[實用新型]一種定向凝固法準單晶硅生長爐

有效

• 申請號: 201320753560.5
• 申請日: 2013-11-26
• 公開（公告）號: CN203613300U
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 蘇文佳;左然
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C30B11/00
• 分類號: C30B11/00;C30B29/06
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本實用新型涉及一種用于制造太陽能級準單晶硅鑄錠的準單晶硅生長爐尤其涉及一種定向凝固法準單晶硅生長爐。?

背景技術

光伏電池可以將太陽能轉化為電能，而它的最重要特征之一是其轉化效率。雖然很多半導體材料可以用于生產光伏電池，但硅材料由于其適中的成本、合適的電學、物理學和化學性質，廣泛應用于光伏電池的制造。由于鑄造多晶硅的制備工藝相對簡單，成本遠低于單晶硅，目前已經成為太陽光伏電池的主流產品。但相對于直拉單晶硅而言，鑄造多晶硅有較高的雜質、缺陷和晶界，使得多晶硅電池的轉換效率比單晶硅低1-2％?(絕對效率)，可見硅錠質量對電池效率有著直接影響，這也限制了鑄造多晶硅的進一步發展。?

目前太陽光伏行業廣泛使用的多晶硅鑄錠技術是定向凝固法（DSS）。該方法是坩堝上方和側面裝有加熱器，坩堝底部是安裝散熱部件，硅料在平底石英坩堝中融化后打開側壁隔熱籠進行原位定向凝固。熔融硅首先在石英坩堝底部異質形核，形成很多具有不同晶向的單晶硅晶粒，通過控制軸向和徑向溫度梯度，盡量控制固液界面水平并略凸，利用不同晶向晶粒的生長速率差異，擇優生長出大晶粒鑄錠多晶硅。因為初始成核是發生在石英坩堝底部的無籽晶隨機過程，因此晶粒大小和晶向均無法人為控制，多晶硅柱狀晶粒的大小和分布完全決定于初始形核。這使得“類單晶”或“準單晶”生長技術應運而生。?

利用現有多晶硅鑄錠爐生長準單晶或大晶粒硅錠已有很多種嘗試，大多是通過在石英坩堝底部鋪上多塊單晶籽晶來生長“類單晶”或“準單晶”，而籽晶通常是將6寸或8寸的單晶硅棒橫向或縱向截斷形成的厚為2-5?cm的硅塊。眾多科研機構和廠家已經在類單晶鑄造方面進行了深入研究，并申請了相關專利，如BP?Solar，浙江大學硅材料實驗室，晶澳，煜輝，LDK?等。各個廠家對此技術的稱謂不同，有“準單晶”、“類單晶”、“近單晶”等。此技術在光伏行業前景光明，已進入批量中試階段。?

中國專利（專利號201110300537.6）公開了一種單晶鑄錠用大面積籽晶的制備方法和設備，該實用新型雖然解決了鑄造單晶所必需的大面積籽晶的難題，但該方法需要利用切割的單晶硅塊作為籽晶，并利用水平定向凝固法生長出大面積單晶硅平板，增加了生產成本的同時，也受制于水平定向凝固技術。中國專利（專利號201210058375.4）公開了一種用多晶鑄錠爐生產類單晶硅錠的方法，該實用新型利用單晶硅切方錠過程中切除的邊角料作為籽晶，鋪設于石英坩堝底部，利用定向凝固爐生長準單晶鑄錠。此設計雖然實現了準單晶硅生長，但坩堝底部散熱無法實現主動控制，影響功耗的同時，準單晶質量也無法保證。美國專利（專利號US2013/0213297A1）公開了一種利用籽晶生長鑄錠硅的爐體和生長方法，該實用新型在石英坩堝底部中心區鋪設籽晶，并在底部散熱塊中心區域留有凹槽，以加強該區域散熱，達到保護籽晶不被熔融、并使籽晶處優先生長的目的。但底部散熱塊的設計是被動散熱，很難主動控制該區域散熱，容易造成籽晶全部熔化，后期生長過程也難于控制。中國專利（專利號201210583938.1）公開了一種制備準單晶硅的鑄錠爐及制備準單晶硅的方法，該實用新型雖然通過使用特殊的熱交換裝置，用氣體換熱的方式替代傳統的隔熱籠換熱方式，控制籽晶溫度，但熱交換裝置的流道設計無法實現氣體的均勻分配，容易造成坩堝底部散熱不均，固液界面形狀過凸等問題。中國專利（專利號201120040603.6）和中國專利（專利號201120379783.0）公開了一種用于多晶鑄錠爐的氣體冷卻裝置，該實用新型通過在熱場底部增加一個主動散熱的氣體冷卻裝置，并通過調節通入裝置內的氣體流量控制主動散熱幅度，但氣體流道設計同樣無法實現坩堝底部的均勻冷卻，氣體進口處冷卻量過大，而遠離進口處又得不到有效冷卻，造成固液界面形狀不規則，不利于準單晶硅的生長。美國專利（專利號US2013/0193559A1）公開了一種定向凝固法生長鑄錠硅的設備和方法，該實用新型將多塊方形單晶硅籽晶鋪設于石英坩堝底部，從而利用定向凝固法生長準單晶，但該方法容易造成籽晶在熔料過程中熔融，并且浪費大量單晶硅籽晶，大大增加了生產成本。中國專利（專利號201110083260.6）公開了一種單晶硅鑄錠的生產方法，該方法利用底部為圓錐形的石英坩堝，將籽晶按照相同晶向放置于坩堝底部的籽晶槽中，采用坩堝下降法促使硅熔體由底部向上定向凝固，由未熔化的籽晶誘導準單晶的生長，最終形成單晶硅鑄錠。該方法僅適用于小型鑄錠硅的生長，對于大型鑄錠硅，該方法很難控制籽晶不被熔融，并且軸向和徑向的溫度梯度也難于控制。中國專利（專利號201120254245.9）公開了一種坩堝，該實用新型在傳統定向凝固法石英坩堝底部中心處開有倒圓錐形的槽口，以提高該位置的熱導率，使該位置形成適宜的過冷度而生成硅孿晶結構，并且以此孿晶結構作為籽晶來實現整個硅熔體的定向凝固，得到高質量的多晶硅錠。但該方法只有石英坩堝中間一小塊區域，即使實現了增加該區域過冷度的目的，對于大尺寸鑄錠來說，也很難擴展到整個坩堝底部。?