定向凝固系统和方法
【专利说明】定向凝固系统和方法
[0001] 优先权的要求
[0002] 本申请要求于2013年3月14日提交的美国临时专利申请第61/784, 838号的优 先权权益，其通过引用整体并入本文。 柳的]背景
[0004] 通过利用太阳能电池把太阳光转换为电能的能力，太阳能电池可W是可行的能量 来源。娃是半导体材料和在太阳能电池制造中使用的进货原料；电池的电特性即转换效率 关键地取决于娃的纯度。多种技术已经被用于纯化娃。最熟知的技术被称为'西口子工艺'。 该技术允许几乎除去每个在娃内存在的杂质。然而，该技术要求把娃生产为气相，并且再沉 积为固相W除去杂质。在本专利中描述的技术允许通过把娃烙融为液相，并且使用被称为 '定向凝固'的技术凝固娃，从而非常有效地除去杂质。虽然该技术是非常熟知的，但是本专 利集中于允许大大减少该程序成本的采用定向凝固的新方式。
[0005] 用于制造太阳能电池的纯化的娃晶体的技术是已知的。运些技术的大多数按W下 原理操作：娃晶体在从烙融的娃溶液凝固的同时，非期望的杂质保留在烙融溶液中。第一示 例性技术，浮区技术，可W被用于制造单晶娃锭，使用运动的液体来推动杂质朝向模具的边 缘W进行除去。另一示例性技术，提拉法（Czoc虹alski)技术，可用于制造单晶娃锭，其使 用从烙融溶液缓慢地拉动出来的晶种，允许娃的单晶柱形成同时把杂质留在溶液中。另外 的示例性技术，如化idgeman或热交换器技术，可用于制造多晶娃锭，其通过产生具有受控 的冷却速率的溫度梯度导致定向凝固。
[0006] 附图简述
[0007] 在附图中，同样的数字可用于描述在所有的多个视图中的相似的元件。具有不同 的字母后缀的同样的数字可W被用于表示相似的元件的不同视图。附图W实施例的方式但 是不W限制的方式，大体上图示了在本文件中讨论的各种实施方案。
[0008] 图1示出了根据本发明的至少一个实施方案的系统的等距视图。
[0009] 图2示出了根据本发明的至少一个实施方案的模具的横截面。
[0010] 图3示出了根据本发明的至少一个实施方案的加热器的俯视图。
[0011] 图4示出了根据本发明的至少一个实施方案的加热器的侧视图。
[0012] 图5示出了根据本发明的至少一个实施方案的系统的侧视图。
[0013] 图6示出了根据本发明的至少一个实施方案的模具的侧视图。
[0014] 图7示出了根据本发明的至少一个实施方案的模具的基部的等距视图。 阳〇1引详细描述
[0016] 在W下的详细描述中，参照附图。附图形成描述的一部分，并且W图示的方式而不W限制的方式提供。附图实施方案W足够的细节描述W使本领域的技术人员能够实践本发 明的主题。可采用其他实施方案，并且可作出机械、结构或材料的改变，而不偏离本专利文 件的范围。
[0017] 现在将详细地参照所公开的主题的某些实施例，其中某些图示于附图中。虽然将 主要参照附图来描述所公开的主题，但是应当理解，运样的描述不意图使所公开的主题局 限于运些附图。相反地，所公开的主题意图覆盖所有的替代形式、修改和等效物，其可W被 包括在本文公开的主题的范围内，如权利要求书所限定的。
[001引在说明书中提及"一个实施方案"、"实施方案"、"示例性实施方案"等等是指所描 述的实施方案可W包括特定的特征、结构或特性，但是可W不一定每个实施方案都包括该 特定的特征、结构或特性。此外，运样的短语不一定指同一个实施方案。此外，当关于实施 方案而描述特定的特征、结构或特性时，无论是否被明确地描述，应认为参照其他实施方案 影响运样的特征、结构或特性在本领域的技术人员的知识内。
[0019] 在本文件中，术语"一（a)"或"一个（an)"被用于包括一个或多于一个，并且术语 "或"被用于指代非排他性的"或"，除非另有指示。此外，应理解，本文采用的没有另外定义 的措辞或术语仅用于描述的目的而不用于限制的目的。
[0020] 本发明的主题设及用于采用定向凝固技术纯化娃，同时保持固体-液体界面遍及 模具的一致行进的模具、模具系统和相关的方法。来源于定向凝固的纯化娃可用于太阳能 电池中。已经发现，通过控制模具内的溫度梯度，可实现高度受控的定向凝固。虽然在下文 的实施例中最详细地描述娃的纯化，但是所描述的系统和方法也可用于其他材料如蓝宝石 的定向凝固和纯化。
[0021] 定向结晶通常从底部行进至顶部，因此期望的溫度梯度在底部具有较低的溫度且 在顶部具有较高的溫度。对溫度梯度的高度控制和相应的定向结晶可W有利地允许更有效 的定向凝固，导致具有更高纯度的娃。
[0022] 图1图示了用于娃的定向凝固的模具系统100的具体实施方案。该系统可W包括 定位在模具120的顶部上或附近的顶部加热器110。顶部加热器110可W被一个或多个链 条101支撑，所述链条101在第一端部上与竖直结构构件103的孔102晒合。链条101在 本实施例中形成马勒化ridle)，允许顶部加热器110通过使用起重机或其他抬升系统被移 动。系统100可W也例如通过在把顶部加热器110留在模具120上的同时把模具120放置 在叉车或杠杆式升降机上被移动。筛箱106可W环绕顶部加热器110的从模具外套突出的 加热构件的端部，保护使用者抵抗在运些构件的端部中和附近存在的热和电。
[0023] 竖直结构构件103可W从顶部加热器110的底部边缘延伸至顶部加热器110的顶 部边缘。竖直结构构件103可W位于顶部加热器110的模具外套的外表面上，并且可W在 垂直于该外表面的方向向外延伸。顶部加热器可W也包括位于顶部加热器110的模具外套 的外表面上的水平结构构件104,并且可W在垂直于该外表面的方向向外延伸。
[0024] 顶部加热器110可W包括形成加热器的模具外套的一部分的凸缘（Iip) 105。凸 缘可W从模具外套向外突出，并且可W朝向顶部加热器110的中屯、轴线向内延伸，使得其 覆盖任何存在的隔热部的厚度。可选择地，凸缘105可W仅向内延伸，足W覆盖顶部加热器 110的模具外套的底部边缘。 阳0巧]在图1中描绘的实施方案中，从模具120的隔热部111可W在顶部加热器110和 模具120之间延伸。在各种实施例中，模具120的一个或多个隔热层111的至少一部分可 W在模具的外套的高度上方延伸。类似于顶部加热器110,模具120可W包括竖直结构构 件112。竖直结构构件112可W位于模具120的外套的外表面上，并且可W在垂直于该外表 面的方向向外延伸。竖直结构构件112可W从模具120的底部边缘延伸至模具120的顶部 边缘。模具112可W也包括一个或多个水平结构构件113。水平结构构件113被示出为在 模具120的外套的外表面上，从模具外套向外延伸。水平结构构件113可W水平地围绕圆 柱形的模具112的外周或沿着非圆柱形的模具的一个或多个侧部延伸。模具112可W也包 括十字交叉的底部结构构件114、115。底部结构构件114、115可W延伸跨越模具112的底 部。底部结构构件115中的某些可W被控制形状和大小W允许叉车或杠杆式升降机或其他 机器物理地操纵（例如运动）系统100。 阳0%] 图2示出了根据本发明的一个实施方案的模具200。模具200包括包围底部212 和壁隔热结构220的模具外套210,模具外套210包括侧壁201和底板202。在一个实施例 中，侧壁201和底板202被一体地形成。在另一个实施例中，侧壁201和底板202被螺栓连 接，或W其他方式机械地连接在一起W形成模具外套210。
[0027] 模具200界定在模具200内的内部部分201 W容纳一定量的烙融娃。在一个实施 例中，壁隔热结构220是包含被定位为紧邻彼此的多种不同材料的复合结构。复合的壁隔 热结构220的一个优点包括，通过选择复合结构的单个部件的材料和几何构型来控制热梯 度的能力。复合的壁隔热结构220的另一个优点包括，减少模具成本的能力。把更高成本、 高耐热性的材料用于烙融娃将与该处接触的暴露的表面上，而使具有较低耐热性、较低成 本的材料在复合结构远离烙融娃前行处形成层状。
[0028] 在一个实施例中，壁隔热结构220的厚度从模具200的具有第一厚度224的外缘 222至具有比第一厚度224薄的第二厚度228的与底部212的底部界面226呈锥形。在一 个实施例中，第二厚度比第一厚度薄约25 %。在操作中，壁隔热结构220的锥形提供了热梯 度，其在定向凝固期间提供在娃中液体-固体界面的期望的行进。在一个实施例中，壁隔热 结构220的锥形在烙融物的顶部附近提供更多的隔热W把烙融物的表面保持在液态，而在 与底部212的底部界面附近提供较少的隔热，W帮助在模具200的底部处的冷却。
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