用于提煉熔融材料的方法及裝置的制造方法
【專利說明】用于提煉熔融材料的方法及裝置
[0001]本申請為2007年12月10日提交的專利申請“用于提煉熔融材料的方法及裝置”(申請?zhí)?200680020732.0，申請人:埃爾凱姆太陽能公司)的分案申請。
發(fā)明領域
[0002]本發(fā)明涉及對可熔融及固化的材料進行提煉或純化。其特別適用于(但并非僅適用于)對金屬、尤其是對硅進行純化，例如對用于制造太陽能電池的硅原料進行提煉。
【背景技術】
[0003]定向固化在光電(PV)行業(yè)中廣泛用于制造鑄錠，這些鑄錠被切割成晶片并隨后加工成太陽能電池。在現(xiàn)有技術中占主導地位的系統(tǒng)是在石英坩鍋中使硅由底部至頂部進行定向固化。
[0004]可使用同一原理對硅進行提煉，以制成PV行業(yè)所用的原料。此時可使用定向固化、通過偏析而控制雜質(zhì)，既可調(diào)節(jié)不同元素(Al，Ca，F(xiàn)e，Ti，Mn，B，P等)的絕對濃度(level)，也可調(diào)節(jié)其相對濃度。此外，該工藝須將在該工藝中所形成的微粒及來自進料娃的微?？紤]在內(nèi)。
[0005]現(xiàn)有方法的缺點在于，石英坩鍋只能使用一次，這是因為其會在硅錠(及坩鍋)冷卻過程中因坩鍋材料的相變而遭到破壞。此外，為避免硅粘附于坩鍋上，石英坩鍋需要具有防粘層，例如一層Si3N4。
[0006]本發(fā)明的一目的是提供一種能減輕對鑄錠的污染的改良的固化工藝。
[0007]本發(fā)明的另一目的是提供一種無需在各鑄錠的鑄造之間更換熔融材料容器便可對例如硅等熔融材料進行提煉的系統(tǒng)。
[0008]發(fā)曰月描沐
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種對材料進行提煉的方法，其包含下列步驟:在容器中形成所述材料的熔體；使冷卻面接觸所述熔體的表面，從而使所述熔融材料固化并粘附至所述冷卻面上；以及，逐漸地向下固化所述熔融材料，以形成粘附至所述冷卻面上的所述材料的固體錠。
[0009]盡管是將本發(fā)明界定為一種提煉方法，然而也可將本發(fā)明視為一種定向固化方法。
[0010]因此，本發(fā)明提供一種流水線式生產(chǎn)工藝，在該生產(chǎn)工藝中，對熔爐容器進行加熱并進行鑄錠，但在所述容器內(nèi)不存在錠接觸，因而可在將錠移出之后對所述容器進行重新填料。在各次鑄錠之間，不需要對所述容器進行冷卻。
[0011]較佳地，對所述容器的壁及底部進行加熱。較佳地，使熔體保持處于惰性氣體或受控氣氛中。所述方法特別適用于對例如硅等金屬進行提煉及純化。
[0012]所述方法的優(yōu)點是，在形成鑄錠時，鑄錠中的雜質(zhì)濃度相對于熔體其余部分降低。然后，從所述容器或坩鍋中移出鑄錠并傾倒掉或重新處理具有高雜質(zhì)含量的其余液體。所述容器不必得到破壞并可重新利用。成核位置從坩鍋簡化至一個板或并排設置的幾個板的表面。這一個板或并排設置的這幾個板是由呈分層結(jié)構(gòu)的幾個板組成。所述冷卻表面可以不連續(xù)形成，以幫助確保粘附鑄錠。
[0013]因此，通過采用本發(fā)明，使提煉工藝在幾個方面得到優(yōu)化。
[0014]使用偏析來提煉及控制金屬雜質(zhì)。這些雜質(zhì)將從固體與液體硅之間的界面推移至液體主體中?？赏ㄟ^偏析及摻雜(在鑄錠之前或鑄錠過程中)而獲得被提煉材料的所需電阻率。絕對電阻率值將取決于最終用戶的工藝及要求。
[0015]密度高于熔融硅的微粒被移除。如果在定向固化過程中所帶入或所形成的微粒的密度足夠高于熔融硅，則其將沉降至底部。其可在熔融池的底部形成高密度層。
[0016]密度低于硅或稍高于硅的微粒也可得到移除。其將被推移至固體硅與熔融硅之間界面的前面。如果這些微粒被充分地推移至液體主體中，則其將在容器中遵循對流模式。
[0017]通過將使雜質(zhì)隨流動模式移動的力與沉降力相結(jié)合，可使所述固化過程得到優(yōu)化。高密度雜質(zhì)含量較高的熔融硅將從固化界面朝底部流動。較重的微粒將同樣如此，而密度差別很小或不存在差別的微粒將在容器中跟隨流動。如果固化是在池的頂部至底部進行，則可更容易對這些機理進行優(yōu)化。
[0018]因此，與從熔融池底部開始進行生長相比，由頂部至底部進行定向固化更能夠控制雜質(zhì)。固化過程可一直進行，直到既定的部分得到固化為止(達到既定的錠高度或尺寸)。殘留的液體硅中所含有的雜質(zhì)及較重微粒的比例將高于起始材料，并可通過傾倒等手段而轉(zhuǎn)移出容器。主要的微粒雜質(zhì)往往是SiC、SixNy或Si x0yNz。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于對材料進行提煉的裝置，其包含:容器，該容器具有底部及側(cè)壁，用于容納熔融態(tài)材料；以及冷卻板，該冷卻板可移入及移出所述容器的頂部。
[0020]較佳地，所述容器具有受熱的壁和/或底部。較佳地，所述容器的壁和/或底部是由導熱性、但在化學上呈惰性且耐高溫的材料制成，例如由石墨、氮化硅、碳化硅、硅石、氧化鋁、氮氧化硅或其它陶瓷質(zhì)氧化物制成。
[0021]較佳地，所述冷卻板包含多個層，包括與冷卻裝置進行工作接觸的導熱層及用于接觸熔融材料的接觸層。較佳地，所述接觸層及任一中間層是由導熱性、但在化學上呈惰性且耐高溫的材料制成，例如由石墨、氮化硅、碳化硅、硅石、氮氧化硅、氧化鋁或其它陶瓷質(zhì)氧化物制成。所述導熱層可以是金屬，例如銅、鋁或某種適宜的合金。此外，可在其它層之間納入加熱層，例如一層電阻加熱元件或者感應加熱層。此可更好地控制冷卻過程。
[0022]所述板可包含中間層，所述中間層附著至導熱層上并可與所述接觸板形成滑動配合或卡扣配合。較佳地在容器上方具有氣密性封蓋，以維持惰性或受控氣氛。
[0023]附圖簡沐
本發(fā)明可通過各種方式實施，且下文將參照附圖以舉例方式對某些實施例進行說明，附圖中:
圖1為一種用于實施本發(fā)明的裝置的垂直剖面圖；
圖2為在圖1所示線AA上的剖面圖；
圖3為示意性剖面圖，其顯示熔融材料中的可能的對流圖案；
圖4為根據(jù)一實施例的溫控板的示意性剖面圖；以及圖5及圖6為類似于圖4的視圖，其顯示兩個備選實施例。
[0024]發(fā)明詳述
圖1及2顯示一種用于使熔融硅石定向固化的裝置。該裝置包含容器11，容器11具有受熱的底部12、受熱的端壁13及受熱的側(cè)壁14。容器11襯墊有外襯層15及內(nèi)襯層16。這些襯層的材料應為導熱性、但在化學上呈惰性且耐高溫的材料，且適宜的材料包括石墨、碳化硅、氮化硅、硅石、氧化鋁、氮氧化硅或其它陶瓷質(zhì)氧化物。內(nèi)襯層16界定外殼17，以用于容納硅熔體18。
[0025]在外殼17及熔體18上面具有溫控板19。板19懸掛于支架21上，并包含導熱層22、中間隔離層23及接觸層24。導熱層22具有一系列冷卻管25，且接觸層24具有粗糙化的接觸面26。
[0026]導熱層22通常是由例如銅或鋁等導熱金屬制成。管道25中的冷卻介質(zhì)是任何適宜的液體/氣體，例如水或油。隔離層23及接觸層24是由導熱性、但耐熱且在化學上呈惰性的材料制成，例如由石墨、碳化硅或氮化硅制成。
[0027]容器11及板19上蓋有氣密性封蓋30。由此在熔體18上方容納惰性氣氛27。還具有兩個隔離門28，其可在將封蓋30移開時置于外殼17上方。
[0028]在使用中，將硅置于外殼17中并通過受熱的底