用于提炼熔融材料的方法及装置的制造方法
【专利说明】用于提炼熔融材料的方法及装置
[0001]本申请为2007年12月10日提交的专利申请“用于提炼熔融材料的方法及装置”(申请号:200680020732.0，申请人:埃尔凯姆太阳能公司)的分案申请。
发明领域
[0002]本发明涉及对可熔融及固化的材料进行提炼或纯化。其特别适用于(但并非仅适用于)对金属、尤其是对硅进行纯化，例如对用于制造太阳能电池的硅原料进行提炼。
【背景技术】
[0003]定向固化在光电(PV)行业中广泛用于制造铸锭，这些铸锭被切割成晶片并随后加工成太阳能电池。在现有技术中占主导地位的系统是在石英坩锅中使硅由底部至顶部进行定向固化。
[0004]可使用同一原理对硅进行提炼，以制成PV行业所用的原料。此时可使用定向固化、通过偏析而控制杂质，既可调节不同元素(Al，Ca，Fe，Ti，Mn，B，P等)的绝对浓度(level)，也可调节其相对浓度。此外，该工艺须将在该工艺中所形成的微粒及来自进料娃的微粒考虑在内。
[0005]现有方法的缺点在于，石英坩锅只能使用一次，这是因为其会在硅锭(及坩锅)冷却过程中因坩锅材料的相变而遭到破坏。此外，为避免硅粘附于坩锅上，石英坩锅需要具有防粘层，例如一层Si3N4。
[0006]本发明的一目的是提供一种能减轻对铸锭的污染的改良的固化工艺。
[0007]本发明的另一目的是提供一种无需在各铸锭的铸造之间更换熔融材料容器便可对例如硅等熔融材料进行提炼的系统。
[0008]发曰月描沐
根据本发明的一个方面，提供一种对材料进行提炼的方法，其包含下列步骤:在容器中形成所述材料的熔体；使冷却面接触所述熔体的表面，从而使所述熔融材料固化并粘附至所述冷却面上；以及，逐渐地向下固化所述熔融材料，以形成粘附至所述冷却面上的所述材料的固体锭。
[0009]尽管是将本发明界定为一种提炼方法，然而也可将本发明视为一种定向固化方法。
[0010]因此，本发明提供一种流水线式生产工艺，在该生产工艺中，对熔炉容器进行加热并进行铸锭，但在所述容器内不存在锭接触，因而可在将锭移出之后对所述容器进行重新填料。在各次铸锭之间，不需要对所述容器进行冷却。
[0011]较佳地，对所述容器的壁及底部进行加热。较佳地，使熔体保持处于惰性气体或受控气氛中。所述方法特别适用于对例如硅等金属进行提炼及纯化。
[0012]所述方法的优点是，在形成铸锭时，铸锭中的杂质浓度相对于熔体其余部分降低。然后，从所述容器或坩锅中移出铸锭并倾倒掉或重新处理具有高杂质含量的其余液体。所述容器不必得到破坏并可重新利用。成核位置从坩锅简化至一个板或并排设置的几个板的表面。这一个板或并排设置的这几个板是由呈分层结构的几个板组成。所述冷却表面可以不连续形成，以帮助确保粘附铸锭。
[0013]因此，通过采用本发明，使提炼工艺在几个方面得到优化。
[0014]使用偏析来提炼及控制金属杂质。这些杂质将从固体与液体硅之间的界面推移至液体主体中。可通过偏析及掺杂(在铸锭之前或铸锭过程中)而获得被提炼材料的所需电阻率。绝对电阻率值将取决于最终用户的工艺及要求。
[0015]密度高于熔融硅的微粒被移除。如果在定向固化过程中所带入或所形成的微粒的密度足够高于熔融硅，则其将沉降至底部。其可在熔融池的底部形成高密度层。
[0016]密度低于硅或稍高于硅的微粒也可得到移除。其将被推移至固体硅与熔融硅之间界面的前面。如果这些微粒被充分地推移至液体主体中，则其将在容器中遵循对流模式。
[0017]通过将使杂质随流动模式移动的力与沉降力相结合，可使所述固化过程得到优化。高密度杂质含量较高的熔融硅将从固化界面朝底部流动。较重的微粒将同样如此，而密度差别很小或不存在差别的微粒将在容器中跟随流动。如果固化是在池的顶部至底部进行，则可更容易对这些机理进行优化。
[0018]因此，与从熔融池底部开始进行生长相比，由顶部至底部进行定向固化更能够控制杂质。固化过程可一直进行，直到既定的部分得到固化为止(达到既定的锭高度或尺寸)。残留的液体硅中所含有的杂质及较重微粒的比例将高于起始材料，并可通过倾倒等手段而转移出容器。主要的微粒杂质往往是SiC、SixNy或Si x0yNz。
[0019]根据本发明的另一方面，提供一种用于对材料进行提炼的装置，其包含:容器，该容器具有底部及侧壁，用于容纳熔融态材料；以及冷却板，该冷却板可移入及移出所述容器的顶部。
[0020]较佳地，所述容器具有受热的壁和/或底部。较佳地，所述容器的壁和/或底部是由导热性、但在化学上呈惰性且耐高温的材料制成，例如由石墨、氮化硅、碳化硅、硅石、氧化铝、氮氧化硅或其它陶瓷质氧化物制成。
[0021]较佳地，所述冷却板包含多个层，包括与冷却装置进行工作接触的导热层及用于接触熔融材料的接触层。较佳地，所述接触层及任一中间层是由导热性、但在化学上呈惰性且耐高温的材料制成，例如由石墨、氮化硅、碳化硅、硅石、氮氧化硅、氧化铝或其它陶瓷质氧化物制成。所述导热层可以是金属，例如铜、铝或某种适宜的合金。此外，可在其它层之间纳入加热层，例如一层电阻加热元件或者感应加热层。此可更好地控制冷却过程。
[0022]所述板可包含中间层，所述中间层附着至导热层上并可与所述接触板形成滑动配合或卡扣配合。较佳地在容器上方具有气密性封盖，以维持惰性或受控气氛。
[0023]附图简沐
本发明可通过各种方式实施，且下文将参照附图以举例方式对某些实施例进行说明，附图中:
图1为一种用于实施本发明的装置的垂直剖面图；
图2为在图1所示线AA上的剖面图；
图3为示意性剖面图，其显示熔融材料中的可能的对流图案；
图4为根据一实施例的温控板的示意性剖面图；以及图5及图6为类似于图4的视图，其显示两个备选实施例。
[0024]发明详述
图1及2显示一种用于使熔融硅石定向固化的装置。该装置包含容器11，容器11具有受热的底部12、受热的端壁13及受热的侧壁14。容器11衬垫有外衬层15及内衬层16。这些衬层的材料应为导热性、但在化学上呈惰性且耐高温的材料，且适宜的材料包括石墨、碳化硅、氮化硅、硅石、氧化铝、氮氧化硅或其它陶瓷质氧化物。内衬层16界定外壳17，以用于容纳硅熔体18。
[0025]在外壳17及熔体18上面具有温控板19。板19悬挂于支架21上，并包含导热层22、中间隔离层23及接触层24。导热层22具有一系列冷却管25，且接触层24具有粗糙化的接触面26。
[0026]导热层22通常是由例如铜或铝等导热金属制成。管道25中的冷却介质是任何适宜的液体/气体，例如水或油。隔离层23及接触层24是由导热性、但耐热且在化学上呈惰性的材料制成，例如由石墨、碳化硅或氮化硅制成。
[0027]容器11及板19上盖有气密性封盖30。由此在熔体18上方容纳惰性气氛27。还具有两个隔离门28，其可在将封盖30移开时置于外壳17上方。
[0028]在使用中，将硅置于外壳17中并通过受热的底