[发明专利]一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多晶硅锭的制备方法。

背景技术

目前市场上的硅太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅三大类：单晶硅太阳能电池以其转换效率高(24.5％)、质量稳定等特点在国际市场上得到了广泛的应用，但单晶硅对原料的纯度要求高(99.999999999％)，因此，单晶硅生产成本高，制约了单晶硅的应用。多晶硅太阳能电池以其转换效率较高(19.8％)，性能稳定和成本适中而得到广泛应用，多晶硅电池对原料的纯度要求低，原料的来源渠道也较为广阔，可由铸锭而成，适合大规模商业化生产，占据市场的主导地位。非晶硅太阳能电池转换效率较低(14.5％)，性能极不稳定，电池衰减快，其应用受到了制约。法国的E.Ehret和F.Durand等人将电磁连铸技术应用于多晶硅连铸，这种方法制成的多晶硅定杂质含量基本相当，成本低，但是存在结晶缺陷，多晶硅锭的组织不是定向凝固的柱状晶。定向凝固是在控制铸件内部传热、传质和流动的条件下，金属(或晶体类材料)能够沿固定生长方向进行凝固或结晶的过程。定向凝固后金属的组织特征是与凝固热流方向平行的一组平行柱状晶。定向凝固是在满足单向的热量和质量传递基本条件下的特殊的材料加工工艺。目前定向凝固多晶硅锭的制备主要是在直径为100mm左右的陶瓷(刚玉)或石墨套筒中进行，套筒内壁对颗粒硅产生污染，以致最后影响硅锭的纯度。

发明内容

本发明的目的是为解决现有多晶硅锭的制备主要是在陶瓷或石墨套筒中进行，套筒内壁对多晶硅产生污染，导致多晶硅锭的纯度低的问题，提供一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备方法。

本发明的方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、石墨底座的上端面设置在距冷坩埚的上端面20mm～35mm处，将料斗装满颗粒硅，并先漏入石墨底座的上端面上20g～30g的颗粒硅；

步骤二、利用真空泵将真空室抽真空，使真空室的真空度为0.05Pa～0.1Pa；

步骤三、向真空室充入300Pa～400Pa的氩气；

步骤四、感应线圈通入单相交流电，电源功率为45KW～55KW，通过感应线圈使冷坩埚内的颗粒硅感应加热并完全熔化；

步骤五、启动步进电机使颗粒硅连续不断的向冷坩埚内加入，形成颗粒硅熔体驼峰后，停止步进电机，保温8min～24min；

步骤六、启动位移电机驱动拉杆以1mm/min～2mm/min的速度向下运动，同时启动步进电机，使石墨管中的颗粒硅以1.73g/min～5.19g/min的速度连续不断的向冷坩埚内加料，同时冷坩埚下面的冷却器为熔化的颗粒硅提供强冷，使熔化的颗粒硅形成具有定向凝固组织的柱状晶，待石墨底座向下移动10mm～15mm后，即为所需长度的柱状晶硅锭；

步骤七、柱状晶硅锭的外层有1mm～2mm的多晶层，外层内部为平行于拉杆方向的柱状晶，将多晶层加工去除后即为具有定向凝固组织多晶硅锭。

本发明具有以下优点：一、本发明方法制备的多晶硅锭是在真空室内制备而成，并且冷坩埚的材质为紫铜，因此，本发明方法制备的多晶硅锭无污染；利用本发明方法生产的多晶硅锭具有定向凝固组织的柱状晶，且柱状晶生长连续、柱状晶大，柱状晶的宽度为1mm～2.8mm，柱状晶贯穿多晶硅锭的高度，因此，本发明方法制备的多晶硅锭纯度高。二、本发明方法制备的多晶硅锭具有环保、低碳的优点。三、本发明方法制备的具有定向凝固的多晶硅锭特别适用于太阳能级多晶硅对纯度的要求。

附图说明

图1是实现本发明方法的一种具有定向凝固多晶硅锭的制备装置的结构主剖视图，图2是图1的A-A剖视图，图3是冷坩埚8的结构主剖视图，图4是图3的B-B剖视图，图5是图4的I局部放大图。(图中的附图标记为：炉体1、真空室2、真空泵3、冷却器4、拉杆5、位移电机6、石墨底座7、冷坩埚8、方环状出水管9、出水接管10、第一螺母11、水箱进水管12、方环状进水管13、进水接管14、第二螺母15、水箱出水管16、感应线圈17、石墨管18、支撑板19、聚料斗20、壳体21、螺杆22、联轴器23、可调式变速箱24、步进电机25、料斗26、上半体8-1、下半体8-2、绝缘密封材料8-3、截面为花瓣状的柱体8-4、通水孔8-5和纵向盲孔8-6)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：

步骤一、石墨底座7的上端面设置在距冷坩埚8的上端面20mm～35mm处，将料斗26装满颗粒硅，并先漏入石墨底座7的上端面上20g～30g的颗粒硅；