一种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法
【专利摘要】一种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法，本发明涉及一种柱状晶硅锭的制备方法。本发明的目的是解决目前电磁连铸技术制备的硅锭的柱状晶宽度较小，从而影响光电转换率的提高，而提供一种具有大尺寸晶粒的硅锭的定向生长方法。步骤一、将料斗装满颗粒硅；步骤二、利用真空泵将真空室抽真空；步骤三、向真空室充入300～400Pa的氩气；步骤四、感应线圈通入单相交流电；步骤五、启动步进电机；步骤六、启动位移电机驱动拉杆；步骤七、柱状晶硅锭的外层有1mm～2mm的多晶层，外层内部为平行于拉杆方向的柱状晶，将多晶层加工去除后即为具有定向凝固多晶硅锭。本发明应用于绿色能源制造业领域。
【专利说明】一种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种柱状晶硅锭的制备方法。
【背景技术】
[0002] 授权专利名称为一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备方法（专利号： ZL201010609932. 8)中，解决了现有电磁连铸不能定向凝固多晶硅，或定向凝固多晶硅时陶 瓷或石墨容器的污染而降低多晶硅纯度的问题。利用一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制 备方法，制备的硅锭除表层为约1-2_的多晶区外，中间全部为平行于抽拉方向的定向凝 固组织的柱状晶，柱状晶的宽度约为1-2. 8_，但是柱状晶的宽度还有很大的提升空间。基 于授权专利名称为一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备方法，对该专利中的形成一定的 硅熔体驼峰后的保温时间进行了修正，并且对比了参数修正前后柱状晶的变化。
[0003] 目前市场上的硅太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅三大类：单晶硅太阳 能电池以其转换效率高（目前已大于25%)、质量稳定等特点在国际市场上得到了广泛的 应用，但单晶硅对原料的纯度要求高（99. 999999999% )，因此，单晶硅生产成本高，制约了 单晶硅的应用。非晶硅太阳能电池转换效率较低（14. 5%)，性能极不稳定，电池衰减快，其 应用受到了制约。多晶硅太阳能电池以其转换效率较高（19. 8%)，性能稳定和成本适中而 得到广泛应用，多晶硅电池对原料的纯度要求低，原料的来源渠道也较为广阔，可由铸锭而 成，适合大规模商业化生产，占据市场的主导地位。目前的多晶硅可分为等轴晶和柱状晶， 柱状晶因为晶界的减少转换率得到提高，也就是说在相同条件下制备的多晶硅锭，晶界越 少，光电转换率越高。定向凝固是在控制铸件内部传热、传质和流动的条件下，金属（或晶 体类材料）能够沿固定生长方向进行凝固或结晶的过程。定向凝固后金属的组织特征是与 凝固热流方向平行的一组平行柱状晶。定向凝固是在满足单向的热量和质量传递基本条件 下的特殊的材料加工工艺。目前定向凝固多晶硅锭的制备主要是在陶瓷（刚玉）或石墨套 筒中进行，套筒内壁对颗粒硅产生污染，以致最后影响硅锭的纯度。电磁连铸技术是一种可 以定向凝固多晶硅的技术，但是其柱状晶的宽度大多小于3_，虽然其晶界减少较多，但还 是难以达到陶瓷坩埚制备的柱状晶的宽度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是解决目前电磁连铸技术制备的硅锭的柱状晶宽度较小，从而影响 光电转换率的提1?，而提供一种具有大尺寸柱晶的娃淀的制备方法。
[0005] -种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法，它按以下步骤实现：
[0006] 步骤一、石墨底座的上端面设置在距冷坩埚的上端面25mm?30mm处，将料斗装满 颗粒硅，并先漏入石墨底座的上端面上250g?300g的颗粒硅；
[0007] 步骤二、利用真空泵将真空室抽真空，使真空室的真空度为0. 05Pa?0. IPa ;
[0008] 步骤三、向真空室充入300?400Pa的氩气；
[0009] 步骤四、感应线圈通入单相交流电，电源功率为50kW?55kW，通过感应线圈使冷 坩埚内的颗粒硅感应加热并完全熔化，感应线圈的线径为Φ8mm?Φ 12mm，感应线圈的匝 数为4匝；
[0010] 步骤五、启动步进电机使颗粒硅连续不断的向冷坩埚内加入，形成颗粒硅熔体驼 峰后，停止步进电机，保温30?50min ;
[0011] 步骤六、启动位移电机驱动拉杆以0. 5mm/min?I. Omm/min的速度向下运动，同时 启动步进电机，使石墨管中的颗粒硅与抽拉凝固的硅锭相适用的速度连续不断的向冷坩埚 内加料，同时冷坩埚下面的冷却器为熔化的颗粒硅提供强冷，使熔化的颗粒硅形成具有定 向凝固组织的柱状晶，待石墨底座向下移动120mm?160mm后，即为所需长度的柱状晶娃 锭；
[0012] 步骤七、柱状晶硅锭的外层有Imm?2mm的多晶层，外层内部为平行于拉杆方向的 柱状晶，将多晶层加工去除后即为具有定向凝固多晶硅锭。
[0013] 本发明具有以下优点：
[0014] 一、本发明方法制备的多晶硅锭是在真空室内制备而成，并且冷坩埚8的材质为 紫铜，且紫铜内通冷却水。因此，本发明方法制备的多晶硅锭无污染；利用本发明方法生 产的多晶硅锭具有定向凝固组织的柱状晶，且柱状晶生长连续、柱状晶大，柱状晶的宽度为 3_?8_，柱状晶贯穿多晶硅锭的高度，因此，本发明方法制备的多晶硅锭纯度高，柱状晶 宽度大。二、本发明方法制备的多晶硅锭具有环保、低碳的优点。三、本发明方法制备的具 有大尺寸柱状晶的硅锭特别适用于太阳能级多晶硅对纯度的要求。本发明方法与一种具有 定向凝固组织多晶硅锭的制备方法相比能够增加柱状晶的平均宽度，减少晶界数量，从而 能够增加多晶硅太阳能电池的转换效率。
[0015] 随着保温时间的增长，熔体过热度增加，晶体内部高熔点的夹杂物变少，抑制了其 非均匀形核效果，促进了晶体的长大。
[0016] 工作原理：
[0017] 本发明由感应加热、电磁约束、初始大晶粒形成，柱状晶生长四个过程实现的；在 感应加热方面，电磁感应加热石墨，石墨预热颗粒硅，颗粒硅被直接感应加热至熔化；在电 磁约束方面,高频磁场将原料感应熔化,并形成驼峰,通过螺杆22和拉杆5速度来控制驼峰 高度，增大感应线圈17功率使熔体过热度增大，且与冷坩埚8的内壁接触面积减小，减小凝 壳效应，使熔体处于稳定形态；在初始大晶粒形成方面，通过初始保温时间的增长，而使得 初始晶粒变得较大，为后续的晶粒生长提供大的初始晶粒尺寸；在柱状晶生长方面，由于冷 坩埚8下面冷却器4的冷却，形成大的温度梯度分布，电磁场搅拌使熔质分布均匀，电磁约 束的软接触效应，使得侧向散热得到抑制，感应加热使得硅颗粒熔化，通过长时间的预热使 初始晶粒慢慢长大，最后形成平直的固液界面，通过较低的生长速度，使凝固界面保持平直 或者上凸，最后在水冷坩埚中获得无污染的大晶粒的定向凝固。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是实现本发明方法的一种具有定向凝固多晶硅锭的制备装置的结构主剖视 图；
[0019] 图2是图1的A-A剖视图；
[0020] 图3是冷坩埚8的结构主剖视图；
[0021] 图4是图3的B-B剖视图；
[0022] 图5是图4的I局部放大图；其中：炉体1、真空室2、真空泵3、冷却器4、拉杆5、 位移电机6、石墨底座7、冷坩埚8、方环状出水管9、出水接管10、第一螺母11、水箱进水管 12、方环状进水管13、进水接管14、第二螺母15、水箱出水管16、感应线圈17、石墨管18、支 撑板19、聚料斗20、壳体21、螺杆22、联轴器23、可调式变速箱24、步进电机25、料斗26、上 半体8-1、下半体8-2、绝缘密封材料8-3、截面为花瓣状的柱体8-4、通水孔8-5和纵向盲孔 8-6 ；
[0023] 图6(a)是实施例保温时间15min的合金的显微组织图；
[0024] 图6(b)是实施例保温时间35min的合金的显微组织图；
[0025] 图7 (a)是实施例为保温5min后制备的多晶硅铸锭图；
[0026] 图7 (b)是实施例为保温15min后制备的多晶硅铸锭图；
[0027] 图7 (c)是实施例为保温25min后制备的多晶硅铸锭图；
[0028] 图7 (d)是实施例为保温35min后制备的多晶硅铸锭图；
[0029] 图8(a)是实施例中表示的是保温5min下多晶娃铸锭的宏观组织图；
[0030] 图8(b)是实施例中表示的是保温15min下多晶娃铸锭的宏观组织图；
[0031] 图8(c)是实施例中表示的是保温25min下多晶娃铸锭的宏观组织图；
[0032] 图8(d)是实施例中表示的是保温35min下多晶娃铸锭的宏观组织图；
[0033] 图9 (a)是实施例中表示的是保温5min下多晶硅铸锭横截面上的宏观组织图；
[0034] 图9(b)是实施例中表示的是保温15min下多晶娃铸锭横截面上的宏观组织图；
[0035] 图9 (c)是实施例中表示的是保温25min下多晶硅铸锭横截面上的宏观组织图；
[0036] 图9 (d)是实施例中表示的是保温35min下多晶硅铸锭横截面上的宏观组织图；
[0037] 图10是实施例中表示的是晶粒大小随着保温时间的变化而变化图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0038] 一：本实施方式的一种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法，它按以 下步骤实现：
[0039] 步骤一、石墨底座7的上端面设置在距冷坩埚8的上端面25mm?30mm处，将料斗 26装满颗粒硅，并先漏入石墨底座7的上端面上250g?300g的颗粒硅；
[0040] 步骤二、利用真空泵3将真空室2抽真空，使真空室2的真空度为0. 05Pa? 0· IPa ;
[0041] 步骤三、向真空室2充入300?400Pa的氩气；
[0042] 步骤四、感应线圈17通入单相交流电，电源功率为50kW?55kW，通过感应线圈17 使冷坩埚8内的颗粒硅感应加热并完全熔化，感应线圈17的线径为Φ 8mm?Φ 12mm，感应 线圈17的匝数为4匝；
[0043] 步骤五、启动步进电机25使颗粒硅连续不断的向冷坩埚8内加入，形成颗粒硅熔 体马它峰后，停止步进电机25,保温30?50min ;
[0044] 步骤六、启动位移电机6驱动拉杆5以0. 5mm/min?I. Omm/min的速度向下运动， 同时启动步进电机25,使石墨管18中的颗粒硅与抽拉凝固的硅锭相适用的速度连续不断 的向冷坩埚8内加料，同时冷坩埚8下面的冷却器4为熔化的颗粒硅提供强冷，使熔化的颗 粒娃形成具有定向凝固组织的柱状晶，待石墨底座7向下移动120mm?160mm后，即为所需 长度的柱状晶硅锭；
[0045] 步骤七、柱状晶硅锭的外层有Imm?2mm的多晶层，外层内部为平行于拉杆方向的 柱状晶，将多晶层加工去除后即为具有定向凝固多晶硅锭。
[0046] 即获得定向凝固组织，定向凝固组织的柱状晶连续生长，平均宽度为3?8mm。
【具体实施方式】 [0047] 二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的冷坩埚8的 材质为紫铜，且紫铜内通冷却水。通水冷却的紫铜对颗粒硅不产生污染。其它步骤与具体 实施方式一相同。
[0048]
【具体实施方式】三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的先漏入石 墨底座7的上端面上250g的颗粒硅。其它步骤与【具体实施方式】一相同。
【具体实施方式】 [0049] 四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤二中的真空室2的 真空度为〇.〇8Pa。其它步骤与一相同。
【具体实施方式】 [0050] 五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤三中向真空室2充 入350Pa的氩气。其它步骤与一相同。
【具体实施方式】 [0051] 六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤四中的感应线圈 17的线径为Φ8πιπι?Φ 12mm，感应线圈17的匝数为4匝。其它步骤与一相 同。
【具体实施方式】 [0052] 七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤四中的电源功率 为50KW。其它步骤与一或六相同。
【具体实施方式】 [0053] 八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤五中在冷坩埚8内 形成的熔体驼峰后的颗粒硅，保温时间为40min。其它步骤与一相同。
【具体实施方式】 [0054] 九：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤六中的拉杆5向下 运动的速度与石墨管18中的颗粒硅的加料速度一致。其它步骤与一相同。
【具体实施方式】 [0055] 十：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤六中石墨底座7向 下移动140mm。其它步骤与一或九相同；
[0056] 实施例：
[0057] 步骤一、石墨底座7的上端面设置在距冷坩埚8的上端面28mm处，将料斗26装满 颗粒硅，并先漏入石墨底座7的上端面上260g的颗粒硅；
[0058] 步骤二、利用真空泵3将真空室2抽真空，使真空室2的真空度为0. IPa ;
[0059] 步骤三、向真空室2充入350Pa的氩气；
[0060] 步骤四、感应线圈17通入单相交流电，电源功率为52kW，通过感应线圈17使冷坩 埚8内的颗粒硅感应加热并完全熔化，感应线圈17的线径为Φ 12_，感应线圈17的匝数为 4匝；
[0061] 步骤五、启动步进电机25使颗粒硅连续不断的向冷坩埚8内加入，形成颗粒硅熔 体马它峰后，停止步进电机25，保温45min ;
[0062] 步骤六、启动位移电机6驱动拉杆5以I. Omm/min的速度向下运动，同时启动步进 电机25,使石墨管18中的颗粒硅与抽拉凝固的硅锭相适用的速度连续不断的向冷坩埚8内 加料，同时冷坩埚8下面的冷却器4为熔化的颗粒硅提供强冷，使熔化的颗粒硅形成具有定 向凝固组织的柱状晶，待石墨底座7向下移动160mm后，即为所需长度的柱状晶娃淀；
[0063] 步骤七、柱状晶硅锭的外层有2mm的多晶层，外层内部为平行于拉杆方向的柱状 晶，将多晶层加工去除后即为具有定向凝固多晶硅锭。
[0064] 在本发明中为了更容易说明保温时间的影响，设计了一组对比试验。其中控制加 热功率、抽拉速度等因素不变，只改变在硅料起熔，形成驼峰后的保温时间。分别取保温时 间为5min、15min、25min和35min，最终分析保温时间对晶体生长的影响。主要的工艺参数 如下表1所示。
[0065] 表格1定向凝固实验工艺参数
[0066]
【权利要求】
1. 一种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法，其特征在于它按以下步骤实现： 步骤一、石墨底座（7)的上端面设置在距冷坩埚（8)的上端面25mm?30mm处，将料斗 (26)装满颗粒硅，并先漏入石墨底座（7)的上端面上250g?300g的颗粒硅； 步骤二、利用真空泵（3)将真空室（2)抽真空，使真空室（2)的真空度为0.05Pa? 0· IPa ; 步骤三、向真空室（2)充入300?400Pa的氩气； 步骤四、感应线圈（17)通入单相交流电，电源功率为50kW?55kW，通过感应线圈（17) 使冷坩埚（8)内的颗粒硅感应加热并完全熔化，感应线圈（17)的线径为Φ 8mm?Φ 12mm， 感应线圈（17)的匝数为4匝； 步骤五、启动步进电机（25)使颗粒娃连续不断的向冷；t甘祸（8)内加入,形成颗粒娃烙 体马它峰后，停止步进电机（25)，保温30?50min ; 步骤六、启动位移电机（6)驱动拉杆（5)以0. 5mm/min?1. Omm/min的速度向下运动， 同时启动步进电机（25)，使石墨管（18)中的颗粒硅与抽拉凝固的硅锭相适用的速度连续 不断的向冷坩埚（8)内加料，同时冷坩埚（8)下面的冷却器（4)为熔化的颗粒硅提供强冷， 使溶化的颗粒娃形成具有定向凝固组织的柱状晶，待石墨底座（7)向下移动120mm?160_ 后，即为所需长度的柱状晶硅锭； 步骤七、柱状晶硅锭的外层有1_?2_的多晶层，外层内部为平行于拉杆方向的柱状 晶，将多晶层加工去除后即为具有定向凝固多晶硅锭。
2. 根据权利要求1所述的一种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法，其特征在于所述步 骤一中的冷坩埚（8)的材质为紫铜，且紫铜内通冷却水。
3. 根据权利要求1所述的一种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法，其特征在于所述步 骤一中的先漏入石墨底座（7)的上端面上250g的颗粒硅。
4. 根据权利要求1所述的一种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法，其特征在于所述步 骤二中的真空室（2)的真空度为0.08Pa。
5. 根据权利要求1所述的一种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法，其特征在于所述步 骤三中向真空室（2)充入350Pa的氩气。
6. 根据权利要求1所述的一种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法，其特征在于所述步 骤四中的感应线圈（1)7的线径为Φ8_?Φ 12_，感应线圈（17)的阻数为4阻。
7. 根据权利要求1所述的一种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法，其特征在于所述步 骤四中的电源功率为50KW。
8. 根据权利要求1所述的一种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法，其特征在于所述步 骤五中在冷坩埚（8)内形成的熔体驼峰后的颗粒硅，保温时间为40min。
9. 根据权利要求1所述的一种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法，其特征在于所述步 骤六中的拉杆（5)向下运动的速度与石墨管（18)中的颗粒硅的加料速度一致。
10. 根据权利要求1所述的一种具有大尺寸柱晶的硅锭的制备方法，其特征在于所述 步骤六中石墨底座（7)向下移动140_。
【文档编号】C30B28/06GK104294356SQ201410508719
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】陈瑞润, 王建, 李新中, 丁宏升, 苏彦庆, 郭景杰, 傅恒志 申请人:哈尔滨工业大学