一種多晶硅鑄錠加熱方法及應(yīng)用該方法的多晶硅鑄錠爐的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種多晶硅鑄錠方法，包括加熱、熔化、長(zhǎng)晶、退火和冷卻五個(gè)階段，在加熱和熔化階段采用磁感應(yīng)線圈的電磁感應(yīng)方式對(duì)硅錠進(jìn)行加熱，在長(zhǎng)晶階段關(guān)閉磁感應(yīng)線圈；還提供了應(yīng)用上述方法多晶硅鑄錠爐，包括坩堝、第一加熱器和冷卻板，所述第一加熱器設(shè)置于坩堝正上方，冷卻板設(shè)置于坩堝下方；其特征在于，還包括設(shè)置于坩堝四周的鑄錠爐側(cè)壁上的第二加熱器和設(shè)置于坩堝四周的鑄錠爐側(cè)壁上的磁感應(yīng)線圈，所述磁感應(yīng)線圈繞過(guò)坩堝，其形成的磁感線垂直穿過(guò)坩堝底面。本發(fā)明能夠縮短工藝時(shí)長(zhǎng)，有效提高產(chǎn)品鑄錠的電阻率穩(wěn)定性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種多晶硅鑄錠加熱方法及應(yīng)用該方法的多晶硅鑄錠爐
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多晶硅鑄錠加熱方法及一種應(yīng)用該方法的多晶硅鑄錠爐。
【背景技術(shù)】
[0002]將硅料加熱融化加工成硅錠是光伏產(chǎn)業(yè)重要的工序之一?，F(xiàn)有的多晶硅鑄錠加工工藝主要分為加熱、熔化、長(zhǎng)晶、退火、冷卻五個(gè)階段，長(zhǎng)晶、退火、冷卻與多晶硅錠的質(zhì)量關(guān)系較大，而加熱和熔化階段，受鑄錠爐本身功率和溫度要求的限制，縮短工藝時(shí)長(zhǎng)也不易做到。
[0003]現(xiàn)有多晶硅鑄錠加熱方式為使用傳統(tǒng)的石墨加熱方式，通過(guò)熱輻射的方式對(duì)硅料進(jìn)行加熱，將其熔化，而后通過(guò)冷卻形成硅錠。在加熱時(shí)，靠近加熱器的部分先受熱，進(jìn)而再將熱量傳遞給與其相鄰的硅料直至所有的硅料全部熔化。
[0004]然而，正因?yàn)閭鹘y(tǒng)的石墨加熱器通過(guò)熱輻射的方式進(jìn)行加熱，熱量需要由一塊硅料傳遞給另外一塊硅料，這無(wú)形中浪費(fèi)了不少時(shí)間。此外，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，采用現(xiàn)有的加熱方法生產(chǎn)的硅錠不同高度的電阻率波動(dòng)教導(dǎo)，以目標(biāo)電阻率1.4Ω.Cm的硅錠為例，實(shí)際生產(chǎn)出的硅錠電阻率自底到頂電阻率范圍為1.01 Ω.cm—2.00 Ω.αιι不等，利用該硅錠制作的電池轉(zhuǎn)換效率波動(dòng)性較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種多晶硅鑄錠的加熱方法，提高加熱速度，降低工藝時(shí)長(zhǎng)，提高硅錠穩(wěn)定性能。
[0006]本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):`[0007]一種多晶硅鑄錠方法，包括加熱、熔化、長(zhǎng)晶、退火和冷卻五個(gè)階段，在加熱和熔化階段采用磁感應(yīng)線圈的電磁感應(yīng)方式對(duì)硅錠進(jìn)行加熱，在長(zhǎng)晶階段關(guān)閉磁感應(yīng)線圈。
[0008]上述多晶硅方法，加熱階段和融化階段采用磁感應(yīng)線圈和石墨加熱器共同加熱。
[0009]上述多晶硅鑄錠方法，所述加熱階段硅料處于壓力200mbar氬氣環(huán)境與真空交替條件下。
[0010]上述多晶硅鑄錠方法，所述熔化階段硅料處于壓力600mbar的氬氣環(huán)境下。
[0011]本發(fā)明的另一目的還在于提供一種應(yīng)用上述加熱方法的多晶硅鑄錠爐。
[0012]技術(shù)方案如下:
[0013]一種多晶硅鑄錠爐，包括坩堝、第一加熱器和冷卻板，所述第一加熱器設(shè)置于坩堝正上方，冷卻板設(shè)置于坩堝下方；還包括設(shè)置于坩堝四周的鑄錠爐側(cè)壁上的第二加熱器和設(shè)置于坩堝四周的鑄錠爐側(cè)壁上的磁感應(yīng)線圈，所述磁感應(yīng)線圈繞過(guò)坩堝，其形成的磁感線垂直穿過(guò)坩堝底面。
[0014]上述多晶硅鑄錠爐，所述第一加熱器、第二加熱器和磁感應(yīng)線圈分別由不同的控制器控制啟動(dòng)/關(guān)閉。
[0015]上述多晶硅鑄錠爐，所述磁感應(yīng)線圈的下端位于坩堝底部向上的1/5至1/2坩堝高度處。
[0016]上述多晶硅鑄錠爐，所述第二加熱器的下端位于坩堝底部向上的1/5至1/2坩堝高度處。
[0017]發(fā)明的有益效果是:
[0018]1、通過(guò)磁感應(yīng)線圈對(duì)不同塊的硅料進(jìn)行同時(shí)加熱，減少了加熱時(shí)間，降低了工藝時(shí)長(zhǎng)；
[0019]2、通過(guò)磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電磁力對(duì)熔化后硅料起到攪拌作用，加速熔體的對(duì)流程度，加速娃淀中雜質(zhì)的排除，提聞娃淀的廣品質(zhì)量。
[0020]3、通過(guò)磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電磁力對(duì)熔化后硅料起到攪拌作用，加速熔體的對(duì)流程度，使雜質(zhì)硼在熔體硅中均勻分布，提高硅錠電阻率的均勻性。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明多晶硅鑄錠爐的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]上述附圖中，1 、坩堝；21、第一加熱器；22、第二加熱器；23、磁感應(yīng)線圈；3、冷卻板。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0024]實(shí)施例1
[0025]本實(shí)施例提供了采用本發(fā)明記載技術(shù)方案制作目標(biāo)電阻率為1.4Ω._的硅錠的過(guò)程:
[0026]第一步:加熱
[0027]打開(kāi)磁感應(yīng)線圈和傳統(tǒng)的石墨加熱器對(duì)硅料塊進(jìn)行加熱，加熱真空度以0.1mbar和200mbar峰值和谷值，加熱過(guò)程中，環(huán)境真空度數(shù)值在上述峰值和谷值之間交替變換，溫度自室溫逐漸升至120(TC ;經(jīng)過(guò)2h后加熱完畢，進(jìn)入熔化階段；在加熱階段完全保溫。
[0028]第二步:熔化
[0029]通入保護(hù)氣并使環(huán)境的真空度逐漸調(diào)節(jié)至600mbar ;通過(guò)對(duì)磁感應(yīng)線圈和石墨加熱器的功率控制熔化溫度自1200°C升至1550°C ;進(jìn)入熔化階段后7h后硅料完全熔化呈熔體狀態(tài)；熔化過(guò)程中完全保溫；
[0030]第三步:長(zhǎng)晶
[0031]保證鑄錠環(huán)境真空度大約600mbar的條件；持續(xù)通入保護(hù)氣體，關(guān)閉磁感應(yīng)線圈，只通過(guò)傳統(tǒng)石墨加熱方式控制長(zhǎng)晶階段溫度在1400°C~1440°C之間；長(zhǎng)晶期間緩慢撤去保溫措施，經(jīng)過(guò)21h后長(zhǎng)晶階段，進(jìn)入退火階段；
[0032]第四步:退火
[0033]退火階段磁感應(yīng)線圈關(guān)閉，控制傳統(tǒng)石墨加熱器功率將硅錠環(huán)境溫度自長(zhǎng)晶階段的1400°C緩慢降至1370°C ;退火階段持續(xù)大約Ih ;退火過(guò)程中完全保溫且持續(xù)充保護(hù)氣；
[0034]第五步:冷卻
[0035]退火階段完成后，保證保護(hù)氣連續(xù)通入的情況下調(diào)整石墨加熱器的功率使鑄錠的溫度自退火階段的1370°C緩慢降至400°C ;歷時(shí)大約5h后完成硅錠的制備。[0036]第一步中的交替變化是指，在加熱過(guò)程中真空度到達(dá)峰值后向谷值變化，且在到達(dá)谷值后向下一個(gè)峰值變化。在第一步的加熱過(guò)程中，采用磁感應(yīng)線圈加熱的方式與石墨加熱器的加熱結(jié)合的方式，依靠感應(yīng)磁場(chǎng)使娃料塊本身產(chǎn)生潤(rùn)旋電流，利用娃料塊自身產(chǎn)生的電流將硅料塊加熱。在熔化階段，已經(jīng)熔化形成熔體的硅料在感應(yīng)磁場(chǎng)的作用發(fā)生對(duì)流作用，尤其是摻雜劑在感應(yīng)磁場(chǎng)的作用下更為均勻地分布在硅熔體中。采用磁感應(yīng)加熱方式加熱的對(duì)流方式與單純的原始方式也有不同，傳統(tǒng)的石墨加熱器加熱時(shí)，由于熱對(duì)流相對(duì)較小，且坩堝內(nèi)部存在死角，使得摻雜劑不能均勻分布于硅錠當(dāng)中，產(chǎn)生電阻率分布不均勻的狀況。而采用磁感應(yīng)加熱方式進(jìn)行加熱時(shí)，硅熔體受到電磁力的作用，其中的摻雜劑和部分雜質(zhì)會(huì)在電磁力的作用下對(duì)硅熔體對(duì)流的流速和流向產(chǎn)生干擾作用，并且摻雜劑隨硅熔體的對(duì)流作用均勻分布至硅錠各部分，生產(chǎn)出的硅錠各部分電阻率波動(dòng)小，性能穩(wěn)定；同時(shí)，硅熔體對(duì)流作用的加強(qiáng)也加速了雜質(zhì)的排出。
[0037]在第三步長(zhǎng)晶階段以后，停止磁感應(yīng)線圈的加熱方式，避免由于磁場(chǎng)貫穿全部硅料內(nèi)部，防止磁場(chǎng)對(duì)穩(wěn)定的溫度梯度的形成的影響，降低晶體位錯(cuò)密度。
[0038]使用本發(fā)明方法第一、二步的所需時(shí)間僅為7_9h，比使用現(xiàn)有技術(shù)第一、二步所需的20~23h的大大縮短。
[0039]經(jīng)理論計(jì)算并通過(guò)四探針電阻率測(cè)試儀檢驗(yàn)，通過(guò)上述實(shí)施例制得的目標(biāo)電阻率為1.4Ω.cm的娃錠,實(shí)際電阻率為1.4Ω.cm一1.5 Ω.cm (從娃錠底部到頂部),遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有技術(shù)中1.01 Ω * cm—2.00 Ω.cm的波動(dòng)范圍，硅片少子壽命變化范圍從1.1 μ m—
1.5 μ m提高到1.2 μ m— 1.5 μ m，利用本實(shí)施例的硅錠制作出電池片轉(zhuǎn)化效率分布較現(xiàn)有技術(shù)中更為集中，這使得硅塊從底部到頂部收集的硅片做成的電池片轉(zhuǎn)換效率更為集中，穩(wěn)定提高了高效率電池片持續(xù)的區(qū)域約2% — 3%。本發(fā)明也可進(jìn)行N型硅錠的鑄造。
[0040]實(shí)施例2
[0041]圖1提供了一種利用上述加熱方法的多晶硅鑄錠爐，包括坩堝1、第一加熱器21和冷卻板3，第一加熱器21設(shè)置于坩堝I正上方，從上方對(duì)硅料進(jìn)行加熱，保證在長(zhǎng)晶過(guò)程中自下至上形成穩(wěn)定的溫度梯度。冷卻板3設(shè)置于坩堝I下方；與第一加熱器21共同保證在長(zhǎng)晶過(guò)程中自下至上的穩(wěn)定溫度梯度。本發(fā)明的鑄錠爐還包括設(shè)置于坩堝I四周的鑄錠爐側(cè)壁上的第二加熱器22和設(shè)置于坩堝I四周的鑄錠爐側(cè)壁上的磁感應(yīng)線圈23，磁感應(yīng)線圈23繞過(guò)坩堝1，其形成的磁感線垂直穿過(guò)坩堝I底面；磁感應(yīng)線圈23的作用下，不同位置的硅料塊均能同時(shí)受到同等的磁感作用，同時(shí)加熱，節(jié)省加熱時(shí)間。第一加熱器21、第二加熱器22和磁感應(yīng)線圈23分別由不同的控制器控制啟動(dòng)/關(guān)閉；如此，可對(duì)不同的加熱方式進(jìn)行分別控制，避免加熱方式產(chǎn)生的弊端。磁感應(yīng)線圈23的下端和第二加熱器22的下端均位于坩堝I底部向上的1/5至1/2坩堝I高度處，優(yōu)選為1/3 ;在此高度的范圍中，既最利于加熱器在加熱熔化階段時(shí)對(duì)坩堝I內(nèi)硅料的加熱，又不會(huì)影響到長(zhǎng)晶階段的溫度梯度形成。
[0042]第一加熱器21和第二加熱器22均為傳統(tǒng)的石墨加熱器。
[0043]在長(zhǎng)晶過(guò)程中，磁感應(yīng)線圈23關(guān)閉，避免了磁場(chǎng)干擾穩(wěn)定溫度梯度的形成，保證形成的晶體位錯(cuò)密度正常。第一加熱器21、第二加熱器22打開(kāi)，與冷卻板3共同形成穩(wěn)定的縱向溫度梯度環(huán)境，保證硅錠具有良好的長(zhǎng)晶環(huán)境。
[0044]使用本發(fā)明的鑄錠爐進(jìn)行鑄錠時(shí)，只需按照實(shí)施例1中的需要對(duì)第一加熱器21、第二加熱器22和磁感應(yīng)線圈23進(jìn)行控制，并按照現(xiàn)有的方式對(duì)其他條件進(jìn)行控制即可。
[0045]上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明創(chuàng)造所作的舉例，而并非對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造【具體實(shí)施方式】的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍`處于本發(fā)明創(chuàng)造權(quán)利要求的保護(hù)范圍之中。
【權(quán)利要求】
1.一種多晶硅鑄錠方法，包括加熱、熔化、長(zhǎng)晶、退火和冷卻五個(gè)階段，其特征在于，在加熱和熔化階段采用磁感應(yīng)線圈的電磁感應(yīng)方式對(duì)硅錠進(jìn)行加熱，在長(zhǎng)晶階段關(guān)閉磁感應(yīng)線圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅方法，其特征在于，加熱階段和融化階段采用磁感應(yīng)線圈和石墨加熱器共同加熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多晶硅鑄錠方法，其特征在于，所述加熱階段硅料的環(huán)境為壓力0.1mbar至200mbar交替變化的U1氣環(huán)境。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多晶硅鑄錠方法，其特征在于，所述熔化階段硅料處于壓力6OOmbar U1氣環(huán)境下。
5.—種多晶娃鑄錠爐,其特征在于,包括相二禍、第一加熱器和冷卻板，所述第一加熱器設(shè)置于坩堝正上方，冷卻板設(shè)置于坩堝下方；其特征在于，還包括設(shè)置于坩堝四周的鑄錠爐側(cè)壁上的第二加熱器和設(shè)置于坩堝四周的鑄錠爐側(cè)壁上的磁感應(yīng)線圈，所述磁感應(yīng)線圈繞過(guò)坩堝，其形成的磁感線垂直穿過(guò)坩堝底面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于，所述第一加熱器、第二加熱器和磁感應(yīng)線圈分別由不同的控制器控制啟動(dòng)/關(guān)閉。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于，所述磁感應(yīng)線圈的下端位于坩堝底部向上的1/5至1/2坩堝高度處。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于，所述第二加熱器的下端位于坩堝底部向上的1/5至1/2 坩堝高度處。
【文檔編號(hào)】C30B29/06GK103614772SQ201310681393
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】高冬松 申請(qǐng)人:光為綠色新能源股份有限公司