[實用新型]一種電子束熔煉多晶硅除氧與鑄錠耦合的設備

有效

• 申請號: 201320745551.1
• 申請日: 2013-11-22
• 公開（公告）號: CN203559158U
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 王登科;安廣野;姜大川;郭校亮;譚毅
• 申請（專利權）人: 青島隆盛晶硅科技有限公司
• 主分類號: C30B28/06
• 分類號: C30B28/06;C30B29/06;C01B33/037
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技術領域

本發明屬于冶金熔煉領域，特別涉及一種電子束熔煉多晶硅除雜與鑄錠耦合的方法，另外還涉及其設備。

背景技術

目前，我國已成為世界能源生產和消費大國，但人均能源消費水平還很低。隨著經濟和社會的不斷發展，我國能源需求將持續增長，針對目前的能源緊張狀況，世界各國都在進行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促進可再生能源的開發和應用，減少對進口石油的依賴，加強能源安全。

作為可再生能源的重要發展方向之一的太陽能光伏發電近年來發展迅猛，其所占比重越來越大。根據《可再生能源中長期發展規劃》，到2020年，中國力爭使太陽能發電裝機容量達到1.8GW（百萬千瓦），到2050年將達到600GW。預計到2050年，中國可再生能源的電力裝機將占全國電力裝機的25%，其中光伏發電裝機將占到5%。預計2030年之前，中國太陽能裝機容量的復合增長率將高達25%以上。

太陽能光伏產業的發展依賴于對多晶硅原料的提純。多晶硅原料的提純工藝目前主要依賴以下幾種工藝：西門子法、硅烷法、氣體流化床法和冶金法。冶金法制備太陽能級多晶硅技術作為發展低成本、環境友好的太陽能級多晶硅制備技術的必經之路，目前已經取得了長足發展，并實現了工業化生產。冶金法提純多晶硅是指采用物理冶金手段，在硅不參與發生化學反應的情況下，依次去除硅中的各種雜質元素(磷、硼及金屬)的方法，它不是單一的制備方法，而是一種集成法，主要利用飽和蒸汽壓原理、偏析原理及氧化性差異原理，分別采用不同的工藝方法，來去除硅中的雜質元素，從而得到滿足太陽能多晶硅純度要求的硅料。

在冶金法工藝中，硅料的磷、硼、金屬等雜質均可通過有效的工藝手段去除，達到了較理想的效果。但是，近年來，在對多晶硅太陽能電池片光電轉化效率的研究中發現，氧元素的含量對電池片的光電轉化效率產生重要影響，一般氧處于間隙位置時，通常不顯電活性，然而鑄造多晶硅中氧濃度通常在3×10¹⁷～1.4×10¹⁸cm^-3之間，高濃度的間隙氧在隨后的器件制造工藝過程中，經歷各種溫度的熱處理，會在硅晶體中偏聚和沉淀，形成氧關施主、氧沉淀等缺陷。同時，在硅晶體材料生長、冷卻的過程中由于氧的溶解度隨溫度降低而迅速下降，過飽和的氧將在鑄造多晶硅中形成原生氧沉淀，也可能與其它雜質形成各種各樣的復合體，如N-O、C-O復合體。這些氧沉淀及其復合體不僅會降低磷外吸雜的效果，甚至直接成為電池的短路通道。

這些氧缺陷對硅材料和器件具有有利和不利兩方面的影響，它可以結合器件工藝形成內吸雜，吸除金屬雜質，還可以釘扎位錯，提高硅片的機械強度，但當氧沉淀過量時又會誘生其它的晶體缺陷，引入大量的二次缺陷，還會吸引鐵等金屬元素，形成鐵氧沉淀復合體，具有很強的少子復合能力，能夠顯著降低材料的太陽能電池轉換效率。

在冶金法的定向凝固、鑄錠等工藝中，坩堝中的氧元素或通入氣體中的氧元素不可避免地會進入到硅料中，是氧雜質產生的主要原因。傳統的測試硅中氧含量的普遍方法為紅外光譜，用紅外光譜分別對高純硅料與混料（鑄鑄后的邊角料與高純料混合）進行檢測，兩種料中氧的含量相差不大，這也導致了冶金法工藝中引入的氧雜質未受到重視。

實際上，在硅中，氧元素有兩種狀態：替代位，即氧代替了硅的位置；間隙位，即氧在硅原子的間隙中。傳統的測試硅中氧含量的紅外光譜只能檢測間隙位的氧含量，不能真實反映兩種硅料中的氧含量水平。經申請人的實驗測試，替代位的氧會釋放電子，與硅中雜質磷產生的作用相似，能夠影響多晶硅電池片光電轉化效率。申請人通過二次離子質譜儀多次檢測，在上述兩種硅料中，氧元素含量相差很大，主要是替代位的氧元素含量的差別。因此，對于鑄錠等工藝中引入的雜質氧不能忽視，必需尋求有效的手段降低硅中雜質氧的含量。

但是，現有技術中，對氧元素的去除效果不佳。對于氧雜質的去除方法，檢索到發明專利CN200810070925一種降低金屬硅中氧、碳含量的方法，該發明采用在硅液中吹入氧氣、氫氣和水蒸氣，使氫氣和氧氣在硅液中反應產生局部高溫，使硅液中的氧、碳元素隨氣體排放而去除，但是該方法需要在硅熔融狀態下通入氧氣和氫氣，操作難度大，危險性高，氧的去除效果不佳。

同時，有效降低多晶硅鑄錠原料中氧含量之后，即可通過定向長晶工藝獲得多晶硅鑄錠，但是之前的鑄錠方法都是直接加熱鑄錠原料，不能實現鑄錠耦合，用時長、能耗大。

發明內容