專利名稱：多晶硅鑄錠爐與制備均勻細(xì)小晶粒多晶硅鑄錠的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及多晶硅鑄錠爐與制備均勻細(xì)小晶粒多晶娃鑄淀的方法。
背景技術(shù)：
太陽能電池是近幾年發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，以超過50%的速度高速增長。在各種類型的太陽能電池中，晶體硅太陽能電池由于轉(zhuǎn)換率高，技術(shù)成熟而保持領(lǐng)先地位。晶體硅太陽能光伏組件的完整產(chǎn)業(yè)鏈包括鑄錠、切片、電池和組件四部分，而鑄造多晶硅錠是生產(chǎn)多晶硅太陽能光伏組件的第一個步驟。目前鑄造多晶硅錠一般 采用多晶硅鑄錠爐，圖1為多晶硅鑄錠爐的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，多晶硅鑄錠爐包括隔熱籠提升機(jī)構(gòu)1，上爐體2，隔熱籠3，坩堝組件4，定向助凝塊5，下爐體6，支撐柱7 ;所述上爐體2與所述下爐體6通過液壓連接，所述上爐體2能與所述下爐體6分開或閉合，所述隔熱籠3位于上爐體2和下爐體6構(gòu)成的爐體中，所述定向助凝塊5通過支撐柱7設(shè)置于隔熱籠3中，所述坩堝組件4放置于定向助凝塊5平臺上，所述隔熱籠提升機(jī)構(gòu)I與隔熱籠3、上爐體2相連接，所述隔熱籠3通過隔熱籠提升機(jī)構(gòu)I實(shí)現(xiàn)隔熱籠3的升降。目前硅片和電池成本持續(xù)降低，在太陽能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈中的成本比重越來越低。組件、安裝與維護(hù)等的成本已成為第一因素，降低多晶硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)鏈中高成本部分成為太陽能電池的發(fā)展方向。電池效率提升將提高電池的成本，但降低總成本，因此高效電池成為了未來發(fā)展的方向。而鑄造聞品質(zhì)的多晶娃淀又是提聞電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素和基本iu提。制備晶粒均勻細(xì)小的多晶娃能夠保證多晶娃鑄淀的品質(zhì)。目前制備均勻小晶粒的方法主要依靠在長晶初級加大鑄錠爐底部的降溫速度，以獲得較大的過冷度，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。具體操作方案是在硅料熔化完成后，迅速提升隔熱籠，使得鑄錠爐底部散熱量加大，形核量增大，在坩堝底部形成晶粒比較細(xì)小的母相后，適當(dāng)減小隔熱籠的開度，在適宜的溫度下繼續(xù)完成剩余的長晶過程。增大長晶初期鑄錠爐底部散熱速度以加大過冷度的方法可以實(shí)現(xiàn)生長小晶粒的目的，但是這種生產(chǎn)方法存在以下缺點(diǎn):一、突然增大溫度變化率對坩堝和涂層產(chǎn)生影響，如果坩堝涂層存在缺陷，則很容易發(fā)生粘堝甚至泄露等生產(chǎn)事故；二、突然增大的降溫變化率會對后面正常的長晶過程造成影響，導(dǎo)致硅錠長晶速率波動較大，造成多晶硅錠缺陷、位錯增多；三、目前鑄錠爐主要依靠提升隔熱籠來實(shí)現(xiàn)降低底部溫度的目的，但是單純的提升隔熱籠，定向助凝塊四邊的散熱速率高于中央的散熱速率，這種降溫模式會形成水平方向上的溫度梯度，最終會影響硅錠晶粒的垂直度。因此，本發(fā)明提供了一種制備晶粒細(xì)小均勻的多晶硅鑄錠的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種制備均勻細(xì)小晶粒的多晶硅鑄錠的方法。
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種多晶硅鑄錠爐，包括:隔熱籠提升機(jī)構(gòu)、上爐體、隔熱籠、坩堝組件、定向助凝塊、下爐體和支撐柱，所述多晶硅鑄錠爐還包括超聲波發(fā)生器，所述超聲波發(fā)生器設(shè)置于所述下爐體外壁的底部，或所述超聲波發(fā)生器設(shè)置于所述上爐體外壁的側(cè)面。本發(fā)明還提供了一種利用所述的多晶硅鑄錠爐制備均勻細(xì)小晶粒多晶硅鑄錠的方法，包括:將多晶硅料裝載至坩堝中，將所述坩堝置于定向助凝塊上；關(guān)閉下爐室進(jìn)行抽真空，然后加熱所述多晶硅料，使所述多晶硅料熔化；利用隔熱籠提升機(jī)構(gòu)使熔化的多晶硅料冷卻，所述熔化的多晶硅料達(dá)到臨界形核狀態(tài)時開啟超聲波發(fā)生器；所述超聲波發(fā)生器開啟Imin 20min后關(guān)閉，依次經(jīng)過長晶、退火和冷卻后得到 多晶娃鑄淀。優(yōu)選的，所述坩堝為內(nèi)壁涂有Si3N4的石英坩堝。優(yōu)選的，所述超聲波發(fā)生器的開啟時的功率為500w 1200w，頻率為20±2khz。本發(fā)明提供了一種多晶硅鑄錠爐和利用所述多晶硅鑄錠爐制備多晶硅鑄錠的方法。本申請的多晶硅鑄錠爐在下爐體外壁的底部或上爐體外壁的側(cè)面設(shè)置了超聲波發(fā)生器。利用本發(fā)明提供的多晶硅鑄錠爐，在制備多晶硅鑄錠的過程中，坩堝中的硅料完全熔化后，在臨界形核狀態(tài)將超聲波發(fā)生器開啟Imin 20min，超聲波處理硅熔體時，液體分子受到周期性交變聲場的影響，在負(fù)壓作用下被拉裂而產(chǎn)生空化氣泡，在聲波的正相作用下，產(chǎn)生的空化泡以極高的速度閉合或崩塌，從而在熔體內(nèi)局部產(chǎn)生瞬間高壓、高溫和強(qiáng)烈的沖擊波。空化泡所形成的局部熱脈沖不斷的沖擊凝固前沿，并使界面局部溶蝕，空化泡產(chǎn)生的高溫使枝晶熔斷，也增加了形核數(shù)量，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。因此，經(jīng)超聲波處理后的熔體在聲空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)的共同作用下晶粒變得更細(xì)小更均勻，停止超聲波發(fā)生器后坩堝底部形成了一層晶粒均勻細(xì)小的母相，自此晶體會自下而上在此母相的基礎(chǔ)上逐漸生長，最終得到完整的內(nèi)部晶粒尺寸均勻細(xì)小的多晶硅鑄錠。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)多晶娃鑄淀爐的結(jié)構(gòu)不意圖；圖2為本發(fā)明多晶娃鑄淀爐的結(jié)構(gòu)不意圖；圖3為本發(fā)明多晶娃鑄淀爐的結(jié)構(gòu)不意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例2制備的多晶硅鑄錠的內(nèi)部組織照片；圖5為對比例制備的多晶硅鑄錠的內(nèi)部組織照片。
具體實(shí)施例方式為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。本發(fā)明實(shí)施例公開了一種多晶硅鑄錠爐，如圖2所示，圖2為多晶硅鑄錠爐的結(jié)構(gòu)示意圖。所述多晶硅鑄錠爐包括:隔熱籠提升機(jī)構(gòu)1、上爐體2、隔熱籠3、坩堝組件4、定向助凝塊5、下爐體6和支撐柱7，所述多晶硅鑄錠爐還包括超聲波發(fā)生器8，所述超聲波發(fā)生器8設(shè)置于所述下爐體6外壁的底部，或如圖3所示，所述超聲波發(fā)生器8設(shè)置于所述上爐體2外壁的側(cè)面。按照本發(fā)明，所述超聲波發(fā)生器的作用是將市電(380v或220v)轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流信號，從而發(fā)生一定頻率的超聲波。所述超聲波發(fā)生器的規(guī)格型號可以選擇功率為Ow 1200 連續(xù)可調(diào)，超聲波頻率為20±2khz的超聲波發(fā)生器，也可以選擇其他規(guī)格型號的超聲波發(fā)生器，本發(fā)明沒有特別的限制。按照本發(fā)明，為了使形成的多晶硅鑄錠內(nèi)部晶粒尺寸更加均勻細(xì)小，所述超聲波發(fā)生器優(yōu)選設(shè)置于多晶硅鑄錠爐下爐體外壁的底部。本發(fā)明還提供了一種利用所述多晶硅鑄錠爐制備均勻細(xì)小晶粒多晶硅鑄錠的方法，包括以下步驟:將多晶硅料裝載至坩堝中，將所述坩堝置于定向助凝塊上；關(guān)閉下爐室進(jìn)行抽真空，然后加熱所述多晶硅料，使所述多晶硅料熔化；利用隔熱籠提升機(jī)構(gòu)使熔化的多晶硅料冷卻，所述熔化的多晶硅料達(dá)到臨界形核狀態(tài)時開啟超聲波發(fā)生器；所述超聲波發(fā)生器Imin 20min后關(guān)閉，依次經(jīng)過長晶、退火和冷卻后得到多晶
硅鑄錠。本發(fā)明是采用超聲波發(fā)生器在多晶硅料長晶初期發(fā)生超聲波，當(dāng)測量到硅錠開始生長后立即停止超聲波，然后按照現(xiàn)有技術(shù)中的工藝使晶粒沿著溫度梯度的方向生長直至生長過程結(jié)束。

按照本發(fā)明，多晶硅鑄錠制備過程中，首先將多晶硅料裝載至坩堝中，并將裝有多晶硅料的坩堝置于定向助凝塊上，所述坩堝優(yōu)選為內(nèi)壁涂有Si3N4的石英坩堝。所述定向助凝塊為中空石墨塊，導(dǎo)熱性很強(qiáng)。然后關(guān)閉下腔室并進(jìn)行抽真空操作，優(yōu)選將多晶硅鑄錠爐進(jìn)行檢漏操作后進(jìn)入加熱工藝。所述坩堝的四周和頂部安裝有加熱器，接通電源后即對硅料進(jìn)行加熱，加熱持續(xù)12 24h直至硅料完全熔化。然后利用隔熱籠提升機(jī)構(gòu)，使隔熱籠位置上升，加快熱量由定向助凝塊向外擴(kuò)散的速度，對熔化的多晶硅料進(jìn)行冷卻，并間接帶走坩堝的熱量，最終在硅熔液中形成自下而上的垂直溫度梯度；在所述垂直梯度的作用下，熔融硅料從坩堝底部開始凝固，即長晶過程是從熔液底部向頂部順序進(jìn)行。在長晶初期即熔硅達(dá)到臨界形核狀態(tài)時，開啟超聲波發(fā)生器。何時開啟超聲波發(fā)生器對于對多晶硅鑄錠形核很關(guān)鍵，超聲波發(fā)生器開始時間過早，影響多晶硅熔液的正常形核，開啟時間過晚對形成均勻細(xì)小晶粒不起作用，因此，需要對開啟時間進(jìn)行嚴(yán)格控制，因此本申請開啟超聲波發(fā)生器是在開始形核的臨界狀態(tài)。本發(fā)明是按下述方法測定硅料完全熔化到開始形核的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的:選擇一根石英棒，將石英棒伸入到熔融的液硅中，觸碰到坩堝底面的位置設(shè)為基點(diǎn)，在長晶初期將石英棒從鑄錠爐頂部重復(fù)伸入，每10分鐘測量一次，通過測量玻璃棒伸入的位置，來確定硅晶體是否開始生長，測量值與基點(diǎn)的差值即為晶體的生長高度。測量到開始生長后立即開啟超聲波，最終當(dāng)長晶高度測量值達(dá)到3mm IOmm時，關(guān)閉超聲波。當(dāng)然，這種測量的方法比較繁瑣，可以在測量的基礎(chǔ)上，通過對鑄錠爐底部溫區(qū)溫度來判斷開始形核這個關(guān)鍵點(diǎn)發(fā)生的時間。在超聲波發(fā)生器開啟階段，超聲波處理硅熔體時，液體分子受到周期性交變聲場的作用，在負(fù)壓作用下被拉裂而產(chǎn)生空化氣泡，在聲波的正相作用下，產(chǎn)生的空化泡以極高的速度閉合或崩塌，空化泡形成長大的過程將從周圍吸收熱量，這導(dǎo)致空化泡表面區(qū)域硅熔體溫度降低，產(chǎn)生局部過冷，但在空化泡崩塌過程中，產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波會擊碎初生晶體和正在長大的晶體，使之成為破碎的晶體質(zhì)點(diǎn)?？栈纬傻木植繜崦}沖不斷的沖擊凝固前沿，并使界面局部溶蝕，空化產(chǎn)生的高溫使枝晶熔斷，也增加了形核數(shù)量，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。經(jīng)過超聲波處理產(chǎn)生的高壓，可以使液態(tài)硅向固態(tài)硅轉(zhuǎn)變，從而促進(jìn)了晶核的形成，因此，超聲波處理后的熔體在聲空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)的共同作用下使晶粒變得更細(xì)小更均勻。超聲波處理熔體時發(fā)生的能量損耗會被通體吸收熱能，輸入功率越大熱效應(yīng)越明顯，所以當(dāng)超聲波的功率過大時會使熔體的降溫速度變慢，反而會使晶體粗化，所以需要保證超聲波發(fā)生器的功率在合理的范圍內(nèi)。按照本發(fā)明，所述超聲波發(fā)生器的開啟時間為Imin 20min,優(yōu)選為IOmin 20min。所述超聲波發(fā)生器開啟時的功率優(yōu)選為500w 1200wo通過超聲波發(fā)生器的機(jī)械振蕩，坩堝底部形成數(shù)量較多的新晶核，待晶核產(chǎn)生后即停止超聲波振蕩，此時坩堝底部形成了一層晶粒均勻細(xì)小的母相，此后晶體會自下而上在此母相的基礎(chǔ)上逐漸生長，最終生長成完整的多晶硅鑄錠，硅錠經(jīng)過退火和冷卻后就完成了整個的生產(chǎn)周期。利用本發(fā)明的多晶硅鑄錠爐，能夠使得到的多晶硅鑄錠晶粒細(xì)化，同時相較于現(xiàn)有技術(shù)有明顯的優(yōu)勢:沒有改變溫度的變化率，也沒有改變溫度梯度方向，從而給在形核之后的晶體長大階段提供了一個穩(wěn)定的外部環(huán)境，保證不引入多余的位錯、缺陷，同時不影響硅晶粒的垂直度；不會引入熱沖擊，保護(hù)了坩堝、涂層的質(zhì)量穩(wěn)定性；有更好的晶粒一致性，生長過程的內(nèi)應(yīng)力小，導(dǎo)致鑄錠的均勻性好，有助于改善開路電壓及電流特性，提高多晶硅電池片的光電轉(zhuǎn)換效率。為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明提供的多晶硅鑄錠爐以及利用多晶硅鑄錠爐制備多晶硅鑄錠的過程，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實(shí)施例的限制。實(shí)施例1如圖2所示，圖2為多晶娃鑄錠爐的結(jié)構(gòu)示意圖,所述多晶娃鑄錠爐包括:隔熱籠提升機(jī)構(gòu)1，上爐體2，隔熱籠3，坩堝組件4，定向助凝塊5，下爐體6，支撐柱7，超聲波發(fā)生器8，所述超聲波發(fā)生器8設(shè)置于下爐體6外壁的底部。實(shí)施例2將多晶硅料裝載至內(nèi)壁涂有Si3N4的石英坩堝中，并將坩堝放置于中空石墨塊，即定向助凝塊(DS塊)上；隨后，關(guān)閉下爐室進(jìn)行抽真空操作，系統(tǒng)完成檢漏操作后進(jìn)行加熱；坩堝的四周和頂部安裝有加熱器，接通電源后對硅料進(jìn)行加熱，加熱過程持續(xù)十五個小時直至硅料完全熔化，接著利用隔熱籠提升機(jī)構(gòu)，使隔熱籠位置上升，加快熱量由定向助凝塊向外擴(kuò)散的速度，對其進(jìn)行冷卻，從而間接帶走坩堝中的熱量，最終在硅溶液形成自下而上的垂直溫度梯度；在這個溫度梯度的作用下，硅料從坩堝底部開始凝固，即長晶過程是從溶液底部向頂部順序進(jìn)行 ；當(dāng)熔硅達(dá)到臨界形核狀態(tài)時，開啟超聲波發(fā)生器，長晶高度測量值達(dá)到3mm 10_，停止超聲波，此時坩堝底部形成了一層晶粒均勻細(xì)小的母相，接下來晶體會自下而上在此母相的基礎(chǔ)上逐漸生長，最終生長成完整的高效多晶硅錠，硅錠經(jīng)過退火和冷卻后就完成了整個的生產(chǎn)周期。選取硅錠底部位置拍照，如圖4所示，圖4為本實(shí)施例生產(chǎn)的多晶硅鑄錠的內(nèi)部組織照片。對比例將多晶硅料裝載至內(nèi)壁涂有Si3N4的石英坩堝中，并將坩堝放置于中空石墨塊，即定向助凝塊(DS塊)上；隨后，關(guān)閉下爐室進(jìn)行抽真空操作，系統(tǒng)完成檢漏操作后進(jìn)行加熱；坩堝的四周和頂部安裝有加熱器，接通電源后對硅料進(jìn)行加熱，加熱過程持續(xù)十五個小時直至硅料完全熔化，接著利用隔熱籠提升機(jī)構(gòu)，使隔熱籠位置上升，加快熱量由定向助凝塊向外擴(kuò)散的速度，對其進(jìn)行冷卻，從而間接帶走坩堝中的熱量，最終在硅溶液形成自下而上的垂直溫度梯度；在這個溫度梯度的作用下，硅料從坩堝底部開始凝固，即長晶過程是從溶液底部向頂部順序進(jìn)行，最終生長成完整的多晶硅錠，硅錠經(jīng)過退火和冷卻后就完成了整個的生產(chǎn)周期。選取與實(shí)施例2鑄錠相同位置進(jìn)行拍照,如圖5所示，圖5為對比例生產(chǎn)的多晶娃鑄錠的內(nèi)部組織照片。由圖4與5可以看出，對比例I生產(chǎn)的晶體晶粒粗大，晶粒的均勻性差，且枝晶組織較多；而經(jīng)過超聲波處理的樣品，晶粒細(xì)化明顯，晶體的均勻化效果好。以上實(shí)施 例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種多晶硅鑄錠爐，包括:隔熱籠提升機(jī)構(gòu)、上爐體、隔熱籠、坩堝組件、定向助凝塊、下爐體和支撐柱，其特征在于，所述多晶硅鑄錠爐還包括超聲波發(fā)生器，所述超聲波發(fā)生器設(shè)置于所述下爐體外壁的底部，或所述超聲波發(fā)生器設(shè)置于所述上爐體外壁的側(cè)面。
2.一種利用權(quán)利要求1所述的多晶硅鑄錠爐制備均勻細(xì)小晶粒多晶硅鑄錠的方法，包括: 將多晶硅料裝載至坩堝中，將所述坩堝置于定向助凝塊上； 關(guān)閉下爐室進(jìn)行抽真空，然后加熱所述多晶硅料，使所述多晶硅料熔化； 利用隔熱籠提升機(jī)構(gòu)使熔化的多晶硅料冷卻，所述熔化的多晶硅料達(dá)到臨界形核狀態(tài)時開啟超聲波發(fā)生器； 所述超聲波發(fā)生器開啟Imin 20min后關(guān)閉，依次經(jīng)過長晶、退火和冷卻后得到多晶硅鑄錠。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述坩堝為內(nèi)壁涂有Si3N4的石英坩堝。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述超聲波`發(fā)生器的開啟時的功率為500w 1200w,頻率為 20 ± 2khz。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多晶硅鑄錠爐和利用所述多晶硅鑄錠爐制備多晶硅鑄錠的方法。本發(fā)明中所述多晶硅鑄錠爐包括隔熱籠提升機(jī)構(gòu)、上爐體、隔熱籠、坩堝組件、定向助凝塊、下爐體、支撐柱和超聲波發(fā)生器，所述超聲波發(fā)生器設(shè)置于下爐體外壁的底部，或所述超聲波發(fā)生器設(shè)置于上爐體外壁的側(cè)面。本發(fā)明在生產(chǎn)多晶硅鑄錠的過程中，在多晶硅熔體達(dá)到臨界形核狀態(tài)時開啟超聲波發(fā)生器，并1min～20min后關(guān)閉超聲波發(fā)生器，本發(fā)明通過在多晶硅形核初期引入機(jī)械振蕩，從而有利于形成晶粒均勻細(xì)小的多晶硅鑄錠。
文檔編號C30B28/06GK103243392SQ20131016895
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月9日
發(fā)明者王悅, 劉華, 戴允蛟, 任建華, 唐自成 申請人:天津英利新能源有限公司