[实用新型]带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种可再加料的定向生长铸造多晶硅硅锭的设备，特别是一种带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，该带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉能铸造尺寸更高、重量更大的多晶硅硅锭。

背景技术

以晶体硅为基材的太阳能电池可分为单晶硅和多晶硅两种。单晶硅晶体通常采用直拉单晶法(Czchoralski，或简称CZ)拉制而成。而多晶硅晶体有多种方法，目前在工业生产中普遍采用的可以粗略地分为定向凝固法，浇铸法，电磁冷坩埚连续铸锭法等。其中的定向凝固法由于其所产硅锭重量大，单炉产出量高，耗能低而受到最广泛的应用。定向凝固法的基本工艺特征是配料好的硅原料装满一石英坩埚，在控制的环境下，硅原料被加热并熔化，随后，硅溶液在同一坩埚中由于单一方向的冷却(通常为坩埚底面)开始结晶凝固，晶体逐渐逆着冷却方向生长，直至全部硅液凝固成为硅锭。

在定向凝固铸锭中，坩埚中所装的硅料量由于硅料的形状，体积等原因达不到实体硅充满整个坩埚所应有的重量。实际所装量和最大可容量的比值被称为填充因子。随着硅料形状，体积的不同，这个填充因子在目前多晶硅生产中可达到30％到65％，在大部分情况下是58％左右。以目前使用较多的美国GT太阳能公司(GT Solar Technologies，Inc.)的DSS系列多晶硅定向铸锭炉为例，当其使用的坩埚内尺寸为69cm×69cm×42cm，将硅料堆起来装，一般可装270公斤左右。长出的铸锭尺寸69cm×69cm×24cm，填充因子是57％左右。

二次填料方法和装置在直拉单晶炉中已得到应用。这一方法和装置在一些特殊的多晶硅生长炉中也被提到。例如JP62260710是通过高真空中直接采用电子束枪熔化固体硅并铸造熔融硅。通过进料器可连续向坩埚内加固体硅料。但JP62260710涉及的是非定向凝固工艺的早期的铸造炉，其体积有限，只能生产数十公斤的铸锭。

而生产数十公斤的铸锭与生产数百公斤的铸锭在工艺上、设备上差异非常大，生产数百公斤并得到高度超过24-30厘米的铸锭在生产技术上遇到的困难远高于生产数十公斤并得到高度超过24-30厘米的铸锭。其生产技术至少相差10年以上。

Directional Solidification System是定向凝固系统的英文关键词，以美国GT太阳能公司DSS系列为代表的多晶硅定向凝固铸锭炉，一直以来并没有采用补充加料的附属装置。特别是内置69cm×69cm×42cm坩埚、69cm×69cm×48cm坩埚84cm×84cm×48cm坩埚等大容量的多晶硅定向凝固铸造炉一直以来并没有采用补充加料的附属装置。

在大容量的定向凝固多晶硅铸造炉领域中存在没有合适的配套技术、没有合适的定向凝固法工艺、多晶硅晶体生长时热量散发困难等多方面的限制，所以不需要采用补充加料的附属装置的偏见。

其原因如下：

目前GT公司的多晶硅定向凝固铸造炉当使用69cm×69cm×42cm坩埚时，可以得到多晶硅硅锭重250-300Kg，其外形尺寸在长69cm×宽69cm×高24-27cm。坩埚可利用空间不足60％。坩埚利用率低。

由于尺寸更高的多晶硅硅锭在切割成硅块和硅片时候产生的边脚料相对较少，其使用效率更高。努力获得尺寸更高、重量更大的多晶硅硅锭是有意义的。

多晶硅铸造技术目前发展迅速，多晶硅的铸造工艺和设备也千差万别，例如早期的通过在高真空中直接采用电子束枪熔化固体硅并铸造熔融硅技术的多晶硅铸造炉所得到的硅锭体积小，重量小，大约只有数十公斤。因为后续处理体积不大，重量不大的硅锭并不困难。体积小，重量小的硅锭在生产过程中可以选择补充加料适当增加尺寸或重量。

但大尺寸的多晶硅硅锭在定向凝固生产过程中，很少采用补充加料。这是因为大尺寸的多晶硅硅锭在定向凝固生产过程中也有很多限制。由于多晶硅晶体生长时热量散发的问题，多晶硅的高度很难增加。

为超过正常高度的多晶硅所配套的设备的体积也非常庞大，设备造价急剧上升，以目前的生长高度为35-60厘米的定向凝固法生产的硅锭为例，其配套的如果只采用一次加料，不采用补充加料方式的多晶硅定向凝固铸造炉高度可能超过5-8米。

所以，要增加多晶硅的体积和重量的主要方法是增加其长度和宽度。但是，边长尺寸的增加也不是无限制的，因为在多晶硅硅锭的加工过程中，目前的多晶硅硅锭的加工过程中外圆切割机或带锯对大尺寸如长69cm×宽69cm，但高度超过30cm的多晶硅硅锭处理困难。这些内容在普通的《太阳能电池材料》的科普读物第144页中都有类似的记载。