專(zhuān)利名稱(chēng)：一種定向凝固制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅錠的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能級(jí)多晶硅制備領(lǐng)域，特別是利用一種新型的金屬發(fā)熱體進(jìn)行定向凝固制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅錠的方法。
背景技術(shù)：
硅基太陽(yáng)能電池按原料類(lèi)型可分為單晶硅電池、多晶硅電池和非晶硅電池。單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率高，但單晶硅拉制工藝復(fù)雜，對(duì)原料要求較高，最終成品電池成本較高；非晶硅電池成本低，但其效率也低，且由于非晶硅的光制衰退效應(yīng)(S-W效應(yīng))，性能穩(wěn)定性差；而多晶硅轉(zhuǎn)換效率適中，僅比單晶硅低2% _3%，且隨著硅片生長(zhǎng)及電池加工處理技術(shù)的進(jìn)步，效率必將得到進(jìn)一步的提高，通過(guò)多晶硅鑄錠法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料，并能制出大型硅錠，在切割制備硅片的過(guò)程中比較省料，提高了硅料的利用率，制造成本較低，性價(jià)比較高。近年來(lái)，多晶硅太陽(yáng)能電池正是以其高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，得到了迅速的發(fā)展，市場(chǎng)占有率已達(dá)到50%以上。然而，在地面應(yīng)用領(lǐng)域，與常規(guī)能源相比，其成本還是較高，還不能取代常規(guī)能源大規(guī)模地應(yīng)用于民用場(chǎng)所。所以，對(duì)于多晶硅電池的低成本化， 將是今后太陽(yáng)能電池研究的主要方向。而多晶硅太陽(yáng)能電池的制造成本主要集中在材料的制備過(guò)程中，即多晶硅片的制備，包括多晶硅錠的制備與切割及其加工處理過(guò)程，所以，對(duì)于太陽(yáng)能電池用多晶硅鑄造技術(shù)的研究有著深遠(yuǎn)的意義。目前制備太陽(yáng)能電池用多晶硅錠通常采用定向凝固法，即對(duì)熔體溫度加以控制， 形成一定的溫度梯度，使其按一定方向生長(zhǎng)，從而獲得所需的柱狀晶。而定向凝固法又包括熱交換法、坩堝下降法和溫梯法。熱交換法基本原理是在坩堝底板上通以冷卻水或氣體進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，從而使熔體自上向下定向散熱；坩堝下降法則是將坩堝以一定的速度移出熱源區(qū)域，從而建立起定向凝固的條件；溫梯法是由特定的發(fā)熱體和保溫裝置獲得一定的溫度梯度。這三種方法目前基本上都采用石墨電阻發(fā)熱體為加熱組件，石英坩堝為容器，將硅原料加熱到熔點(diǎn)(1414°C)以上，所以生長(zhǎng)出來(lái)的多晶硅錠碳氧含量較高。據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，不使用石墨組件作為發(fā)熱體(如區(qū)熔法)，所生長(zhǎng)出來(lái)的硅晶體中的碳含量要比使用石墨組件作為發(fā)熱體的低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。一般石墨的發(fā)熱體不能在高真空條件下使用，但特殊石墨除外。如果常時(shí)間處于高真空條件下，會(huì)大大降低石墨發(fā)熱體的使用次數(shù)，增加多晶硅錠的制造成本；再者石墨發(fā)熱體在高溫下不斷揮發(fā)，在碳的氣氛下，與石英坩堝反應(yīng)，從而影響其使用壽命。另外，眾所周知，石墨器件是易損件，隨著時(shí)間的推移，石墨材質(zhì)揮發(fā)嚴(yán)重。例如， 使用爐次超過(guò)30爐次以上的石墨加熱器表面就會(huì)出現(xiàn)很多氣孔，這將大大降低加熱器的加熱效率，增加了功耗。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是為了避免因使用石墨發(fā)熱體而引起的碳污染，提供一種新型金屬發(fā)熱體，代替常規(guī)多晶硅鑄錠爐的石墨發(fā)熱體以及利用此金屬發(fā)熱體進(jìn)行制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅硅錠的方法。本發(fā)明使用金屬發(fā)熱體可以解決以上現(xiàn)有技術(shù)中的難題，一方面可以避免因使用石墨發(fā)熱體而引起的碳污染，另一方面金屬發(fā)熱體可以在高真空條件下或還原氣氛下使用，再結(jié)合定向凝固，可以得到高品質(zhì)的多晶硅錠；另外，因金屬揮發(fā)較小，使用金屬發(fā)熱體作為加熱元件的使用爐次可以超過(guò)石墨加熱器的兩倍以上；同時(shí)由于金屬的電阻率大于石墨電阻率，同等發(fā)熱效果下，金屬發(fā)熱體的材料用量小很多。比如，用于6英寸多晶硅錠的金屬發(fā)熱體價(jià)格與石墨加熱器不相上下。本發(fā)明采用金屬發(fā)熱體作為熱交換法或坩堝下降法的加熱組件，用于生長(zhǎng)大尺寸高品質(zhì)太陽(yáng)能電池用多晶硅錠；再者可將高真空、還原氣氛和定向凝固相結(jié)合，對(duì)硅熔體進(jìn)行提純，得到雜質(zhì)含量更低的高品質(zhì)多晶硅錠。本發(fā)明的金屬發(fā)熱體的材質(zhì)主要是鎢、鉬、 鉭，以及兩種或三種以上金屬的合金。多晶爐的爐膛內(nèi)為高真空狀態(tài)或充入還原性氣體，一方面減小了石墨發(fā)熱體對(duì)多晶硅錠的碳污染，提高了發(fā)熱體的使用壽命，降低了多晶硅錠的制造成本；另一方面使用金屬發(fā)熱體，爐膛內(nèi)可以保持高真空或還原性氣氛，可結(jié)合定向凝固，對(duì)硅熔體進(jìn)行提純，得到低雜質(zhì)含量的高品質(zhì)多晶硅錠。優(yōu)選的，發(fā)熱體為矩形波狀的板條形成的通電回路的筒形，例如優(yōu)選的為方形筒， 整個(gè)方形筒安裝在與水冷電極相連的電極板上。采用上述發(fā)熱體，可以在真空狀態(tài)或充入還原性氣體條件下生長(zhǎng)多晶硅錠，減少了因使用石墨加熱器而引起的碳污染。具體的，所述的生長(zhǎng)太陽(yáng)能電池用多晶硅錠的金屬發(fā)熱體，包括一方形筒和支撐方形筒的電極。方形筒由矩形板條和連接板條組成，矩形板條和連接板條通過(guò)金屬鉚釘相連，整個(gè)方形筒安裝在與水冷電極相連的電極板上。優(yōu)選的，所述的金屬加熱組件包括有多個(gè)電極，其中部分安裝在與水冷電極相連的電極板上，另外的起支撐作用。所述的方形筒金屬發(fā)熱體為主加熱器，加熱坩堝的四周；優(yōu)選的，坩堝上部和底部還分別有一個(gè)金屬發(fā)熱體，為輔加熱器。三者分別獨(dú)立控溫，實(shí)現(xiàn)硅料的熔化和定向凝固。所述的金屬發(fā)熱體的材質(zhì)包括鎢、鉬、鉭中的一種金屬，或者以上幾種金屬的合
^^ ο所述的矩形板條寬度為20 40mm，優(yōu)選的為25 35mm。所述的連接板條寬度為30 50mm，優(yōu)選的為35 45mm。所述的矩形板條厚度為5 15mm，優(yōu)選的為5 10mm。所述的矩形板條之間的間距為10 30mm，優(yōu)選的為10 20mm。所述的金屬發(fā)熱體，所圍成的方形筒型內(nèi)徑視坩堝的尺寸而定，方形筒與坩堝之間的間隙一般為10 20mm。所述的發(fā)熱體可達(dá)到的溫度范圍為1500 2500°C。坩堝根據(jù)不同提純工藝的需求，可以是石墨、石英、剛玉等材質(zhì)制成。坩堝可以是圓柱體、錐臺(tái)或正方體等形式；根據(jù)不同的提純工藝需要，可以在坩堝的表面涂裝保護(hù)材料。該發(fā)熱體具有如下優(yōu)勢(shì)(1)取代了傳統(tǒng)多晶硅鑄錠爐的石墨發(fā)熱體，避免了因使用石墨發(fā)熱體對(duì)多晶硅錠的碳污染；( 金屬發(fā)熱體可在高真空環(huán)境下使用，再結(jié)合定向凝固的作用，可生長(zhǎng)出低雜質(zhì)含量的高品質(zhì)多晶硅錠；C3)金屬發(fā)熱體可在還原性氣氛下使用，可減少因石英坩堝而引入的氧污染；(4)發(fā)熱體的使用壽命長(zhǎng)、不易變形、安全可靠、爐內(nèi)溫場(chǎng)分布穩(wěn)定；(5)降低了多晶硅錠的制備成本。實(shí)踐證明，本發(fā)明的發(fā)熱體可以提供太陽(yáng)能用多晶硅錠生長(zhǎng)所需要的高溫，同時(shí)可以避免因使用石墨發(fā)熱體對(duì)多晶硅錠的碳污染，發(fā)熱體的壽命大于石墨加熱器一倍以上。再者可利用高真空或還原氣氛和定向凝固的作用，生長(zhǎng)出低雜質(zhì)含量的高品質(zhì)多晶硅錠。利用本發(fā)明的發(fā)熱體，進(jìn)行了多晶硅錠的生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，可以得到大柱狀晶無(wú)開(kāi)裂的多晶硅
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通過(guò)下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明前述的和其他的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)。其中圖1為本發(fā)明生長(zhǎng)太陽(yáng)能電池用多晶硅錠的金屬發(fā)熱體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的截面示意圖。圖中1-方形筒；2-矩形板條；3-連接板條；4-電極。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明的一實(shí)施例的生長(zhǎng)太陽(yáng)能電池用多晶硅錠的金屬發(fā)熱體，包括一方形筒1和支撐方形筒的電極4。方形筒由矩形板條2和連接板條3組成，矩形板條2 和連接板條3通過(guò)金屬鉚釘相連，整個(gè)方形筒安裝在與水冷電極相連的電極板上。所述的方形筒金屬發(fā)熱體為主加熱器，加熱坩堝四周；坩堝上部和底部還分別有一個(gè)金屬發(fā)熱體，為輔加熱器。三者分別獨(dú)立控溫，實(shí)現(xiàn)硅料的熔化和定向凝固。所述的金屬發(fā)熱體的材質(zhì)包括鎢、鉬、鉭中的一種金屬，或者以上幾種金屬的合
^^ ο實(shí)施例1 提供一種采用金屬鉬制成760X760X700mm的方形筒發(fā)熱體，以及提供 720X720X420mm的石英坩堝，使用熱交換法生長(zhǎng)出280Kg的無(wú)開(kāi)裂、大柱狀晶的多晶硅錠，經(jīng)檢測(cè)其中碳含量為2ppm。實(shí)施例2 提供一種采用金屬鉬制成760X760X700mm的方形筒發(fā)熱體，以及提供 720X720X420mm的石英坩堝，使用坩堝下降法生長(zhǎng)出240Kg的無(wú)開(kāi)裂、大柱狀晶的多晶硅錠，經(jīng)檢測(cè)其中碳含量為5ppm。本發(fā)明并不局限于所述的實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神即公開(kāi)范圍內(nèi)，仍可作一些修正或改變，故本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍以權(quán)利要求書(shū)限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種定向凝固制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅錠的方法，其特征在于，所述方法包括提供一種金屬發(fā)熱體作為加熱組件；提供加熱坩堝，所述的金屬加熱組件成筒狀，設(shè)在所述加熱坩堝的四周；以及使用熱交換法或坩堝下降法生長(zhǎng)大尺寸多晶硅錠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向凝固制備多晶硅錠的方法，其特征在于，在采用所述金屬發(fā)熱體加熱的同時(shí)，爐膛內(nèi)為高真空狀態(tài)或充入還原性氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向凝固制備多晶硅錠的方法，其特征在于，在所述加熱坩堝的上部和底部各提供一個(gè)金屬輔加熱器，三者分別獨(dú)立控溫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向凝固制備多晶硅錠的方法，其特征在于，所述的金屬發(fā)熱體的材質(zhì)包括鎢、鉬、鉭中的一種金屬，或者以上幾種金屬的合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向凝固制備多晶硅錠的方法，其特征在于，所述的金屬加熱組件為方形筒，其每邊由多片矩形板條組成，每片板條之間通過(guò)金屬鉚釘由連接板條相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的定向凝固制備多晶硅錠的方法，其特征在于，所述的金屬加熱組件還包括有多個(gè)電極，其中部分安裝在與水冷電極相連的電極板上，另外的起支撐作用。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的定向凝固制備多晶硅錠的方法，其特征在于，所述的組成金屬發(fā)熱體的矩形板條的寬度為20 40mm，板條厚度為5 15mm，板條之間的間距為10 30mmo
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的定向凝固制備多晶硅錠的方法，其特征在于，所述的金屬發(fā)熱體的板條寬度為25 35mm，板條厚度為為5 10mm，板條之間的間距為10 20mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的定向凝固制備多晶硅錠的方法，其特征在于，所述的連接板條的寬度為30 50mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向凝固制備多晶硅錠的方法，其特征在于，所述的金屬發(fā)熱體所圍成的筒形加熱組件與坩堝之間的間隙為10 20mm。
全文摘要
本發(fā)明提出一種定向凝固制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅錠的方法，主要適用于熱交換法或坩堝下降法生長(zhǎng)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅錠。該方法的特征是使用一種新型金屬發(fā)熱體，它包括一方形筒和支撐方形筒的電極。本發(fā)明的發(fā)熱體，可以在高真空條件下、還原性氣氛下生長(zhǎng)太陽(yáng)能電池用多晶硅錠，不僅解決了因使用石墨加熱組件生長(zhǎng)多晶硅錠的碳污染、石墨發(fā)熱體易變形、使用壽命短等問(wèn)題，還可以利用高真空或還原氣氛結(jié)合定向凝固對(duì)硅熔體進(jìn)行提純，既得到了高品質(zhì)的多晶硅錠又降低了多晶硅錠的鑄造成本。
文檔編號(hào)C30B11/00GK102485970SQ20101057012
公開(kāi)日2012年6月6日 申請(qǐng)日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者柳祝平, 王有明, 黃小衛(wèi) 申請(qǐng)人:元亮科技有限公司