[发明专利]低缺陷高产出多晶硅铸锭方法及其热场结构

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池铸锭技术领域，涉及一种低缺陷高产出多晶硅铸锭方法及其热场结构。

背景技术

在太阳能光伏领域，利用定向凝固的方法生产多晶硅锭是普遍采用的方法，其基本原理是：将多晶硅原料放置在石英陶瓷坩埚中，放置在特定的热场系统中，加热至完全融化；然后从坩埚的底部开始冷却，硅溶液在坩埚底部开始结晶，逐渐向上生长(凝固)；完成生长过程后，通常会将热场重新闭合，并将多晶铸锭保温一段时候后开始冷却，整个过程能耗在3800度左右。能耗高主要是由于加热器位置在整个热场结构的上半部分，加热器位于热场顶部和侧上部，为了维持晶体生长的温度梯度，能量散失较多。目前行业内普遍采用450kg多晶铸锭炉型，由于生产能力或者切片机载荷的问题，实际投料量一般在390-420kg，随着行业的发展，竞争越来越激烈，各太阳能电池生产厂家越来越注重对成本的控制，为了增大产能降低能本，各种新的设备不断被研发出，多晶炉有更大的炉型(800kg)研发成功，这些大炉型都在往横向发展，即原来450kg多晶铸锭炉型，可以切割25个156mm×156mm×250mm的小块，800kg炉型的则可切割出36个这样的小块，但与其配套的大型坩埚生产工艺还未成熟，且要求更大的开方机，原有的开方机太窄而不能继续使用，因此其成本优势并不明显。为提高产出在原有450kg炉型基础上，直接增大装料量，随着装料量的提高，长晶后期散热困难，长晶时间大幅度加长，能耗增加。同时，多晶硅铸锭由于生长方式的问题，石英陶瓷坩埚的底部先开始散热，整个平面散热强度基本一致，坩埚底部产生许多个成核点，产生的晶粒较小，晶界和位错缺陷密度较高，因此与单晶相比，所做太阳能电池效率会低1％～2％。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种低缺陷高产出多晶硅铸锭方法及其热场结构，在目前450kg多晶铸锭炉型基础上(即仍然开方25出个156mm×156mm的小块)，装料量得到提升同时又能耗降低，生长界面可控，且生长出晶体生长成核点较少，晶粒较大，晶界和位错缺陷密度小的晶锭，切片用于生产太阳能电池，电池效率可得明显提升。

本发明所采用的技术方案为：一种低缺陷高产出多晶硅铸锭方法：将550-750kg的硅料放入480-650mm高的坩埚中，闭合整个热场空间，顶部和侧面的3个电阻加热器同时加热，其中侧面加热器分为上下两个部分，温度升高到1500℃左右使硅料在十多个小时内升温融化，化料时保持压力在0.1-0.6atm，使硅料中的杂质能充分的挥发，同时通入氩气或氦气等惰性保护性气体，便于携带杂质，化料结束后，提升侧壁的保温罩0-60mm，侧下加热器加热功率比例降低到0-50％，打开支撑块下的冷却装置，带独特设计的支撑块和冷却装置联合实现局部冷却，使得坩埚底部在长晶初期形成局部的成核点，即在坩埚底部形成局部横向的温度梯度，晶核往横向生长，形成较大的晶粒，该段时间控制在1-2h，完成长晶初期的晶粒扩大过程。

然后关闭支撑块下的冷却装置，同时再通过保温罩的提升和3个加热器功率比例的调整，增强底部散热，而上部硅液所需要的高温环境由顶加热器和侧上加热器来维持，控制长晶界面平坦上移，晶体逐渐向上生长，这样就形成先横向后纵向的生长机制。

在长晶的后期，由于硅块凝固存在厚度，硅块本身的热阻作用会使得上部硅液散热变慢，即长晶温度梯度降低，为了缩短长晶时间节约能耗，可配合工艺要求再次打开支撑块下的冷却装置，增强底部散热。整个长晶过程在20-35h内完成。

长晶结束后关闭冷却装置，同时再次闭合整个保温罩，在1350℃的高温下保温1-6h，消除热应力，整个长晶和保温过程炉内压力维持在0.1-0.6atm。

保温完成后再逐渐打开保温罩，使硅锭缓慢冷却，此时可逐渐增大压力倒接近1atm，即完成整个铸锭过程。

同时，本发明还提供了实现该方法的一种低缺陷高产出多晶硅铸锭热场结构，包括保温罩系统，坩埚系统，分体式电阻加热器，支撑部分，冷却装置。

保温罩系统包括带吊杆的保温罩侧壁和上、下保温板，侧壁可上下移动，上、下保温板位置固定，保温罩由导热系数较低的保温毡做成，如石墨毡，吊杆和支撑骨架材料由耐高温金属做成。

坩埚系统包括石英坩埚，石墨坩埚，石墨坩埚盖板，盖板上设有保护气体导入管，保护气体为惰性气体。

支撑部分包括石墨支撑块和3根石墨支撑杆。支撑块带孔洞设计，作为局部冷却点使用，冷却点个数可为4-500个。

冷却装置上设有冷却气体导入管，与支撑块联合实现局部冷却。