[发明专利]一种铸造单晶过程中通过气流控制籽晶熔化程度的方法及装置

说明书

技术领域

 本发明涉及一种铸造单晶过程中控制籽晶熔化程度的气流控制方法及装置。

背景技术

目前太阳能电池主要采用单晶硅片和多晶硅片来制造，其中单晶硅片具有晶界少、杂质低、少子寿命高的特点，对光的吸收和转换效率高；而多晶硅片则由于晶界多，杂质高，其制绒面对光的吸收转换效率要比单晶硅低1%-2%。单晶硅主要采用直拉法（Cz法）生产，单次投料量低，控制工艺要求高，产品成本较高；而多晶硅则多是采用定向凝固法，使用铸锭炉生产的，控制工艺要求比较低，且一次投料量大，产出多，成本低。

因此，采用多晶炉铸造单晶硅锭是一种结合多晶硅和单晶硅优势的生产方法。其所得硅锭既具有单晶硅的晶界少，少子寿命高等性能特点，同时也具有多晶硅的成本低、产量大的优势。

该铸造单晶方法主要实施过程为在石英坩埚底部铺上籽晶，并通过温度控制硅料熔化来使得熔融硅料的后续生长按底部籽晶晶向进行，从而生长出含有类似单晶体的硅锭。

在目前的铸造单晶制备工艺过程中，大多都是通过控制温度变化，使加热器热量产生变化来控制硅料以及籽晶熔化的程度，同时采用提升隔热笼高度的方法来减少底部籽晶的热量吸收。目前尚未见到通过气流控制热量来控制籽晶熔化程度的公开报道或专利申请。

铸锭炉底部籽晶高度较低，一般为5mm-50mm之间，在熔化时需要精确控制吸收热量，确保不过度熔化。铸锭炉加热器功率一般较大，且铸锭炉温度场为大惯性系统，温度变化稍有波动会导致铸锭炉温度场内热量变化较大，因此通过温度变化来控制加热器热量产生精确变化难度很大，很容易导致热量过大将底部籽晶全部熔化，这也是目前单晶硅锭的生产过程中仍然有籽晶完全熔完的情况发生的原因之一。若能够较好地解决铸造单晶籽晶熔化程度的精确控制问题，将有利于铸锭单晶的推广和发展。

发明内容

在多晶铸锭炉制备单晶硅锭的生产过程中，在硅料熔化阶段，为了防止籽晶完全熔化，本发明旨在提供一种铸锭炉铸造单晶硅料熔化过程中精确控制籽晶熔化程度的方法，通过控制气体流量从而控制气流传递热量，使底部籽晶不完全熔化，能较好解决铸造单晶过程中籽晶完全熔化的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种铸造单晶过程中通过气流控制籽晶熔化程度的方法，在多晶铸锭炉内设有隔热笼，该隔热笼内设有控温热偶，所述多晶铸锭炉底部设有定向凝固块底部热偶，包括如下步骤：

1）、在多晶铸锭炉内的坩埚底部铺设籽晶层，籽晶层上放置多晶硅料，对炉体内抽真空至炉内压力为0.01mbar-0.05mbar，然后加热炉体，使多晶硅料受热开始熔化，当控温热偶温度为1450℃-1550℃时，向炉体内部通入保护性气体，使炉内压力达到500mbar-700mbar，同时提升隔热笼3-10cm，稳定时间为30min-500min；

2）、当定向凝固块底部热偶温度达到1150℃-1350℃时，保持控温热偶的温度及隔热笼的高度不变，向炉体内部通入保护性气体，流量为20-35L/min，稳定时间为30min-300min；

3）、保持控温热偶温度及隔热笼高度不变，当定向凝固块底部热偶温度达到1250℃-1400℃时，控制炉体内部通入保护性气体的流量为15-25L/min，稳定时间为30min-300min；

4）保持控温热偶温度及隔热笼高度不变，当定向凝固块底部热偶温度在1250℃-1400℃范围内，且温度变化量小于1℃/10min时，控制炉体内部通入保护性气体流量为10-20L/min，稳定时间为30min-300min；

5）、当控温热偶温度降至1410℃-1450℃时，进入籽晶长晶阶段。

根据本发明的实施例，所述向炉体内部通入保护性气体是通过设置在隔热笼顶部的石墨导气管通入的。

进一步地，本发明提供了一种铸造单晶过程中通过气流控制籽晶熔化程度的装置，包括多晶铸锭炉，所述多晶铸锭炉内设有隔热笼，所述隔热笼上设有向炉体内通保护气体的石墨导气管，所述隔热笼内设有控温热偶，所述多晶铸锭炉底部设有定向凝固块底部热偶。

由此，控温热偶用于检测隔热笼内的温度，定向凝固块底部热偶用于检测籽晶的受热温度。

所述石墨导气管优选设在多晶铸锭炉的顶部。

铸锭炉铸造单晶硅锭的工艺，一般是在炉体内坩埚底部铺设籽晶层，上面放置硅料，通过升温加热，使硅料逐渐熔化，但在熔化到底部籽晶层时，不能使底部籽晶完全熔化，在后续的长晶阶段，使熔化的硅料随着籽晶晶向生长，从而达到铸造单晶硅锭的目的。