[发明专利]一种次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼

说明书

技术领域

本发明属于晶体硅铸锭炉技术领域，涉及一种能生产出接近单晶硅品质的次单晶硅铸锭炉，特别涉及这种次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼。

背景技术

现有的晶体硅太阳能电池片主要由单晶硅片或者多晶硅片制成。由单晶硅片制成的太阳能电池片有着较高的转换效率，成品质量较好，但这种单晶硅片的制备存在生产周期长、能耗高、产量低、损耗大和非常依赖操作人员自身的素质等缺陷。由多晶硅片制成的太阳能电池片，其转换效率要低于由单晶硅片制成的太阳能电池片，品质也不高，但是多晶硅片的制备有着生产周期短、单位能耗低、产量大和自动化程度高等优势。

单晶硅片多采用提拉法制备单晶硅棒，然后通过切边滚圆等诸多工艺后，进行切片制得。单晶硅棒的制备过程是在单晶硅炉内将硅原料完全熔化，然后从炉顶伸入单晶籽晶，按照一定的工艺，慢慢提升籽晶，让熔化的硅液遵循籽晶的晶体模式，在籽晶的表面继续生长放大，最后出炉。

多晶硅片多采用基于热交换原理的定向凝固法进行铸锭，在多晶硅铸锭炉里将硅原料完全熔化，然后通过两至三处控制装置的调节，使得熔化的硅液自坩埚底部往上形成合适的温度梯度，硅液自发地在坩埚底部成核，然后在温度梯度的促使下，宏观上表现为自下而上凝固生长，形成多晶硅锭，然后通过剖方，切片制得。硅晶体在坩埚底部成核要受到温度、底部散热结构开度和坩埚内表面粗糙度等诸多因素影响，整个成核过程在宏观上表现出极大地随机性，即难以控制最终结果。所以定向凝固生长出来的晶体硅的晶粒和晶界众多，单个晶体生长模式不一，大小不同，杂质也容易侵入硅晶体，工艺上很难控制，导致多晶硅片品质不佳。

因此，有必要开发一种制备方法，通过该制备方法能够尽可能保留上述两种方法的优势并且克服上述两种方法所存在的缺陷。我们将这种制备方法所得到的晶体硅称为次单晶硅，因为次单晶硅的品质接近单晶硅的品质。该方法称为次单晶硅的制备方法，所使用的设备称为次单晶硅铸锭炉。

次单晶硅铸锭炉作为次单晶硅的制备设备，是通过现有多晶硅铸锭炉的基础上改进制得。现有的多晶硅铸锭炉如中国专利号为200710168125.5所公开的“一种多晶硅铸锭炉”，其包括支架、炉体和设置在炉体内的坩埚，在炉体内设置一个保温用的隔热笼，隔热笼和能上下活动的隔热板构成一个单独的腔室，在炉体上设置能够使隔热板上下移动的提升装置，在隔热笼内设置加热器和热交换台，热交换台设置在隔热板上方，坩埚放置在热交换台上，由加热器对坩埚加热。

这种多晶硅铸锭炉在铸锭时，硅液内部温度梯度过小，造成籽晶在尚未熔化和完全熔化之间的时间很短，难以控制最终结果，才使得晶体硅的晶粒和晶界众多，单个晶体生长模式不一。如果需要在熔化阶段拉大温度梯度，可以采用外界接触式测量或者开笼熔化的方法。接触式测量直观，但风险很大，如果操作不慎则整个锭的质量就会大幅下降。而因硅液内部温度梯度小，使得炉内环境稍有变动，例如加热器更换、装料量改变和新的坩埚选用等，都需要重新测定。这样虽然能够合理控制籽晶的状态，但是却极大地延长了工艺时间，并增加了能耗。

发明内容

本发明针对多晶硅铸锭炉存在的上述问题，提供一种次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼，以延长了籽晶在尚未熔化和完全熔化之间的时间，并且降低工艺难度，使得次单晶硅铸锭炉能够生产出品质接近单晶的次单晶硅。

本发明通过下列技术方案来实现：一种次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼，其特征在于，在隔热笼内壁设有将隔热笼分隔成上腔室和下腔室的环形挡块，环形挡块的中间连通上腔室和下腔室。

本发明由于环形挡块分隔，在坩埚放置在隔热笼内时，坩埚的底部位于下腔室，坩埚顶部位于上腔室内，上腔室内的高温热量被环形挡块所挡，无法直接辐射到下腔体，上部能量只能通过热传导以及边界层流动的方式输送到下腔室，热传递速度慢，可确保铺设在坩埚底部的单晶籽晶块在较长工作时间中不会完全熔化，延长了籽晶在尚未熔化和完全熔化之间的时间，并且拉大了在熔化阶段的温度梯度，便于控制硅块熔化-结晶切换，降低工艺难度，并且籽晶覆盖面积可以得到扩大。

在上述的次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼中，所述的上腔室内设置加热器，加热器位于环形挡块的上方且两者之间存在间距。

在上述的次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼中，所述的下腔室内设置用于放置坩埚的热交换台，在热交换台放置有坩埚时，坩埚的底部位于环形挡块的下侧，坩埚的顶部位于环形挡块的上侧，且坩埚外侧壁与环形挡块之间存在间距。坩埚外侧壁与环形挡块之间存在间距为热量从上腔室进入到下腔室的通道。