一种八边形多晶硅铸锭的制造方法及其制造设备与流程

本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种应用于太阳能电池产业链的八边形多晶硅铸锭的制造方法及其制造设备。

背景技术：

随着化石能源的逐步枯竭，并对环境造成不可逆转的污染，世界各国正加速发展可再生能源，希望通过可再生能源改变能源结构，维持可持续发展。在新的可再生能源中，太阳能作为最具潜力的新能源，以其独有的优势而成为人们重视的焦点。多晶硅铸锭是太阳能电池产业链中重要的基础环节，它是在多晶硅铸锭炉中采用先进的定向凝固技术，将高纯硅料高温熔化后通过特殊工艺定向冷凝结晶成硅锭，再经过开方切片(硅片规格为156*156mm)后，才能用于生产太阳能电池片。如何在多晶硅铸锭阶段制造出高质量、底成本的多晶硅锭，对提高多晶硅太阳能电池的转化效率，以及降低成本并实现平价上网具有至关重要的作用，因此，多晶硅铸锭(即硅锭的制造)的方法是目前本领域内技术人员研究的热点。

现有硅锭生产技术是在圆形铸锭炉中安装方形的热场利用方形石英坩埚铸造硅锭，生产出来的硅锭为四方形。生产工艺流程为：将高纯硅料装入高纯石英坩埚中，装上对石英坩埚起到保护作用的石墨护板(因为硅锭生产的最高温度达1560℃，而石英坩埚在1280℃以后会开始软化，需要石墨护板夹持来保持原有形状)，再一起放置到铸锭炉内，经过抽真空、加热、熔化、结晶、退火、冷却等步骤后，完成整个硅锭制造。一方面，目前世界上约有10000台左右铸锭炉在使用，其中约7000台在中国，其基本尺寸已经定型，不可能再大规模更新，因此硅锭的产能限制在现有的设备上。而在圆形铸锭炉中安装方形热场，空间利用率不高，仅能使用880*880*480mm的石英坩埚，装料量约为550kg，能开出25个156*156mm的方棒，能切片的重量仅为350kg左右，对应最终发电装机量约为6mw/年。另一方面，铸锭炉为间隙式高温设备，需要加热到1560℃左右，是一种高能耗的生产设备，现有铸锭形式由于空间利用率低，导致热效率低下，按目前装料550kg，加热功率165kw来计算，其热效率(硅锭生产过程中发生物理、化学变化所需要的热量除以整个过程中所消耗的热量)仅为65％左右，单位产品能耗达8.5kw.hr，这样就造成太阳能电池产业在这个环节上有较高的用电成本，不利于太阳能发电的平价上网，对太阳能发电这种可再生新能源的发展造成阻碍。其三方面，装载高纯硅料的坩埚为高纯石英材料，这种材料在高温下会有少量氧原子扩散到硅锭当中，并带入到后期生产的电池片中，而氧原子在电池片中为有害元素，是造成光致衰减(lightinduceddegradation,lid)主要原因，氧原子在多余载流子的作用下向替位硼原子快速扩散结合成硼氧复合体，这种硼氧复合体是一种亚稳态缺陷，形成了复合中心，能有效俘获并复合在光照下太阳能电池中产生的多余载流子，从而显著降低少数载流子寿命及缩短少数载流子扩散长度，最终造成太阳能电池光电转换效率的衰减。硅锭四个角部的方棒同时面临横向和纵向两个石英坩埚面，受氧原子扩散的影响最大，是整个硅锭中的最低效部位，需要对其降低档次使用，这样就降低了整体后期的发电效率，间接提高了发电成本。

技术实现要素：

本申请人针对上述现有问题，进行了研究改进，提供一种八边形多晶硅铸锭的制造方法及其制造设备，其相比四方形石英坩锅稳定性较高，受力更为均匀，高温变形量小，对形状的保持效果更佳。

本发明所采用的技术方案如下：

一种八边形多晶硅铸锭的制造方法及其制造设备，包括以下步骤：

第一步：将硅料装入八边形石英坩埚中，然后在所述八边形石英坩埚的外周包覆多块侧护板及角护板，各侧护板及角护板围合形成八边形护板结构；

第二步：然后将带有八边形护板结构的八边形石英坩埚放入带有八边形保温结构的铸锭炉内；

第三步：对铸锭炉内部进行抽真空至1-3pa；

第四步：通过电极、加热结构对石英坩埚内部的硅料进行加热至1175-1500℃；

第五步：通过电极、加热结构对对石英坩埚内部的硅料进行加热至充分熔化，加热温度为1540-1560℃；

第六步：对充分熔化后的硅料降温并进入晶体生长阶段，结晶的速度为0.8cm/h-1.5cm/h；

第七步：对结晶完成后的硅锭进行退火，退火温度为1100℃-1300℃；

第八步：最后将退火完成的硅锭冷却至400℃以下出炉。

一种利用八边形多晶硅铸锭的制造方法进行多晶硅铸锭制造的设备，包括炉壳，在所述炉壳的内部设置用于内置硅料的石英坩埚，在所述石英坩埚的外周包覆护板结构，在所述护板结构的外围及顶部设置加热机构，在所述加热结构外围及顶部、底部分别布置保温结构，所述保温结构和加热结构组合形成热场，多个电极贯穿所述炉壳、保温结构并与所述加热结构连接。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述加热结构包括设置于石英坩埚上部的顶部加热器，还包括设置于护板结构外周的侧面加热器，在互为相邻的各侧面加热器之间还通过螺杆螺母组件连接角部加热器，各侧面加热器、角部加热器围合形成八边形加热结构；

所述保温结构包括设置于加热结构外围的侧面保温层，在所述侧面保温层的顶部覆盖上保温层，在所述侧面保温层的底部覆盖下保温层，所述上保温层、侧面保温层、及下保温层组合形成八边形保温结构；

所述护板结构包括沿石英坩埚外周围合的侧护板及角护板，所述角护板由螺杆螺母组件固接于相邻两块侧护板之间，所述角护板和侧护板连接形成八边形护板结构；

所述石英坩埚为八边形石英坩埚；

所述侧护板、角护板均由石墨材料制成。

本发明的有益效果如下：

本发明结构工艺简单，使用方便，利用本发明可以使铸锭炉设备上提高产量40％，并大幅提高加热效率，降低单位产品能耗40％以上，以上两个方面的作用可导致太阳能电池发电成本大幅下降，为太阳能发电平价上网做出突出贡献。与现有四方形硅锭相比，八边形硅锭在四个角部的方棒受氧原子扩散的影响明显降低，降低了后期电池片的光致衰减，提高了太阳能电池的效率。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明制造的八边形硅锭的结构示意图。

其中：101、电极；102、炉壳；103、侧面加热器；104、侧护板；105、侧面保温层；106、顶部加热器；107、石英坩埚；108、硅料；109、角部加热器；110、螺杆螺母组件；111、角护板；112、上保温层；113、下保温层；201、硅锭。

具体实施方式

下面说明本发明的具体实施方式。如图1、图2所示，一种八边形多晶硅铸锭的制造设备包括炉壳102，在炉壳102的内部设置用于内置硅料108的石英坩埚107，在石英坩埚107的外周包覆护板结构，在护板结构的外围及顶部设置加热机构，在加热结构外围及顶部、底部分别布置保温结构，保温结构和加热结构组合形成热场，多个电极101贯穿炉壳102、保温结构并与加热结构连接。

如图1、图2所示，加热结构包括设置于石英坩埚107上部的顶部加热器106，还包括设置于护板结构外周的侧面加热器103，在互为相邻的各侧面加热器103之间还通过螺杆螺母组件110连接角部加热器109，各侧面加热器103、角部加热器109围合形成八边形加热结构；本发明中侧面加热器103及角部加热器109均为4个，其能保证八边形石英坩埚内的硅料在整个生产工艺过程中均匀吸热和散热，保证八边形硅锭201的质量。

如图1、图2所示，上述保温结构包括设置于加热结构外围的侧面保温层105，在侧面保温层105的顶部覆盖上保温层112，在侧面保温层105的底部覆盖下保温层113，上保温层112、侧面保温层105、及下保温层113组合形成八边形保温结构。八边形保温结构的热辐射效果大大高于现有四边形结构，大大提升了热效率。

如图1、图2所示，上述护板结构包括沿石英坩埚107外周围合的侧护板104及角护板111，角护板111由螺杆螺母组件110固接于相邻两块侧护板104之间，角护板111和侧护板104连接形成八边形护板结构。侧护板104、角护板111均由石墨材料制成。各护板的布置能保证八边形石英坩埚107在高温下的形状，且其可以将热量均匀的导入、到出石英坩埚。

如图1、图2所示，上述石英坩埚107为八边形石英坩埚，其装料量达1100kg，比现有四方形石英坩埚的装料量增加一倍，装料量增加后的生产工艺周期由原来的60小时增加到85小时，计算下来，实际产能提升40％以上，每炉由原来的25个方棒增加到45个方棒(如图3所示)，对应最终发电装机量由6mw/年提升到约9mw/年。按10000台铸锭炉的市场保有率计算，可增加约30gw的装机量，相当于6个半福岛核电站的装机量。而且，由于提高了铸锭炉的空间利用率，以及八方形热场的热辐射优于四方形热场，热效率可大幅提升到85％以上，产品能耗降低至5kw.hr/kg，能耗降低40％以上，这样就降低了硅锭生产环节的用电成本，对于降低整个太阳能电池产业链的成本做出了较大贡献，利于太阳能发电的平价上网。

利用上述设备进行八边形多晶硅铸锭的制造方法包括以下步骤：

第一步：将硅料装入八边形石英坩埚中，然后在八边形石英坩埚的外周包覆多块侧护板及角护板，各侧护板及角护板围合形成八边形护板结构；

第二步：然后将带有八边形护板结构的八边形石英坩埚放入带有八边形保温结构的铸锭炉内；

第三步：对铸锭炉内部进行抽真空至1pa；

第四步：通过电极、加热结构对石英坩埚内部的硅料进行加热至1175℃，该加热方式采取功率控制模式，通过加热来排除硅料内水汽和杂质。

第五步：通过电极、加热结构对石英坩埚内部的硅料进行加热至充分熔化，加热温度为1540℃；

第六步：充分熔化后的硅料降温并进入晶体生长阶段，结晶的速度为0.8cm/h，在该步骤中，降温从底部逐渐往上，使结晶也是从底部开始逐渐往上。

第七步：结晶后的硅锭通过铸锭炉进行退火，退火温度为1100℃，通过退火消除硅锭内的应力。

第八步：最后将退火完成的硅锭冷却至400℃以下出炉。

如图3所示，制成的八边形硅锭201可以切出45个尺寸为156*156mm的方棒，由于没有了4个角部的方棒，大大降低了石英坩埚中的氧原子扩散到方棒中的数量，降低了后期所制作的电池片的光致衰减，有效提升电池片的转换效率，间接降低了太阳能发电产业链的成本。

本发明结构简单，使用方便，利用本发明可以使铸锭炉设备上提高产量40％，并大幅提高加热效率，降低单位产品能耗40％以上，以上两个方面的作用可导致太阳能电池发电成本大幅下降，为太阳能发电平价上网做出突出贡献。与现有四方形硅锭相比，八边形硅锭在四个角部的方棒受氧原子扩散的影响明显降低，降低了后期电池片的光致衰减，提高了太阳能电池的效率。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。