专利名称：一种太阳能电池用高纯多晶硅的制备方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体材料制备技术领域。特别涉及一种以工业硅为原料，通过一系列冶金方法来生产太阳能电池用高纯多晶硅片的生产技术。
背景技术：
太阳能以其分布广泛、清洁无污染等优点成为解决能源危机和环境恶化的首选能源，因此高效率低成本太阳能电池的研究备受世人关注。现今太阳能电池有硅太阳能电池、化合物太阳能电池、纳米晶燃料敏化电池、有机太阳能电池等。硅太阳能电池因硅材料资源丰富、无毒无害且物理性能优良而成为主流产品。
硅太阳能电池又分为单晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池一般用直拉法由多晶硅旋转拉制而成，制作工序非常复杂，因此成本很高。非晶硅由于存在光致衰减效应而光电转换效率不稳定，其应用也受到了很大限制。多晶硅太阳能电池虽然存在晶界、位错和微缺陷，但其光电转换效率最高已达到了20.3％，与单晶硅的最高转换效率24.7％相差不大，而其生产成本要低很多，因此近年来多晶硅太阳能电池得到了很大发展。
制作多晶硅太阳能电池首先要获得高纯硅，现在世界上太阳能电池用高纯多晶硅大都用化学的方法得到，特别是改良的西门子法，其产能约占总产能的80％以上。制作太阳能电池时，先将使用化学方法得到的高纯度硅熔融，并调整成为适合于太阳能电池的化学组成，然后用拉制法或定向凝固法将熔体制成硅锭，最后切成硅片供电池组件使用。在此生产工序中，按照化学方法生产高纯硅的过程中会大量地产生硅烷、氯化物等污染环境的物质，而且在对高纯硅锭块化的过程中，需要引入额外的能量，生产成本增加。因此廉价的使用冶金制备的方法直接由工业硅制得太阳能电池用高纯多晶硅锭的研究一直被各国研究者关注。
1975年，Wacker公司首创了浇铸法制备多晶硅材料。其后，许多研究小组先后提出了多种铸造工艺，主要有两种方式一种是在石英坩埚内将硅熔化后浇铸到石墨模具中；另一种是采用定向凝固的方法制备多晶硅。定向凝固因能得到性能均匀的柱状晶而被广泛采用。
我国也在定向凝固制备多晶硅锭工艺上做了一定研究。例如专利85100529，设计了一种实现定向凝固的方法并研制了一种氮化硅脱模剂。但此方法生产周期长、硅的污染严重，导致晶片的转换效率低，而且这些铸造工艺都是以高纯硅为原料的。
日本川崎制铁株式会社申请专利96198989.0，是以金属硅或氧化硅为起始原料，通过电子束真空熔炼、氧化精练和定向凝固这一系列工序，制得了太阳能电池用多晶硅。但是，电子束设备价格昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种装置简单、熔炼和除杂快速方便，获得凝固组织均匀，无裂纹、无偏析，生产工艺，成本低的连续生产太阳能电池用高纯多晶硅的制备方法和装置。
本发明的技术解决方案是一种太阳能电池用高纯多晶硅的制备装置，在真空室20内部的左侧设置电磁感应加热器3，其内部装有耐火材料4和坩埚6，真空室20的左上方设置加料器2，真空室20内部的右侧是由定向凝固坩埚7、保温炉8、定向凝固冷却底模11和拉坯系统12构成的一次定向凝固精炼系统，熔炼、浇注和定向凝固都在真空室中进行，真空系统10与真空室20连接，由真空系统10获得真空；二次提纯系统由二次提纯加热炉15、加热炉内的精炼坩埚16、二次提纯加热炉15上方的精炼等离子枪13、精炼气体喷嘴18和二次提纯加热炉15下方的氧化气体喷嘴14组成。电磁感应加热器3的频率为1000Hz-100000Hz。
坩埚6上部设置有等离子枪1。
定向凝固坩埚7上部设置有等离子枪19。
使用一种太阳能电池用高纯多晶硅的制备装置制备太阳能电池用高纯多晶硅的方法，电磁感应加热器3中通入高、中频电流，当坩埚6中硅的温度达到1450-1600℃时，固体硅熔化，保温30-60分钟，扳动机械手将熔融硅浇注到定向凝固坩埚7内，利用保温炉8保持液体硅9的温度为1450-1600℃；而后，开动拉坯系统12，带动定向凝固冷却底模11以1-10mm/min的速度向下移动，实现定向凝固，去除硅中的金属杂质；将定向凝固的铸坯放入二次提纯装置的精炼坩埚16内，利用二次提纯加热炉15熔化至1450-1600℃时、保温，开通精炼等离子枪13和氧化气体喷嘴14，氧化精炼20-30分钟；开启精炼气体喷嘴18，从精炼坩埚16的底部吹惰性气体氩进行气体精炼，气体流量为50-150L/h，成为高纯硅液17。
电磁感应加热器3中通入高、中频电流，开启等离子枪1，使固体硅熔化，当坩埚6中硅的温度达到1450-1600℃时，扳动机械手将熔融硅浇注到定向凝固坩埚7内，利用保温炉8和等离子枪19保持液体硅9的温度；而后，开动拉坯系统12，带动定向凝固冷却底模11向下移动，实现定向凝固，去除硅中的金属杂质；将定向凝固的铸坯放入二次提纯装置的精炼坩埚16内，利用二次提纯加热炉15熔化、保温，开通精炼等离子枪13和氧化气体喷嘴14，氧化精炼20-30分钟；开启精炼气体喷嘴18，从精炼坩埚16的底部吹惰性气体氩进行气体精炼，成为高纯硅液17。
在上述的熔化和凝固过程中，通过加料器2不断加入新的固体工业硅5，实现生产的连续进行，获得凝固组织均匀，无裂纹、无偏析等铸造缺陷的硅锭。为了获得纯度更高的晶体硅，将经过定向凝固提纯的硅铸锭利用二次提纯装置除去硼、碳等杂质。
本发明把真空电磁感应熔炼、等离子体氧化除杂和定向凝固结合起来，制备太阳能电池用高纯硅锭。根据电磁感应原理，在材料外侧施加交变电磁场时，材料内部将产生感应电流J，感应电流J产生焦耳热Q，使材料温度升高。可以表示为Q＝J2/σ。根据化学平衡原理，元素在真空中的平衡分压低于大气中的分压，因此，真空熔炼可以去除液体硅中的P等杂质。根据金属凝固原理，在材料结晶过程中溶质将再分配，且平衡分配系数小于1的元素可以通过顺序凝固被富集在最后凝固部位，达到将其从液体中排除的目的。
本发明所达到的效果和益处是，装置简单、熔炼和除杂快速方便，获得凝固组织均匀，无裂纹、无偏析等铸造缺陷的硅锭，特别是利用冶金提纯的方法制备的硅锭晶片化后能达到太阳能电池的纯度要求。本发明所提供的生产工艺，成本低，能适应太阳能电池廉价广泛应用的要求。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的装置结构示意图。
图2是本发明的二次提纯装置的结构示意图。
图中，1.等离子枪，2.加料器，3.电磁感应加热器，4.耐火材料，5.工业硅，6.坩埚，7.定向凝固坩埚，8.保温炉，9.液体硅，10.真空系统，11.定向凝固冷却底模，12.拉坯系统，13精炼等离子枪，14氧化气体喷嘴，15.二次提纯加热炉，16.精炼坩埚，17.高纯硅液，18.精炼气体喷嘴，19.等离子枪，20.真空室。
具体实施例方式
实施例1将工业硅5放入坩埚6中，真空系统抽真空至10-2Pa后，开启电磁感应加热器3使工业硅5熔化，同时接通保温炉8的电源。当坩埚6内硅的温度达到1500℃时，保温30-60分钟，扳动机械手将熔融硅浇注到定向凝固坩埚7内，利用保温炉8保持液体硅9的温度；而后，开动拉坯系统12，以5mm/min的速度带动定向凝固冷却底模11向下移动，获得直径为160mm，长度为250mm的铸坯，经成分检测硅含量为99.99％。将定向凝固的铸坯放入二次提纯装置的精炼坩埚16内，利用二次提纯加热炉15熔化、保温，开通精炼等离子枪13和氧化气体喷嘴14，氧化精炼20分钟，开启精炼气体喷嘴18，从精炼坩埚16的底部吹惰性气体氩，气体流量为50-150L/h，进行气体精炼后，将高纯硅液17浇注到铸型中冷却，得到硅含量为99.9999％的铸坯。截取不同部位的试样进行分析，观察其凝固组织，测试其化学成分，测试少数载流子寿命，并晶片化后测试组件的光电转化率。
实施例2将工业硅5放入坩埚6中，真空系统抽真空至10-2Pa后，开启电磁感应加热器3和等离子枪1使工业硅5熔化，同时接通保温炉8的电源。当坩埚6内硅的温度达到1500℃时，保温30-60分钟，扳动机械手将熔融硅浇注到定向凝固坩埚7内，利用保温炉8和等离子枪19保持液体硅9的温度；而后，开动拉坯系统12，以3mm/min的速度带动定向凝固冷却底模11向下移动，获得直径为160mm，长度为250mm的铸坯，经成分检测硅含量为99.99％。将定向凝固的铸坯放入二次提纯装置的精炼坩埚16内，利用二次提纯加热炉15熔化、保温，开通精炼等离子枪13和氧化气体喷嘴14，氧化精炼20分钟，开启精炼气体喷嘴18，从精炼坩埚16的底部吹惰性气体氩，气体流量为50-150L/h，进行气体精炼后，将高纯硅液17浇注到铸型中冷却，得到硅含量为99.9999％的铸坯。截取不同部位的试样进行分析，观察其凝固组织，测试其化学成分，测试少数载流子寿命，并晶片化后测试组件的光电转化率。
权利要求
1.一种太阳能电池用高纯多晶硅的制备装置，其特征在于，在真空室(20)内部的左侧设置电磁感应加热器(3)，其内部装有耐火材料(4)和坩埚(6)，真空室(20)的左上方设置加料器(2)，真空室(20)内部的右侧是由定向凝固坩埚(7)、保温炉(8)、定向凝固冷却底模(11)和拉坯系统(12)构成的一次定向凝固精炼系统，真空系统(10)与真空室(20)连接；二次提纯系统由二次提纯加热炉(15)、加热炉内的精炼坩埚(16)、二次提纯加热炉(15)上方的精炼等离子枪(13)、精炼气体喷嘴(18)和二次提纯加热炉(15)下方的氧化气体喷嘴(14)组成，电磁感应加热器(3)的频率为1000Hz-100000Hz。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池用高纯多晶硅的制备装置，其特征在于，坩埚(6)上部设置有等离子枪(1)。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能电池用高纯多晶硅的制备装置，其特征在于，定向凝固坩埚(7)上部设置有等离子枪(19)。
4.使用权利要求1所述的一种太阳能电池用高纯多晶硅的制备装置制备太阳能电池用高纯多晶硅的方法，其特征在于，电磁感应加热器(3)中通入高、中频电流，当坩埚(6)中硅的温度达到1450-1600℃时，固体硅熔化，保温30-60分钟，扳动机械手将熔融硅浇注到定向凝固坩埚(7)内，利用保温炉(8)保持液体硅的温度为1450-1600℃；而后，开动拉坯系统(12)，带动定向凝固冷却底模(11)以1-10mm/min的速度向下移动，实现定向凝固，去除硅中的金属杂质；将定向凝固的铸坯放入二次提纯装置的精炼坩埚(16)内，利用二次提纯加热炉(15)熔化至1450-1600℃时、保温，开通精炼等离子枪(13)和氧化气体喷嘴(14)，氧化精炼20-30分钟；开启精炼气体喷嘴(18)，从精炼坩埚(16)的底部吹惰性气体氩进行气体精炼，气体流量为50-150L/h。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能电池用高纯多晶硅的制备方法其特征在于，电磁感应加热器(3)中通入高、中频电流，开启等离子枪(1)，使固体硅熔化，当坩埚(6)中硅的温度达到1450-1600℃时，扳动机械手将熔融硅浇注到定向凝固坩埚(7)内，利用保温炉(8)和等离子枪(19)保持液体硅的温度；而后，开动拉坯系统(12)，带动定向凝固冷却底模(11)向下移动，实现定向凝固，去除硅中的金属杂质；将定向凝固的铸坯放入二次提纯装置的精炼坩埚(16)内，利用二次提纯加热炉(15)熔化、保温，开通精炼等离子枪(13)和氧化气体喷嘴(14)，氧化精炼20-30分钟；开启精炼气体喷嘴(18)，从精炼坩埚(16)的底部吹惰性气体氩进行气体精炼。
全文摘要
一种太阳能电池用高纯多晶硅的制备方法和装置属于半导体材料制备技术领域。本发明把真空电磁感应熔炼、等离子体氧化除杂和定向凝固结合起来，制备太阳能电池用高纯硅锭。根据电磁感应原理，在材料外侧施加交变电磁场时，Q＝J
文档编号C30B28/06GK1873062SQ20061004652
公开日2006年12月6日 申请日期2006年5月6日 优先权日2006年5月6日
发明者李廷举 申请人:大连理工大学