鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置的製作方法

2023-06-15 12:36:26

專利名稱：鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及晶體生長技術領域，進一步涉及矽錠熱場裝置及材料，具體是鑄造法生產類似單晶矽錠熱場裝置及材料。
背景技術：
生產矽錠的方法有CZ法生產單晶矽錠，鑄錠法生產多晶矽錠，FZ法生產單晶矽錠、EFG生產矽帶等方法。由於成本問題，目前太陽能電池片主要使用CZ法單晶矽片和鑄造法多晶矽片。CZ法單晶矽由於製造成本是鑄錠多晶矽的4 5倍，能耗上高出5 7倍，導致CZ單晶矽的市場份額越來越少。但由於鑄錠法生產多晶矽錠，存在大量的位錯、晶界，使得鑄錠法多晶矽片製成的電池片，存在效率偏低的情況，一直使鑄錠法多晶矽錠無法完全取代CZ單晶矽錠。 在國際上，跨國巨頭BP公司的對用鑄錠爐生產類似單晶(準單晶)矽錠的工藝已開發多年，2010年被ALD收購，使得ALD多晶鑄錠爐已經小規模開發出鑄錠法生產類似單晶矽錠的設備和工藝。目前，尚未見到針對利用在GT或四面及頂面加熱器的鑄錠爐生長類似單晶(準單晶)，鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置的內容的公開報導或專利申請。由於鑄錠爐生長晶體需要從底部開始生長，類似單晶的生長也只能從底部開始，這就要求在矽料熔化時，底部的晶種不能熔化或漂起。由於GT鑄錠爐或四面加頂部加熱器的鑄錠爐化料和生長溫度曲線並不平整，如果沒有好的化料及生長等溫曲線，晶種在熔化過程中會出現邊緣熔化而中心無法正常熔接的情況，必須需要30mm (毫米，下同)高度以上的晶種才能保持化料後，爐底依然有晶種存在。這樣勢必增加晶種成本，導致類似單晶成本偏高，無法批量化生產。或者導致無法生產類似單晶。GT或四面及頂面加熱器的鑄錠爐一般現有技術即改進前的結構如圖I所示，導熱塊I置於石墨坩堝底護板2下部，石墨坩堝底護板2上放置有陶瓷坩堝5 ;陶瓷坩堝5的側部設置有石墨坩堝側護板3 ;在陶瓷坩堝5 (坩堝一般高度為400毫米至600毫米，必要時可加高)的四周上方設置有側面加熱器4，在陶瓷坩堝5的上方設置有頂部加熱器6 ;側面加熱器4和頂部加熱器6的四周設置有隔熱籠7。未改進前形成的模擬等溫曲線8如圖I所示，由圖I可看出，其化料及生長等溫曲線不夠平整。表明如果不對熱場溫度梯度進行改進，將無法用GT或四面及頂面加熱器的鑄錠爐生產類似單晶(準單晶)。這就是到目前為止，沒有使用GT或四面及頂面加熱器的鑄錠爐的廠家宣布能產準單晶的原因。

發明內容
本發明的目的就是提供一種鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置，在GT爐或四面及頂部加熱器的鑄錠爐中採用該裝置，可顯著改善化料及生長等溫曲線；進而可解決類似單晶晶種熔化問題，解決類似單晶生產的高成本問題。本發明通過改變GT爐或四面加熱器加頂部加熱器的熱場裝置及材料，從而改變熱場內部溫度曲線，實現該目的。本發明的目的是通過以下方案實現的
鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置，其特徵在於在GT鑄錠爐或四面及頂部加熱器的鑄錠爐內，在坩堝護板或坩堝外，設置有4面的保溫層。用於對護板或坩堝進行保溫。本發明的 目的可通過以下方案進一步實現
所述保溫層設置於下述位置之一或之二或之三或之四固定在坩堝護板上，或固定在坩堝與護板之間，或固定在隔熱籠上，或固定在加熱器上，或固定在導熱塊上。所述的保溫層可分為豎向保溫層和水平保溫層，其中豎向保溫層的高度確保向上不超過坩堝護板及坩堝的上沿；向下不超過導熱塊下沿或不超過導熱塊的下沿100_。所述保溫層設置為下列情形a、b、C、d之一或組合
a所述保溫層設置於坩堝護板外側面上，從距坩堝底部向上I 650mm的位置為起始位置開始設置保溫層；進一步是從距坩堝底部向上5 600mm的位置為起始位置開始設置保溫層；再進一步是從距坩堝底部向上10 550mm的位置為起始位置開始設置保溫層；從距i甘禍底部向上設置保溫層的具體起始位置可選擇以下之一 1mm, 5mm, 10mm, 50mm,90mm，130mm，170mm, 210mm, 250mm, 290mm, 330mm, 370mm, 410mm, 450mm, 490mm, 530mm，550mm，570mm，600mm，650mm。保溫層豎向設置。b所述保溫層設置於坩堝護板外側面及導熱塊外側面上，從距坩堝底部向下I 200mm的位置為起始位置開始設置保溫層；進一步是從距坩堝底部向下5 170mm的位置為起始位置開始設置保溫層；再進一步是從距坩堝底部向下10 150mm的位置為起始位置開始設置保溫層；從距坩堝底部向下設置保溫層的具體起始位置可選擇以下之一 1mm，5mm，10mm，30mm，50mm，80mm，100mm，130mm，170mm，200mm。保溫層豎向設置。c所述保溫層設置於坩堝護板內側、坩堝外側，從距坩堝底部向上I 650mm的位置為起始位置開始設置保溫層；進一步是從距坩堝底部向上5 600mm的位置為起始位置開始設置保溫層；再進一步是從距坩堝底部向上10 550mm的位置為起始位置開始設置保溫層；從距坩堝底部向上設置保溫層的具體起始位置可選擇以下之一lmm，5mm，10mm，50mm，90mm，130mm，170mm，210mm，250mm，290mm，330mm，370mm，410mm，450mm，490mm，530mm，550mm，570mm，600mm，650mm。保溫層豎向設置。d所述保溫層設置於隔熱籠或加熱器或導熱塊上，從距坩堝底部±1 400mm的位置設置保溫層；進一步是從距坩堝底部±10 350mm的位置設置保溫層；再進一步是從距土甘禍底部±20 300mm的位置設置保溫層；具體位置可選擇以下之一 1mm，5mm，10mm，20mm，50mm，100mm, 150mm，200mm，250mm，300mm，350mm，400mm。保溫層水平設置，保溫層的寬度為50 500_ ;進一步是100 450_ ;再進一步是150 400_。具體保溫層的寬度可選擇以下之一 50謹，100謹，150謹，200謹，250謹，300謹，350mm, 400mm, 450mm, 500mmo所述保溫層的高度為I 650mm ;進一步是20 600mm ;再進一步是50 550mm。具體保溫層的高度可選擇以下之一 1謹，10謹，20謹，50謹，90謹，130mm，170mm，210mm，250mm，290mm，330mm，370mm，410mm，450mm，490mm，530mm，550mm，570mm，600mm，650mmo
所述的保溫層厚度為0. 01 IOOmm ;進一步是0. I 60mm ;再進一步是I 40mm。具體保溫層的厚度可選擇以下之一 0. 01臟,0. I臟,3. (tom, 6. (tom, 9. (tom, 12臟，15mm,18mm,21mm,24mm,27mm,30mm,33mm,36mm,39mm,42mm,45mm,48mm,51mm,55mm,60mm,65mm, 70mm, 75mm, 80mm, 85mm, 90mm, 95mm, 10Omnin所述保溫層採用由內向外、由上至下或由上下至中部的2 5級上薄下厚或上下薄中部厚或上薄中下部厚的階梯設置，相鄰階梯的保溫層所採用的材料相同或不同。所述的保溫層的材料採用非金屬保溫材料或金屬保溫材料。所述保溫層的材料採用非金屬保溫材料，非金屬保溫材料包括下述材料之一或組合石墨氈、陶瓷、石英、各種固化氈、纖維氈、碳氈、採用碳纖維或陶瓷纖維為主要原料製作的保溫氈或保溫塊、氧化鋁纖維氈、採用各種結構氧化鋁纖維為主要原料的保溫氈或保溫塊、採用各種結構氧化鋯纖維為主要原料的保溫氈或保溫塊。所述保溫層的材料採用金屬保溫材料，金屬保溫材料包括下述材料之一或組合鎢、鑰及與熔點在1600攝氏度以上的高溫合金。所述非金屬保溫材料的導熱係數在0. 001 5W/m. K (瓦特/米 開爾文)之間；進一步非金屬保溫材料的導熱係數在0. 05 3W/m. K之間；再進一步非金屬保溫材料的導熱係數在0. I lW/m. K之間。本發明的有益效果在於在GT爐或四面及頂部加熱器的鑄錠爐中採用該裝置，可顯著改善化料及生長等溫曲線；進而可使晶種固化在爐底，不熔化或漂浮，同時可以進一步降低晶種高度，通過本方法，可將晶種控制在20_以下。晶種高度的下降，可有效地降低生產成本。


圖I為現有技術示意圖；圖2 5為本發明示意圖。圖中1、導熱塊，2、坩堝底護板，3、坩堝側護板，4、側面加熱器，5、坩堝，6、頂部加
熱器，7、隔熱籠，8、模擬的等溫曲線，9、保溫層。
具體實施例方式為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，並使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合實施例對本發明作進一步詳細的說明。實施例I :
如圖2所示，導熱塊I置於坩堝底護板2 (底護板一般為石墨材料製作)下部，坩堝底護板2上放置有坩堝5 (—般為陶瓷坩堝)；坩堝5的四個側部設置有坩堝側護板3 (側護板一般為石墨材料製作)；在相'禍5 (樹禍5 —般高度為400mm至600mm,必要時可加高)的四周上方設置有側面加熱器4，在坩堝5的上方設置有頂部加熱器6 ;側面加熱器4和頂部加熱器6的四周設置有隔熱籠7，其中下面的隔熱籠7為固定，上面與四周的隔熱籠7為一 體，可提升。四周環繞的保溫層9 (為圖示清晰起見，僅畫出一側保溫層9)設置於坩堝5的坩堝側護板3與導熱塊I外部，緊貼於坩堝側護板3與導熱塊I上；改進後形成的模擬等溫曲線8如圖2所示，由圖中可以看出，其等溫曲線明顯平整，表明改進後的熱場已經具備生產類似單晶的基本條件。其中，保溫層9分豎向與水平向兩處，豎向保溫層分為三層，最內層材料為石墨氈，石墨氈的厚度為10mm，石墨氈上端與坩堝側護板3上沿齊，下端與導熱塊I下端齊；整體的高度為IOOOmm (或IOOOmm左右)(本高度可稱為保溫層的高度，即多層保溫層其中最大一單層的高度，可稱為多層保溫層的高度)。中間層材料為石英，石英的厚度為5mm，石英上端距坩堝側護板3上沿150mm (或150mm左右),下端與導熱塊I下端齊；整體的高度為850mm (或850mm左右)。
最外層材料為氧化鋁纖維氈，氧化鋁纖維氈的厚度為20mm，氧化鋁纖維氈上端距土甘禍側護板3上沿450mm (或450mm左右)，下端與導熱塊I下端齊；整體的高度為550mm(或550mm左右)。3層豎向保溫層9形成了由內向外、由上至下的上薄下厚的階梯設置。在導熱塊下邊緣部分設置水平向保溫層9，材料選擇氧化鋁纖維氈，寬度為300_(或300mm左右)，外端與豎向保溫層的外沿齊，保溫層厚度為20mm。實施例2
如圖3所示，導熱塊I置於坩堝底護板2 (底護板一般為石墨材料製作)下部，坩堝底護板2上放置有坩堝5 (—般為陶瓷坩堝)；坩堝5的四個側部設置有坩堝側護板3 (側護板一般為石墨材料製作)；在相'禍5 (樹禍5 —般高度為400mm至600mm,必要時可加高)的四周上方設置有側面加熱器4，在坩堝5的上方設置有頂部加熱器6 ;側面加熱器4和頂部加熱器6的四周設置有隔熱籠7，其中下面的隔熱籠7為固定，上面與四周的隔熱籠7為一體，可提升。四周環繞的保溫層9 (為圖示清晰起見，僅畫出一側保溫層9)設置於坩堝5的坩堝側護板3外部，不貼於坩堝側護板3，緊貼於隔熱籠7 ;改進後形成的模擬等溫曲線8如圖3所示，由圖中可以看出，其曲線明顯平整，表明改進後的熱場已經具備生產類似單晶的基本條件。其中，保溫層9為水平向一處，材料為碳纖維為主要原料製作的保溫塊，外邊緣固定於隔熱籠7上，位置處於糹甘禍5底部向上250mm (或250mm左右)的位置,保溫塊的寬度為300mm (或300mm左右)，厚度為100_ (或IOOmm左右)。實施例3
如圖4所示，導熱塊I置於坩堝底護板2 (底護板一般為石墨材料製作)下部，坩堝底護板2上放置有坩堝5 (—般為陶瓷坩堝)；坩堝5的四個側部設置有坩堝側護板3 (側護板一般為石墨材料製作)；在相'禍5 (樹禍5 —般高度為400mm至600mm,必要時可加高)的四周上方設置有側面加熱器4，在坩堝5的上方設置有頂部加熱器6 ;側面加熱器4和頂部加熱器6的四周設置有隔熱籠7，其中下面的隔熱籠7為固定，上面與四周的隔熱籠7為一體，可提升。四周環繞的保溫層9 (為圖示清晰起見，僅畫出一側保溫層9)設置於坩堝5的坩堝側護板3外部，緊貼於坩堝側護板3上；改進後形成的模擬等溫曲線8如圖4所示，由圖中可以看出，其曲線明顯平整，表明改進後的熱場已經具備生產類似單晶的基本條件。其中，保溫層9為豎向分為三層,最內層材料為碳租,碳租的厚度為5mm,端與;t甘禍偵技戶板3上沿齊，下端與導熱塊I下端齊；整體的高度約為IOOOmm (或IOOOmm左右)(本高度可稱為保溫層的高度，即多層保溫層其中最大一單層的高度，可稱為多層保溫層的高度)。中間層材料為碳租，碳租的厚度為IOmm,碳租上端距i甘禍側護板3上沿150mm,下端置於相■禍底護板2導熱塊I下端齊；整體的高度約為500mm (或500mm左右)。最外層材料為鶴高溫合金,鶴高溫合金的厚度為0. Imm,鶴高溫合金下端與相■禍底護板2下端齊；整體的高度約為250mm (或250mm左右)。3層豎向保溫層9形成了由內向外、由上至下的上薄下厚的階梯設置。
實施例4
如圖5所示，導熱塊I置於坩堝底護板2 (底護板一般為石墨材料製作)下部，坩堝底護板2上放置有坩堝5 (—般為陶瓷坩堝)；坩堝5的四個側部設置有坩堝側護板3 (側護板一般為石墨材料製作)；在相'禍5 (樹禍5 —般高度為400mm至600mm,必要時可加高)的四周上方設置有側面加熱器4，在坩堝5的上方設置有頂部加熱器6 ;側面加熱器4和頂部加熱器6的四周設置有隔熱籠7，其中下面的隔熱籠7為固定，上面與四周的隔熱籠7為一體，可提升。四周環繞的保溫層9 (為圖示清晰起見，僅畫出一側保溫層9)設置於坩堝側護板3內側、坩堝5外側。改進後形成的模擬等溫曲線8如圖5所示，由圖中可以看出，其曲線明顯平整，表明改進後的熱場已經具備生產類似單晶的基本條件。其中，材料選擇碳纖維為主要原料的保溫氈，高度與坩堝5同高，保溫層厚度為20mmo以上所述，僅為本發明的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置，其特徵在於在GT鑄錠爐或四面及頂部加熱器的鑄錠爐內，在坩堝護板或坩堝外，設置有4面的保溫層。
2.根據權利要求I所述的鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置，其特徵在於所述保溫層設置於下述位置之一或之二或之三或之四固定在坩堝護板上，或固定在坩堝與護板之間，或固定在隔熱籠上，或固定在加熱器上，或固定在導熱塊上。
3.根據權利要求2所述的鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置，其特徵在於所述保溫層設置為下列情形之一或組合 a保溫層設置於坩堝護板外側面上，從距坩堝底部向上I 650mm的位置為起始位置開始設置保溫層；保溫層豎向設置，保溫層的高度為I 650mm ;保溫層的厚度為0. 01 IOOmm ； b所述保溫層設置於坩堝護板外側面及導熱塊外側面上，從距坩堝底部向下I 200mm的位置為起始位置開始設置保溫層；保溫層豎向設置，保溫層的高度為I 650_ ;保溫層的厚度為0. 01 IOOmm ； c所述保溫層設置於坩堝護板內側、坩堝外側，從距坩堝底部向上I 650mm的位置為起始位置開始設置保溫層；保溫層豎向設置，保溫層的高度為I 650_ ;保溫層的厚度為0.01 IOOmm ; d所述保溫層設置於隔熱籠或加熱器上，從距坩堝底部向上±1 400mm的位置為起始位置開始設置保溫層；保溫層水平設置，保溫層的寬度為I 650mm;保溫層的厚度為0.01 IOOmm0
4.根據權利要求I或2或3所述的鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置，其特徵在於所述保溫層採用由內向外、由上至下或由上下至中部的2 5級上薄下厚或上下薄中部厚或上薄中下部厚的階梯設置，相鄰階梯的保溫層所採用的材料相同或不同。
5.根據權利要求I或2或3所述的鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置，其特徵在於所述保溫層的材料採用非金屬保溫材料，非金屬保溫材料包括下述材料之一或組合石墨氈、陶瓷、石英、各種固化氈、纖維氈、碳氈、採用碳纖維或陶瓷纖維為主要原料製作的保溫氈或保溫塊、氧化鋁纖維氈、採用各種結構氧化鋁纖維為主要原料的保溫氈或保溫塊、採用各種結構氧化鋯纖維為主要原料的保溫氈或保溫塊。
6.根據權利要求4所述的鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置，其特徵在於所述保溫層的材料採用非金屬保溫材料，非金屬保溫材料包括下述材料之一或組合石墨氈、陶瓷、石英、各種固化氈、纖維氈、碳氈、採用碳纖維或陶瓷纖維為主要原料製作的保溫氈或保溫塊、氧化鋁纖維氈、採用各種結構氧化鋁纖維為主要原料的保溫氈或保溫塊、採用各種結構氧化鋯纖維為主要原料的保溫氈或保溫塊。
7.根據權利要求I或2或3所述的鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置，其特徵在於所述保溫層的材料採用金屬保溫材料，金屬保溫材料包括下述材料之一或組合鎢、鑰及熔點在1600攝氏度以上的高溫合金。
8.根據權利要求4所述的鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置，其特徵在於所述保溫層的材料採用金屬保溫材料，金屬保溫材料包括下述材料之一或組合鎢、鑰及熔點在1600攝氏度以上的高溫合金。
9.根據權利要求5所述的鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置，其特徵在於所述非金屬保溫材料的導熱係數在0. 001 5W/m. K之間。
10.根據權利要求6所述的鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置，其特徵在於所述非金屬保溫材料的導熱係數在0. 001 5W/m. K之間。
全文摘要
本發明公開了一種鑄造法生產類似單晶矽錠熱場梯度改進裝置，涉及矽錠熱場裝置及材料，在GT鑄錠爐或四面及頂部加熱器的鑄錠爐內，在坩堝護板或坩堝外，設置有4面的保溫層。進一步所述保溫層設置於下述位置之一或之二或之三或之四固定在坩堝護板上，或固定在坩堝與護板之間，或固定在隔熱籠上，或固定在加熱器上，或固定在導熱塊上。保溫層的設置高度為1～650mm。保溫層厚度為0.01～100mm。本發明的有益效果在於在GT爐或四面及頂部加熱器的鑄錠爐中採用該裝置，可顯著改善化料及生長等溫曲線；進而可使晶種固化在爐底，不熔化或漂浮，同時可進一步降低晶種高度，通過本方法，可將晶種控制在20mm以下。晶種高度的下降，可有效地降低生產成本。
文檔編號C30B11/00GK102644104SQ201110160808
公開日2012年8月22日 申請日期2011年6月15日 優先權日2011年6月15日
發明者熊濤濤, 石堅 申請人:安陽市鳳凰光伏科技有限公司, 石堅