐渐向上凝固，形成自下而上的柱状晶体结构。现有技术的缺点为由于传统的坩埚底护板为平板结构，其弊端是石英陶瓷坩埚的底面与底护板完全接触，因而对于坩埚底部来说，散热强度基本一致。从而在长晶初期，整个石英坩埚底面上温度分布基本一致，成核机会也一致，从而形成大量的晶核。使得晶体中的晶粒较小，在多晶体内的晶界密度及晶体缺陷密度较高，影响铸锭多晶晶体的质量，利用其制作的太阳能电池转换效率也会受到影响。[0038]本实用新型提供了一种柱状大晶粒的铸造多晶硅的制备方法，通过对石墨底板进行改进，是石英坩埚底部不同区域的散热强度不同，从而改善多晶硅初始形核的条件，为大晶粒的生长提供条件。本实用新型涉及新型盖板的设计简单、成本低廉，与现有的铸锭炉的兼容性好，适合产工业化生产的大范围推广。本实用新型设计的新型石墨底板可以采用点冷的方式和棱冷的方式。点冷源的排列方式不但可以变化，而且点冷源的形状和大小也可以变化，棱冷的方式中，棱的大小和间距也是可以调整的。点冷源块和棱冷源块的材料是导热系数大于石墨的材料制备而成的，同时还具有较高的熔点，一般采用高纯金属钥或者钨。点冷源块和棱冷源块的厚度与石墨底板的厚度一致，大约在20至30毫米作用，整个点冷源块和棱冷源块是贯穿石墨底板上下两个平面的。本实用新型首先将石墨底板按照不同的设计方案加工成带有图案的底板，然后将高纯金属加工成与底板上的图形相匹配的点冷源块或\和棱冷源块，然后将其放入到石墨底板上，然后将石英陶瓷坩埚放在整个石墨底板上即可，整个复合式的石墨底板的安装过 程十分方便。经过上述改造后石英坩埚底部的散热方式由平面变为分散的点冷与棱冷。从而改变了初始形核阶段石英坩埚底部的散热方式。在点冷或棱冷的条件下，石英坩埚底部的硅液体在形核的初期由于散热条件的不用，不同部位的硅液体处于不用的冷却条件下，因此形核数量以及生长速度都会发生变化，在有点冷源块或棱冷源块的位置处，由于散热较快，因此形核速度快，同时点冷源块和棱冷源块还产生了径向的温度梯度，形核后的硅晶体会横向生长，而在无冷源的位置处，由于散热较慢，因此形核速度较慢，而且不会发生横向生长，由于石英坩埚底部不同位置的散热条件发生变化，因此可以有效地改善坩埚底部硅熔体的形核与生长条件，点冷或棱冷处的成核速度较快，生长速度也较快，同时还能够发生横向生长，随着生长的进行能够淘汰临近位置无冷源处的晶体，因此再生长过程中占据主导地位，这样生长出的晶体的晶粒尺寸明显得到了增大。本实用新型由于采取以上技术方案(1)相比较常规的石墨底板而言，本实用新型的新型石墨底板可以有效地改善石英坩埚中硅熔体的初始形核条件，在石英坩埚底部不同的位置产生不同的形核与生长条件，新型石墨盖板不但可以盖上形核与生长条件，同时冷源位置处的晶体在生长过程中的速度较快，可以淘汰临近位置无冷源晶体的生长，因此可以得到具有大尺寸晶粒的多晶硅铸锭。(2)本实用新型的石墨盖板上的点冷源块与棱冷源块采用的材料为高纯的钥或者钨，他们的大小以及排列方式都可以灵活的变化。(3)本实用新型使用的新型石墨底板与传统的铸锭炉设备相兼容，不需要增加设备，工艺成本较低，产能较大，具有非常好的产业前景。其中本实用新型所涉及新型石墨底板较为重要的方面有(1)石墨底板上的点冷与棱冷的大小和形状是可以调整的，同时点冷源与棱冷源的分布要求对称性；(2)点冷源与棱冷源贯穿整个石墨底板，其厚度可以随着石墨底板的厚度的变化而变化。(3)点冷源与棱冷源所采用的材料要求传热系数要大于石墨底板，同时还要具有较高的熔点。如上所述，则能很好的实现本实用新型。
权利要求1.一种制备大晶粒铸造多晶硅的新型石墨底板，包括贴附在石英坩埚(I)底部的石墨底板(3)，其特征在于所述石墨底板(3)内镶嵌有若干均匀分布的冷源块(4)，所述冷源块(4)为点冷源块或\和棱冷源块。
2.根据权利要求I所述的一种制备大晶粒铸造多晶硅的新型石墨底板，其特征在于所述冷源块(4)的厚度与石墨底板(3)的厚度相等，且冷源块的两端面分别与石墨底板的上端面和下端面齐平，上端面为石墨底板(3)靠近石英坩埚(I)的一面，下端面为与上端面对称的面。
3.根据权利要求I所述的一种制备大晶粒铸造多 晶硅的新型石墨底板，其特征在于所述冷源块(4)的一端面与石墨底板(3)的上端面齐平，上端面为石墨底板(3)靠近石英坩埚(I)的一面。
4.根据权利要求I所述的一种制备大晶粒铸造多晶硅的新型石墨底板，其特征在于所述冷源块(4)的一端面高于石墨底板(3)的上端面，上端面为石墨底板(3)靠近石英坩埚(I)的一面。
5.根据权利要求I所述的一种制备大晶粒铸造多晶硅的新型石墨底板，其特征在于冷源块(4)为柱状形的点冷源块时，其横切面呈圆形或多边形。
6.根据权利要求I所述的一种制备大晶粒铸造多晶硅的新型石墨底板，其特征在于冷源块(4)为棱冷源块时，其俯视方向的投影与纵横交叉连接的网格结构的俯视方向投影—致。
7.根据权利要求I所述的一种制备大晶粒铸造多晶硅的新型石墨底板，其特征在于冷源块(4)为棱冷源块时，其俯视方向的投影与小圆外套大圆的俯视方向投影一致。
8.根据权利要求I所述的一种制备大晶粒铸造多晶硅的新型石墨底板，其特征在于冷源块(4)为棱冷源块时，其俯视方向的投影与小矩形外套大矩形的俯视方向投影一致。
专利摘要本实用新型公开了一种制备大晶粒铸造多晶硅的新型石墨底板，包括贴附在石英坩埚底部的石墨底板，所述石墨底板内镶嵌有若干均匀分布的冷源块，所述冷源块为点冷源块或\和棱冷源块。本实用新型的有益效果是，减少在铸锭多晶结晶初期的成核数量，并且在结晶初期控制晶粒横向长大后再向上生长，从而获得具有较大横截面积的柱状多晶硅晶锭。降低铸锭多晶硅体内晶界及缺陷密度，提高晶体质量，从而提高光伏电池的转换效率。
文档编号C30B28/06GK202730303SQ20122043209
公开日2013年2月13日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者罗大伟, 王临水, 路忠林, 林洪峰, 张凤鸣 申请人:天威新能源控股有限公司