一种多晶铸锭炉及用其生产类单晶硅锭的方法

摘要

本发明提供了一种用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，包括：向坩埚的内表面喷涂涂料，烧结涂料并冷却至室温；将单晶硅料和多晶硅料依次放入坩埚，将坩埚置于石墨支撑箱内；将石墨支撑箱置于已去除底部边缘碳条的多晶铸锭炉内；将多晶铸锭炉抽真空，开始加热并监测温度，当加热到设定的温度时向充入氩气；当多晶硅料开始熔化时，向多晶铸锭炉的顶端移动多晶铸锭炉内的隔热笼；当多晶硅料全部熔化时，降低加热温度并控制硅料匀速凝固长晶，生成类单晶铸锭。上述方法利用现有的多晶铸锭炉实现了类单晶硅锭生产，降低了类单晶硅锭的铸造成本，促进了类单晶硅锭的大规模生产。本发明还提供了一种生产类单晶硅锭的多晶铸锭炉。

权利要求

1.一种用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，其特征在于，包括：

1)向坩埚的内表面喷涂由氮化硅和纯水搅拌而成的涂料，烧结所述涂料并冷却至室温；

2)将单晶硅料和多晶硅料依次放入所述坩埚，所述单晶硅料位于所述多晶硅料的底层，且所述单晶硅料在水平方向的晶向一致，然后将装满硅料的所述坩埚置于石墨支撑箱内；

3)将放有所述坩埚的所述石墨支撑箱(13)置于所述多晶铸锭炉(1)内，所述多晶铸锭炉(1)为已去除底部边缘碳条的多晶铸锭炉；

4)将所述多晶铸锭炉(1)抽真空，开始加热并监测所述多晶铸锭炉(1)内的温度，当加热到设定的温度时向所述多晶铸锭炉(1)内充入氩气；

5)当所述多晶硅料开始熔化时，向所述多晶铸锭炉(1)的顶端移动所述多晶铸锭炉(1)内的隔热笼(11)；

6)当所述多晶硅料全部熔化时，降低加热温度，进一步向所述多晶铸锭炉(1)的顶端移动所述隔热笼(11)，停止所述单晶硅料熔化，并控制熔化的硅料匀速凝固长晶，生成所述类单晶铸锭。

2.根据权利要求1所述的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，其特征在于，所述步骤1)中所述涂料厚度为1mm。

3.根据权利要求1所述的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，其特征在于，所述步骤1)中采用机器人喷涂所述涂料。

4.根据权利要求1所述的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，其特征在于，所述多晶铸锭炉(1)底部的隔热层(15)为一层。

5.根据权利要求1所述的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，其特征在于，所述步骤6)中所述硅料熔化结束时，未熔化单晶硅料的厚度在8-12mm之间。

6.根据权利要求5所述的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，其特征在于，所述步骤2)中所述单晶硅料为去除边缘的单晶边皮，所述单晶边皮的最薄部分的厚度不小于所述硅料熔化结束时未熔化的单晶硅料的厚度。

7.根据权利要求1所述的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，其特征在于，所述步骤6中控制所述硅料的长晶速度在10-15mm/h之间。

说明书

一种多晶铸锭炉及用其生产类单晶硅锭的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及类单晶硅锭生产技术领域，更具体地说，涉及一种多晶铸锭炉及用其生产类单晶硅锭的方法。

背景技术

[0002] 随着太阳能电池行业地快速发展，多晶硅锭生产工艺逐渐被广泛地应用。由多晶铸锭炉生产的多晶硅锭质量稳定，因此，多晶铸锭炉系统被广泛地应用于太阳能企业中的多晶硅锭铸造。

[0003] 从目前太阳能电池市场环境看，提高太阳能电池的转换效率是太阳能电池行业的主流方向。虽然单晶硅的转化效率远远大于多晶硅，但是单晶硅的成本较高，不易广泛应用。因此，为了提高太阳能电池的转化效率，太阳能企业不断对多晶硅锭炉系统和多晶硅锭的铸造方法做出改进，最终发现了类单晶，即为准单晶，是基于多晶铸锭工艺，在长晶时通过部分使用单晶籽晶，获得外观和电性能均类似单晶的多晶硅。由于类单晶的外观和性能均类似单晶，所以类单晶的转化效率远远大于现有的普通多晶硅。目前，基于类单晶的性能研发了一种类单晶硅锭的生产方法，通过多晶铸锭工艺获得类单晶硅锭。

[0004] 但是，类单晶硅锭的生产方法中需要精准的硅料的熔化温度和凝固温度，才能得到外观和电性能均类似单晶的多晶硅锭，该类单晶硅锭的生产方法需要设置有复杂的热场设备(加热装置和保温装置，例如加热器和保温隔热层)的铸锭炉才能实现，而类单晶硅锭的生产方法所需的热场设备和目前广泛使用的多晶铸锭设备不兼容，因此，现有类单晶硅锭的生产方法需要特设的铸锭炉才能实现，使得类单晶硅锭的铸造成本较高，大大地降低了类单晶本身所带来的经济效益，最终阻碍了类单晶硅锭的大规模生产。

[0005] 另外，现有类单晶硅锭的生产方法需要的籽晶(籽晶是拉单晶必不可少的种子，一方面，籽晶作为复制样本，可使拉制出与籽晶有相同的晶向的硅锭；另一方面，籽晶是作为晶核的，有较大的晶核的存在可以减少熔体向晶体转化时必须克服的势垒)为单晶块，籽晶品级较高，需选取单晶硅锭棒破方后一定厚度的单晶块，这样的单晶块成本较高，从而使得籽晶的成本较高，进一步增加了类单晶硅锭的铸造成本，降低了类单晶技术本身所带来的经济效益，阻碍了类单晶硅锭的大规模生产。

[0006] 综上所述，如何降低类单晶硅锭的铸造成本，进而促进类单晶硅锭的大规模生产，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

[0007] 有鉴于此，本发明提供了一种用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，降低了类单晶硅锭的铸造成本，进而促进了类单晶硅锭的大规模生产。

[0008] 为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0009] 一种用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，包括：

[0010] 1)向坩埚的内表面喷涂由氮化硅和纯水搅拌而成的涂料，烧结所述涂料并冷却至室温；

[0011] 2)将单晶硅料和多晶硅料依次放入所述坩埚，所述单晶硅料位于所述多晶硅料的底层，且所述单晶硅料在水平方向的晶向一致，然后将装满硅料的所述坩埚置于石墨支撑箱内；

[0012] 3)将放有所述坩埚的所述石墨支撑箱置于所述多晶铸锭炉内，所述多晶铸锭炉为已去除底部边缘碳条的多晶铸锭炉；

[0013] 4)将所述多晶铸锭炉抽真空，开始加热并监测所述多晶铸锭炉内的温度，当加热到设定的温度时向所述多晶铸锭炉内充入氩气；

[0014] 5)当所述多晶硅料开始熔化时，向所述多晶铸锭炉的顶端移动所述多晶铸锭炉内的隔热笼；

[0015] 6)当所述多晶硅料全部熔化时，降低加热温度，停止所述单晶硅料熔化，并控制熔化的硅料匀速凝固长晶，生成所述类单晶铸锭。

[0016] 优选的，上述多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中，所述步骤1)中所述涂料厚度为1mm。

[0017] 优选的，上述多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中，所述步骤1)中采用机器人喷涂所述涂料。

[0018] 优选的，上述多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中，所述多晶铸锭炉底部的隔热层为一层。

[0019] 优选的，上述多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中，所述步骤6)中还包括当多晶硅料全部熔化时，进一步向所述多晶铸锭炉的顶端移动所述隔热笼。

[0020] 优选的，上述多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中，所述步骤6)中所述硅料熔化结束时，未熔化单晶硅料的厚度在8-12mm之间。

[0021] 优选的，上述多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中，所述步骤2)中所述单晶硅料为去除边缘的单晶边皮，所述单晶边皮的最薄部分的厚度不小于所述硅料熔化结束时未熔化的单晶硅料的厚度。

[0022] 优选的，上述多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中，所述步骤6)中控制所述硅料的长晶速度在10-15mm/h之间。

[0023] 基于上述提供的多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，本发明还提供了一种生产类单晶硅锭的多晶铸锭炉，所述多晶铸锭炉底部的石墨块的底面与所述隔热笼的底面之间沿所述隔热笼的周向设置有间隙。

[0024] 优选的，上述生产类单晶硅锭的多晶铸锭炉中，所述多晶铸锭炉底部的隔热层仅为一层。

[0025] 上述用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，将放有坩埚的石墨支撑箱置于已去除底部边缘碳条的多晶铸锭炉内，该铸锭炉底部减少了保温部件(边缘碳条为保温部件)，可加速石墨块散热，即加速了底部单晶硅料的散热，为单晶硅料不全部熔化提供了前提；当多晶硅料开始熔化时，即单晶硅料未熔化时，向多晶铸锭炉的顶端移动多晶铸锭炉内的隔热笼，加快单晶硅料底部的散热，避免单晶硅料熔化；当多晶硅料熔化全部熔化时，降低加热温度，停止硅料熔化，并控制熔化的硅料匀速凝固长晶，最终生成类单晶铸锭。

[0026] 上述用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，利用现有的多晶铸锭炉实现了类单晶硅锭生产，与现有技术相比，无需复杂的热场设备，特殊的铸锭炉，降低了类单晶硅锭的铸造成本，进而促进了类单晶硅锭的大规模生产。

附图说明

[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0028] 图1为本发明实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法的流程示意图；

[0029] 图2为本发明实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中移动隔热笼之前多晶铸锭炉的结构示意图；

[0030] 图3为本发明实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中移动隔热笼之后多晶铸锭炉的结构示意图；

[0031] 图4为本发明实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中单晶边皮去除边缘之前的结构示意图；

[0032] 图5为本发明实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中单晶边皮去除边缘之后的结构示意图；

[0033] 图6为本发明实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中单晶边皮平铺在坩埚底部的结构示意图。

[0034] 上图1-6中：

[0035] 多晶铸锭炉1、隔热笼11、加热器12、石墨支撑箱(其内放有盛放硅料的坩埚)13、石墨块14、隔热层15。

具体实施方式

[0036] 为了引用和清楚起见，现在将本专利中涉及到的技术名词解释如下：

[0037] 石墨块：在多晶铸锭炉中将硅料底部的热量传给其他部件，对硅料进行散热。

[0038] 隔热笼：指由碳纤维构成的保温碳条拼接组成的笼形保温层。

[0039] 隔热层：指由碳纤维构成的保温碳条拼接组成的保温层。

[0040] 边缘碳条：在现有的多晶铸锭炉中，边缘碳条位于石墨块和隔热层之间，石墨块位于顶部，边缘碳条起保温作用。

[0041] 单晶边皮：由单晶硅棒切割成单晶片过程中产生的废料。

[0042] 本发明提供了一种用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，降低了类单晶硅锭的铸造成本，进而促进了类单晶硅锭的大规模生产。

[0043] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0044] 请参考附图1-6，图1为本发明实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法的流程示意图；图2为本发明实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中移动隔热笼之前多晶铸锭炉的结构示意图；图3为本发明实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中移动隔热笼之后多晶铸锭炉的结构示意图；图4为本发明实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中单晶边皮去除边缘之前的结构示意图；图5为本发明实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中单晶边皮去除边缘之后的结构示意图；图6为本发明实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中单晶边皮平铺在坩埚底部的结构示意图。

[0045] 本发明实施例提供的一种用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，包括：

[0046] 步骤S01：向坩埚喷涂料，烧结涂料并冷却至室温；

[0047] 为了避免硅料在熔化和凝固长晶的过程中对坩埚造成腐蚀，也为了避免影响类单晶硅锭的质量，需要向坩埚的内表面喷涂由氮化硅和纯水搅拌而成的涂料，烧结涂料并冷却至室温。由于硅料在高温环境中熔化，氮化硅在高温环境中会分解，使得硅料与坩埚直接接触，失去了涂料本身的作用，所以涂料的厚度要满足要求，即类单晶硅锭铸造完后，类单晶硅锭与坩埚之间还有一层完整的涂料，保证类单晶硅锭能够完好地取出。

[0048] 步骤S02：将单晶硅料和多晶硅料依次放入坩埚，再将坩埚置于石墨支撑箱内；

[0049] 先将单晶硅料放置在坩埚底部，单晶硅料在水平方向的晶向一致，为类单晶硅锭的铸造提供前提，然后将多晶硅料放置在坩埚内，直至装满，然后将装满硅料的坩埚置于石墨支撑箱内，因为坩埚在高温环境下会变软，为了避免坩埚变形，保证类单晶的铸造，石墨支撑箱支撑坩埚，使其保持原状。

[0050] 步骤S03：将石墨支撑箱13置于已去除底部边缘碳条的多晶铸锭炉1内；

[0051] 将放有坩埚的石墨支撑箱13置于多晶铸锭炉1内，该多晶铸锭炉1为已去除底部边缘碳条的多晶铸锭炉。将底部边缘碳条去除，该多晶铸锭炉1底部减少了保温部件(边缘碳条为保温部件)，使得石墨块14的底面与多晶铸锭炉的隔热笼11的底面沿隔热笼11的周向留有间隙，可加速石墨块14散热，即加速了底部硅料的散热，为单晶硅料不全部熔化提供了前提。

[0052] 步骤S04：将多晶铸锭炉1抽真空，开始加热并监测温度，当加热到设定的温度时充入氩气；

[0053] 为了避免硅料被氧化，需将多晶铸锭炉1抽成真空环境，然后通过多晶铸锭炉1内的加热器12开始加热，并监测多晶铸锭炉1内的温度，随着硅料的熔化，会产生部分气体，需要将这些气体排出，一般向多晶铸锭炉1内充入氩气来排出硅料产生的气体，通常在硅料加热到1150℃时充入氩气。

[0054] 步骤S05：当多晶硅料开始熔化时，向多晶铸锭炉1的顶端移动多晶铸锭炉1内的隔热笼11；

[0055] 未移动隔热笼11时，多晶铸锭炉1如图2所示，隔热笼11与多晶铸锭炉1底部的隔热层15之间无间隙，保温很好。随着加热温度的升高，多晶硅料开始熔化(硅料自顶端向底端熔化)，为了保证类单晶硅锭的生成，必须保证单晶晶料不能全部熔化，因此需要向多晶铸锭炉1的顶端移动多晶铸锭炉1内的隔热笼11，使得隔热笼11与底部的隔热层15之间留有间隙，如图3所示，加快单晶硅料底部的散热，从而避免单晶硅料全部熔化，一般加热温度达到1500℃时，使得隔热笼11与隔热层15之间的间隙为2cm，到1540℃隔热笼11与隔热层15之间的时间隙为4cm，保持硅料底部温度不高于1400℃(硅料熔点为1420摄氏度)，尽量避免单晶硅料熔化，保证单晶硅料不会全部熔化。

[0056] 步骤S06：多晶硅料全部熔化完时，降低加热温度并控制硅料匀速凝固长晶，生成类单晶铸锭；

[0057] 硅料熔化，一般指多晶硅料的熔化，只有少部分单晶硅料熔化，确切地说，单晶硅料不能全部熔化，因为需要长晶，形成类单晶硅锭，所以当多晶硅料全部熔化完时，降低加热温度，停止的单晶硅料熔化，并控制熔化的硅料匀速凝固长晶，以保证生成类单晶铸锭。

[0058] 上述用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，将放有坩埚的石墨支撑箱13置于已去除底部边缘碳条的多晶铸锭炉1内，该多晶铸锭炉1底部减少了保温部件(边缘碳条为保温部件)，使得石墨块14的底面与多晶铸锭炉的隔热笼11的底面之间沿隔热笼11的周向留有间隙，可加速石墨块14散热，即加速了底部硅料的散热，为单晶硅料不全部熔化提供了前提；当多晶硅料开始熔化时，即单晶硅料未时，向顶部移动多晶铸锭炉1内的隔热笼11，加快单晶硅料底部的散热，避免单晶硅料熔化；当多晶硅料全部熔化完时，降低加热温度，停止单晶硅料熔化，并控制熔化的硅料匀速凝固长晶，最终生成类单晶铸锭。

[0059] 由上述方法生产的类单晶硅锭切出的硅片，其单晶面积达100％，整个类单晶硅锭所切出的硅片有30％以上其单晶面积为100％，60％以上其单晶面积大于50％。

[0060] 上述实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，利用现有的多晶铸锭炉1实现了类单晶硅锭生产，与现有技术相比，无需复杂的热场设备，特殊的铸锭炉，降低了类单晶硅锭的铸造成本，进而促进了类单晶硅锭的大规模生产。

[0061] 上述实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中，优先采用机器人喷涂涂料，涂料厚度为1mm。

[0062] 为了进一步加快单晶硅料的散热，保证单晶硅料不会全部熔化，上述实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中，多晶铸锭炉1底部的隔热层15为一层，可在保温的基础上加快单晶硅料的散热。多晶硅料在熔化结束时，需要保证单晶硅料未全部熔化，优选未熔化单晶硅料的厚度在8-12mm之间，以保证硅料能够长晶，控制未熔化单晶硅料的厚度为10mm为最优。在硅料凝固长晶时，可进一步向多晶铸锭炉1的顶端移动隔热笼11，加大隔热笼11与隔热层15之间的间隙，保证硅料匀速长晶，优选的，控制硅料的长晶速度在10-15mm/h之间。

[0063] 为了进一步降低类单晶硅锭的铸造成本，上述实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法中，单晶硅料采用去除边缘的单晶边皮，单晶边皮的最薄部分的厚度不小于硅料熔化结束时未熔化的单晶硅料的厚度。单晶边皮为单晶硅棒切割成单晶片的过程中产生的废料，所以单晶边皮较单晶成品的成本较低，进而降低了类单晶硅锭的铸造成本，促进了类单晶硅锭的大规模生产。若单晶边皮的边缘不去掉，如图4所示，那么当多晶硅料全部熔化完时，单晶硅料也全部熔化，导致硅料无法长晶，类单晶硅锭不能铸造成功，所以需要将单晶边皮的边缘去掉，且保证单晶边皮的最薄部分的厚度不小于硅料熔化结束时未熔化的单晶硅料的厚度，如图5所示，进而保证多晶硅料全部熔化完时，单晶硅料未全部熔化，即坩埚底部还有一层单晶硅料。单晶边皮无缝隙、工整地铺满坩埚底部，如图6所示。

[0064] 基于上述实施例提供的用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，本发明还提供了一种生产类单晶硅锭的多晶铸锭炉，该多晶铸锭炉1底部的石墨块14的底面与隔热笼11的底面之间沿隔热笼11的周向设置有间隙，即减少了石墨块14底端的边缘碳条，减少了单晶硅料底部的保温部件，加快了单晶硅料的散热，便于控制硅料温度，为保证单晶硅料不全部熔化提供了前提。

[0065] 为了加快硅料的散热，上述实施例提供的生产类单晶硅锭的多晶铸锭炉中，该多晶铸锭炉1底部的隔热层14仅为一层，便于对单晶硅料温度的控制，进而保证了单晶硅料不会全部熔化。

[0066] 上述实施例提供的生产类单晶硅锭的多晶硅锭炉，其他部件和结构请参考现有技术，本文不再赘述。

[0067] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。