電子束熔煉高效去除多晶硅中雜質(zhì)氧的裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于多晶硅提純領(lǐng)域，具體涉及一種電子束熔煉高效去除多晶硅中雜質(zhì)氧的裝置，打破了傳統(tǒng)的電子束熔煉模式，不在熔煉坩堝內(nèi)進(jìn)行電子束熔煉，而是借用導(dǎo)流槽進(jìn)行電子束除氧熔煉，由于硅液能夠在導(dǎo)流區(qū)域內(nèi)鋪散，比表面積增大，因此電子束熔煉除氧效果更好。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）提出了電子束除氧的工藝方法和用途，解決了多晶硅中雜質(zhì)氧去除的難題，氧含量可以降低于0.0571ppmw以下，滿足太陽能電池對(duì)多晶硅鑄錠含氧量的要求；（2）多晶硅料高效帶狀除氧技術(shù)可增大硅液表面積30%以上，縮短除氧時(shí)間20%以上；（3）可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率35%以上。
【專利說明】電子束熔煉高效去除多晶硅中雜質(zhì)氧的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于多晶硅提純領(lǐng)域，具體涉及一種電子束熔煉高效去除多晶硅中雜質(zhì)氧的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國已成為世界能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國，但人均能源消費(fèi)水平還很低。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，我國能源需求將持續(xù)增長，針對(duì)目前的能源緊張狀況，世界各國都在進(jìn)行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促進(jìn)可再生能源的開發(fā)和應(yīng)用，減少對(duì)進(jìn)口石油的依賴，加強(qiáng)能源安全。
[0003]作為可再生能源的重要發(fā)展方向之一的太陽能光伏發(fā)電近年來發(fā)展迅猛，其所占比重越來越大。根據(jù)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，中國力爭使太陽能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1.8GW (百萬千瓦)，到2050年將達(dá)到600GW。預(yù)計(jì)到2050年，中國可再生能源的電力裝機(jī)將占全國電力裝機(jī)的25%，其中光伏發(fā)電裝機(jī)將占到5%。預(yù)計(jì)2030年之前，中國太陽能裝機(jī)容量的復(fù)合增長率將高達(dá)25%以上。
[0004]太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依賴于對(duì)多晶硅原料的提純。多晶硅原料的提純工藝目前主要依賴以下幾種工藝:西門子法、硅烷法、氣體流化床法和冶金法。冶金法制備太陽能級(jí)多晶硅技術(shù)作為發(fā)展低成本、環(huán)境友好的太陽能級(jí)多晶硅制備技術(shù)的必經(jīng)之路，目前已經(jīng)取得了長足發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。冶金法提純多晶硅是指采用物理冶金手段，在硅不參與發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況下，依次去除硅中的各種雜質(zhì)元素(磷、硼及金屬)的方法，它不是單一的制備方法，而是一種集成法，主要利用飽和蒸汽壓原理、偏析原理及氧化性差異原理，分別采用不同的工藝方法，來去除硅中的雜質(zhì)元素，從而得到滿足太陽能多晶硅純度要求的娃料。
[0005]在冶金法工藝中，硅料的磷、硼、金屬等雜質(zhì)均可通過有效的工藝手段去除，達(dá)到了較理想的效果。但是，近年來在對(duì)多晶硅太陽能電池片光電轉(zhuǎn)化效率的研究中發(fā)現(xiàn)，氧元素的含量對(duì)電池片的光電轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生重要影響，一般氧處于間隙位置時(shí)，通常不顯電活性，然而鑄造多晶硅中氧濃度通常在3X1017?1.4X IO18CnT3之間，高濃度的間隙氧在隨后的器件制造工藝過程中，經(jīng)歷各種溫度的熱處理，會(huì)在硅晶體中偏聚和沉淀，形成氧關(guān)施主、氧沉淀等缺陷。同時(shí)，在硅晶體材料生長、冷卻的過程中由于氧的溶解度隨溫度降低而迅速下降，過飽和的氧將在鑄造多晶硅中形成原生氧沉淀，也可能與其它雜質(zhì)形成各種各樣的復(fù)合體，如N-0、C-0復(fù)合體。這些氧沉淀及其復(fù)合體不僅會(huì)降低磷外吸雜的效果，甚至直接成為電池的短路通道。
[0006]這些氧缺陷對(duì)硅材料和器件具有有利和不利兩方面的影響，它可以結(jié)合器件工藝形成內(nèi)吸雜，吸除金屬雜質(zhì)，還可以釘扎位錯(cuò)，提高硅片的機(jī)械強(qiáng)度，但當(dāng)氧沉淀過量時(shí)又會(huì)誘生其它的晶體缺陷，引入大量的二次缺陷，還會(huì)吸引鐵等金屬元素，形成鐵氧沉淀復(fù)合體，具有很強(qiáng)的少子復(fù)合能力，能夠顯著降低材料的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率。
[0007]在冶金法的定向凝固、鑄錠等工藝中，坩堝中的氧元素或通入氣體中的氧元素不可避免地會(huì)進(jìn)入到硅料中，是氧雜質(zhì)產(chǎn)生的主要原因。傳統(tǒng)的測(cè)試硅中氧含量的普遍方法為紅外光譜，用紅外光譜分別對(duì)高純硅料與混料(鑄鑄后的邊角料與高純料混合)進(jìn)行檢測(cè)，兩種料中氧的含量相差不大，這也導(dǎo)致了冶金法工藝中引入的氧雜質(zhì)未受到重視。
[0008]實(shí)際上，在硅中，氧元素有兩種狀態(tài):替代位，即氧代替了硅的位置；間隙位，即氧在硅原子的間隙中。傳統(tǒng)的測(cè)試硅中氧含量的紅外光譜只能檢測(cè)間隙位的氧含量，不能真實(shí)反映兩種硅料中的氧含量水平。經(jīng) 申請(qǐng)人:的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，替代位的氧會(huì)釋放電子，與硅中雜質(zhì)磷產(chǎn)生的作用相似，能夠影響多晶硅電池片光電轉(zhuǎn)化效率。 申請(qǐng)人:通過二次離子質(zhì)譜儀多次檢測(cè)，在上述兩種硅料中，氧元素含量相差很大，主要是替代位的氧元素含量的差別。因此，對(duì)于鑄錠等工藝中引入的雜質(zhì)氧不能忽視，必需尋求有效的手段降低硅中雜質(zhì)氧的含量。
[0009]但是，現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)氧元素的去除效果不佳。對(duì)于氧雜質(zhì)的去除方法，檢索到實(shí)用新型專利CN200810070925 —種降低金屬硅中氧、碳含量的方法，該實(shí)用新型采用在硅液中吹入氧氣、氫氣和水蒸氣，使氫氣和氧氣在娃液中反應(yīng)產(chǎn)生局部高溫，使娃液中的氧、碳元素隨氣體排放而去除，但是該方法需要在硅熔融狀態(tài)下通入氧氣和氫氣，操作難度大，危險(xiǎn)性高，氧的去除效果不佳。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0010]根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提出一種電子束熔煉高效去除多晶硅中雜質(zhì)氧的裝置，通過電子束熔煉的方式有效的去除多晶硅中雜質(zhì)氧，以此提高電池片的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0011]本實(shí)用新型所述的電子束熔煉高效去除多晶硅中雜質(zhì)氧的裝置，包括爐體，爐體內(nèi)上部設(shè)置帶有水冷的導(dǎo)流槽，該導(dǎo)流槽自上向下傾斜，爐體側(cè)壁通連有送料機(jī)構(gòu)，該送料機(jī)構(gòu)的出料口位于導(dǎo)流槽位于高處的一端上方；位于導(dǎo)流槽上方的爐體頂部通連有熔化用電子槍和熔煉用電子槍；導(dǎo)流槽的傾瀉口下方的爐體內(nèi)底部設(shè)置有凝固坩堝。
[0012]凝固坩堝優(yōu)選為帶有水冷的銅坩堝。對(duì)于凝固坩堝本身來說，既可以采用石墨坩堝，也可以采用石英坩堝，但是在硅液向下澆鑄時(shí)，容易破碎，且容易帶來其它雜質(zhì)污染，利用帶有水冷的銅坩堝，其冷卻能力較強(qiáng)，冷卻時(shí)間較短，無污染，同時(shí)能夠反復(fù)使用，整體成本較低，而且不易損壞。
[0013]導(dǎo)流槽與水平面之間的傾斜角度為5?15度。較小的傾斜角度能夠保證硅液在導(dǎo)流槽內(nèi)得到充分熔煉，保證除氧的效果。
[0014]采用上述裝置進(jìn)行電子束熔煉高效去除多晶硅中雜質(zhì)氧，對(duì)電子束熔煉爐進(jìn)行抽真空，然后通過送料機(jī)構(gòu)向帶有水冷的導(dǎo)流槽內(nèi)持續(xù)送硅料，通過熔化用電子槍對(duì)硅料進(jìn)行熔化，熔化的硅液沿導(dǎo)流槽向下運(yùn)動(dòng)流到電子束熔煉爐內(nèi)的凝固坩堝，在導(dǎo)流區(qū)域內(nèi)通過熔煉用電子槍進(jìn)行電子束熔煉，當(dāng)凝固坩堝達(dá)到承載量之后，停止送料機(jī)構(gòu)送料，關(guān)閉熔化用電子槍和熔煉用電子槍，經(jīng)冷卻后將凝固坩堝中的硅錠取出即可。
[0015]優(yōu)選按照以下步驟進(jìn)行:
[0016](I)備料:將已經(jīng)經(jīng)過電子束熔煉提純后的硅料放入凝固坩堝內(nèi)底部作為凝固底料；將待電子束熔煉的硅料放入送料機(jī)構(gòu)；
[0017](2)預(yù)處理:對(duì)電子束熔煉爐及導(dǎo)流槽開啟冷卻水循環(huán)，對(duì)電子束熔煉爐內(nèi)進(jìn)行抽真空處理,抽至0.05Pa以下，并對(duì)熔化用電子槍和熔煉用電子槍抽真空處理,抽至0.005Pa以下，然后進(jìn)行預(yù)熱，設(shè)置電子束束流為70?200mA,預(yù)熱電子槍10?15min后,關(guān)閉預(yù)熱；
[0018](3)熔煉提純:啟動(dòng)送料機(jī)構(gòu)，持續(xù)向帶有水冷的導(dǎo)流槽內(nèi)加硅料，啟動(dòng)熔化用電子槍，設(shè)定電子束束流為200?1200mA，控制熔化用電子槍的電子束能量分布，將加入的硅料進(jìn)行熔化成硅液，此時(shí)啟動(dòng)熔煉用電子槍，設(shè)定電子束束流為200?800mA，控制熔煉用電子槍的電子束能量分布，對(duì)向下流動(dòng)的硅液進(jìn)行熔煉除氧，最后經(jīng)導(dǎo)流后流入凝固坩堝內(nèi)，當(dāng)凝固坩堝達(dá)到承載量之后，停止送料機(jī)構(gòu)送料，關(guān)閉熔化用電子槍和熔煉用電子槍，經(jīng)冷卻降溫至200°C以下，關(guān)閉真空系統(tǒng)，向電子束熔煉爐內(nèi)充氣后開爐取出凝固坩堝中的硅錠。
[0019]其中，待電子束熔煉的硅料氧含量優(yōu)選為4?20ppmw。
[0020]在本實(shí)用新型中，打破了傳統(tǒng)的電子束熔煉模式，不在熔煉坩堝內(nèi)進(jìn)行電子束熔煉，而是借用導(dǎo)流槽進(jìn)行電子束除氧熔煉，由于硅液能夠在導(dǎo)流區(qū)域內(nèi)鋪散，比表面積增大，因此電子束熔煉效果更好，由于導(dǎo)流區(qū)域是向下傾斜的構(gòu)造，經(jīng)熔煉提純后的硅液流入凝固坩堝內(nèi)，在凝固坩堝內(nèi)進(jìn)行堆積，一般選用較大尺寸的凝固坩堝，方便一次電子束熔煉工藝達(dá)到更大的單爐產(chǎn)量。
[0021]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)提出了電子束除氧的工藝方法和用途，解決了多晶硅中雜質(zhì)氧去除的難題，除氧后的多晶硅經(jīng)二次離子質(zhì)譜(SIMS)檢測(cè)，其氧含量低于二次離子質(zhì)譜檢測(cè)極限，即低于0.0571ppmw，滿足太陽能電池對(duì)多晶硅鑄錠含氧量的要求；(2)多晶硅料高效帶狀除氧技術(shù)可增大硅液表面積30%以上，縮短除氧時(shí)間20%以上；(3)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率35%以上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖中:1、爐體2、導(dǎo)流槽3、熔化用電子槍4、熔煉用電子槍5、送料機(jī)構(gòu)6、凝固坩堝。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合和附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。
[0025]實(shí)施例1:
[0026]如圖1所示，一種電子束熔煉高效去除多晶硅中雜質(zhì)氧的裝置，包括爐體1，爐體I內(nèi)上部設(shè)置帶有水冷的導(dǎo)流槽2，該導(dǎo)流槽2自上向下傾斜，爐體I側(cè)壁通連有送料機(jī)構(gòu)5，該送料機(jī)構(gòu)5的出料口位于導(dǎo)流槽2位于高處的一端上方；位于導(dǎo)流槽2上方的爐體I頂部通連有熔化用電子槍3和熔煉用電子槍4 ;導(dǎo)流槽2的傾瀉口下方的爐體I內(nèi)底部設(shè)置有凝固坩堝6。
[0027]凝固坩堝6為帶有水冷的銅坩堝。對(duì)于凝固坩堝6來說，既可以采用石墨坩堝，也可以采用石英坩堝，但是在硅液向下澆鑄時(shí)，容易破碎，且容易帶來其它雜質(zhì)污染，利用帶有水冷的銅坩堝，其冷卻能力較強(qiáng)，冷卻時(shí)間較短，無污染，同時(shí)能夠反復(fù)使用，整體成本較低，而且不易損壞。
[0028]導(dǎo)流槽2與水平面之間的傾斜角度為15度。較小的傾斜角度能夠保證硅液在導(dǎo)流槽2內(nèi)得到充分熔煉，保證除氧的效果。
[0029]實(shí)施例2:
[0030]采用實(shí)施例1的裝置，進(jìn)行電子束熔煉高效去除多晶硅中雜質(zhì)氧。
[0031](I)備料:將顆粒大小為10?12mm、氧含量為20ppmw的多晶硅料清洗烘干后放入送料機(jī)構(gòu)5 ;將已經(jīng)經(jīng)過電子束熔煉提純后的硅料放入凝固坩堝6內(nèi)底部作為凝固底料；
[0032](2)預(yù)處理:對(duì)電子束熔煉爐及導(dǎo)流槽2開啟冷卻水循環(huán)，對(duì)電子束熔煉爐內(nèi)進(jìn)行抽真空處理，抽至0.05Pa以下，并對(duì)熔化用電子槍3和熔煉用電子槍4抽真空處理，抽至
0.005Pa以下,然后進(jìn)行預(yù)熱,設(shè)置電子束束流為150mA,預(yù)熱15min后,關(guān)閉預(yù)熱；
[0033](3)熔煉提純:啟動(dòng)送料機(jī)構(gòu)5，持續(xù)向帶有水冷的導(dǎo)流槽2內(nèi)加硅料，啟動(dòng)熔化用電子槍3，設(shè)定電子束束流為400mA，控制熔化用電子槍3的電子束能量分布，將加入的硅料進(jìn)行熔化成硅液，此時(shí)啟動(dòng)熔煉用電子槍4，設(shè)定電子束束流為400mA，控制熔煉用電子槍4的電子束能量分布，對(duì)向下流動(dòng)的硅液進(jìn)行熔煉除氧，最后經(jīng)導(dǎo)流后流入凝固坩堝6內(nèi)，當(dāng)凝固坩堝6達(dá)到承載量之后，停止送料機(jī)構(gòu)5送料，關(guān)閉熔化用電子槍3和熔煉用電子槍4，經(jīng)冷卻降溫至200°C以下，關(guān)閉真空系統(tǒng)，向電子束熔煉爐內(nèi)充氣后開爐取出凝固坩堝6中的硅錠。除氧后的多晶硅經(jīng)二次離子質(zhì)譜(SIMS)檢測(cè)，其氧含量低于二次離子質(zhì)譜檢測(cè)極限，即低于0.0571ppmw。
[0034]實(shí)施例3:
[0035]采用實(shí)施例1的裝置，進(jìn)行電子束熔煉高效去除多晶硅中雜質(zhì)氧。
[0036](I)備料:將顆粒大小為10?12mm、氧含量為IOppmw的多晶硅料清洗烘干后放入送料機(jī)構(gòu)5 ;將已經(jīng)經(jīng)過電子束熔煉提純后的硅料放入凝固坩堝6內(nèi)底部作為凝固底料；
[0037](2)預(yù)處理:對(duì)電子束熔煉爐及導(dǎo)流槽2開啟冷卻水循環(huán)，對(duì)電子束熔煉爐內(nèi)進(jìn)行抽真空處理，抽至0.05Pa以下，并對(duì)熔化用電子槍3和熔煉用電子槍4抽真空處理，抽至
0.005Pa以下,然后進(jìn)行預(yù)熱,設(shè)置電子束束流為200mA,預(yù)熱電子槍IOmin后,關(guān)閉預(yù)熱；
[0038](3)熔煉提純:啟動(dòng)送料機(jī)構(gòu)5，持續(xù)向帶有水冷的導(dǎo)流槽2內(nèi)加硅料，啟動(dòng)熔化用電子槍3，設(shè)定電子束束流為800mA，控制熔化用電子槍3的電子束能量分布，將加入的硅料進(jìn)行熔化成硅液，此時(shí)啟動(dòng)熔煉用電子槍4，設(shè)定電子束束流為800mA，控制熔煉用電子槍4的電子束能量分布，對(duì)向下流動(dòng)的硅液進(jìn)行熔煉除氧，最后經(jīng)導(dǎo)流后流入凝固坩堝6內(nèi)，當(dāng)凝固坩堝6達(dá)到承載量之后，停止送料機(jī)構(gòu)5送料，關(guān)閉熔化用電子槍3和熔煉用電子槍4，經(jīng)冷卻降溫至200°C以下，關(guān)閉真空系統(tǒng)，向電子束熔煉爐內(nèi)充氣后開爐取出凝固坩堝6中的硅錠。除氧后的多晶硅經(jīng)二次離子質(zhì)譜(SIMS)檢測(cè)，其氧含量低于二次離子質(zhì)譜檢測(cè)極限，即低于0.0571ppmw。
【權(quán)利要求】
1.一種電子束熔煉高效去除多晶硅中雜質(zhì)氧的裝置，包括爐體，其特征在于爐體內(nèi)上部設(shè)置帶有水冷的導(dǎo)流槽，該導(dǎo)流槽自上向下傾斜，爐體側(cè)壁通連有送料機(jī)構(gòu)，該送料機(jī)構(gòu)的出料口位于導(dǎo)流槽位于高處的一端上方；位于導(dǎo)流槽上方的爐體頂部通連有熔化用電子槍和熔煉用電子槍；導(dǎo)流槽的傾瀉口下方的爐體內(nèi)底部設(shè)置有凝固坩堝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束熔煉高效去除多晶硅中雜質(zhì)氧的裝置，其特征在于凝固坩堝為帶有水冷的銅坩堝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束熔煉高效去除多晶硅中雜質(zhì)氧的裝置，其特征在于導(dǎo)流槽與水平面之間的傾斜角度為5?15度。
【文檔編號(hào)】C01B33/037GK203699922SQ201320745900
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】王登科, 郭校亮, 姜大川, 安廣野, 譚毅 申請(qǐng)人:青島隆盛晶硅科技有限公司