一种晶体硅定向凝固生长设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种晶体硅定向凝固生长设备，包括融化炉室，融化炉室上端设有进料口，进料口处设有进料阀门，进料阀门的下端且位于融化炉室内设有熔料坩埚，熔料坩埚四周设有加热器一，位于熔料坩埚中部下端设有硅液流动口，硅液流动口区域设有硅液流量控制阀或硅液流量控制杆，硅液流动口下端设有硅液喷洒器，硅液喷洒器下方设有硅锭定向凝固系统，定向凝固系统包括控制温度梯度加热器、设置在加热器下方的硅锭支撑托盘以及用以约束液态硅的电磁感应器。本实用新型的有益效果为：本装置使得硅料融化和晶体生长同时进行，极大降低了能耗，并降低了生产成本，具有极高的晶体生长速率，有效的提高了生产效率，有利于市场的推广与应用。
【专利说明】一种晶体硅定向凝固生长设备
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及太阳能光伏多晶铸锭领域，特别涉及一种晶体硅定向凝固生长设备。
【背景技术】
[0002]人类社会进入工业文明以来，对于能源的需求日益增长，随着技术进步以及人口增长，人类能源需求成指数级增长；在过去200年左右的工业化社会的发展过程中，人类的能源主要来自于石油、煤炭以及天然气等不可再生的化石能源。近年来，化石能源的弊端逐步显示出来，化石能源资源的有限性导致化石能源的储量在未来几十年即将被人类耗尽，另外，化石能源的大规模使用也对人类环境造成了难以逆转的负面影响。
[0003]在当前世界的能源背景下，人类开始开发和利用可替代的能源，因此太阳能、风能等新兴可再生能源成为人类关注的焦点。太阳能光伏发电，其能源的可持续性以及对环境的友好性等优点突出，在本世纪近十几年来迅猛发展，发电成本逐渐接近传统化石能源所产生的电力，并且在可见的未来能够进一步降低成本，在能源领域获得比传统能源更有竞争力的地位。
[0004]目前太阳能光伏发电主要使用晶体硅太阳能电池组件将太阳光转为电能，晶体硅太阳能电池按衬底有多晶硅和单晶硅两种，其中多晶硅使用基于定向凝固技术的铸锭多晶硅晶体生长技术，单晶硅主要包括直拉单晶硅和区熔单晶技术；铸锭多晶具有低成本、高生产效率的优点，但由于位错等缺陷的存在，晶体质量低于单晶；单晶的主要特点是晶体质量好，但是生产成本高、生产效率低不利于规模生产。
[0005]针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的是提供一种晶体硅定向凝固生长设备，可用于晶体硅定向凝固生长、硅材料定向凝固提纯，以及单晶硅的定向凝固生长。本实用新型能够实现高质量、高生产效率、低成本的硅晶体生长，有助于太阳能行业对于低成本和高质量并重的追求，有效克服了目前现有技术存在的上述不足。
[0007]本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现:
[0008]一种晶体硅定向凝固生长设备，包括融化炉室，所述融化炉室上端设有进料口，所述进料口处设有相匹配的进料阀门，所述进料阀门的下端且位于所述融化炉室内设有熔料坩祸，所述熔料坩祸四周设有加热器一，并且位于所述熔料坩祸的中部下端设有硅液流动口，所述硅液流动口区域设有相匹配的硅液流量控制阀或硅液流量控制杆，并且所述硅液流动口下端设有硅液喷洒器，所述硅液喷洒器下方设有相匹配的硅锭定向凝固系统；所述硅锭定向凝固系统包括设置于所述硅液流动口与硅液喷洒器之间的加热器二，并且所述硅液喷洒器下端设有硅锭支撑托盘，所述硅锭支撑托盘四周有环绕有电磁感应器；并且所述电磁感应器的电磁力将设置在所述硅锭支撑托盘内的硅料约束在电磁力的有效范围内。
[0009]进一步的，所述融化炉室内侧设有相匹配的保温毡一。
[0010]进一步的，所述熔料坩祸四周设有相匹配的石墨护板。
[0011]进一步的，所述硅液流动口的下端且位于保温毡一的内侧设有相匹配的陶瓷护板。
[0012]进一步的，所述硅锭支撑托盘内设有液态硅，并且所述硅锭支撑托盘外设有相匹配的保温毡二，所述电磁感应器设置于所述保温毡二的上端和液态硅四周。
[0013]进一步的，所述硅锭支撑托盘上端设有高度护板。
[0014]进一步的，所述高度护板由陶瓷材料制成。
[0015]优选的，所述电磁感应器为类圆形或者类方形结构，并且所述电磁感应器的边长尺寸为10-60cm，工作频率在1-1OMKHz范围内，工作电流在500-30000A以内，电压在1-1000V 以内。
[0016]一种晶体硅定向凝固生长技术，包括:将硅料通过进料口进入到所述融化炉室内部，在熔料坩祸中融化，并且定时向所述熔料坩祸内补充适量的固态硅料；
[0017]经过融化后的硅液通过硅液流动口和硅液喷洒器以一定速率并以360度角度流入到下方的硅锭定向凝固系统进行凝固、长晶过程；
[0018]其中，在凝固和长晶过程中，由于所述硅锭支撑托盘四周有环绕有电磁感应器，所述电磁感应器的电磁力将设置在所述硅锭支撑托盘内的硅料约束在电磁力的有效范围内；熔硅在凝固过程中自下而上定向凝固，同时，所述硅锭支撑托盘以一定的速率下拉，以确保晶硅生长时固液界面维持在稳定的高度；
[0019]当晶体生长的重量达到设定重量后，停止加入硅料，继续底部硅锭的生长，直至结束；
[0020]最后，缓慢冷却硅锭，并取出。
[0021]进一步的，在硅液流动过程中，可通硅液流量控制杆或硅液流量控制阀控制液态娃的流量；
[0022]进一步的，在融化硅料过程中，所述加热器二维持系统预设的特定温度，以确保定向凝固所需的温度梯度。
[0023]本实用新型的有益效果为:本装置结构简单，容易制造，并且通过本装置和技术，使得硅料融化和晶体生长同时进行，极大的降低了能耗，并降低了生产成本，另外使用本技术，具有极高的晶体生长速率，有效的提高了生产效率，有利于市场的推广与应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1是根据本实用新型实施例1所述的一种晶体硅定向凝固生长设备的结构示意图；
[0026]图2是根据本实用新型实施例2和实施例3所述的一种晶体硅定向凝固生长设备的结构示意图。
[0027]图中:
[0028]1、融化炉室；2、保温毡一 ；3、加热器一 ；4、石墨护板；5、进料阀门；6、熔料坩祸；7、硅液流量控制杆；8、硅液流量控制阀；9、硅液流动口 ； 10、陶瓷护板；11、加热器二 ；12、硅液喷洒器；13、液态硅；14、固态硅；15、电磁感应器；16、硅锭支撑托盘；17、保温毡二 ；18、进料口 ； 19、高度护板。
【具体实施方式】
[0029]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0030]如图1所示，根据本实用新型实施例的一种晶体硅定向凝固生长设备，包括融化炉室1，所述融化炉室I上端设有进料口 18，所述进料口 18处设有相匹配的进料阀门5，所述进料阀门5的下端且位于所述融化炉室I内设有熔料坩祸6，所述熔料坩祸6的四周设有加热器一 3，并且位于所述熔料坩祸6的中部下端设有硅液流动口 9，所述硅液流动口 9区域设有相匹配的娃液流量控制阀8或娃液流量控制杆7，并且所述娃液流动口 9下端设有娃液喷洒器12，所述硅液喷洒器12下方设有相匹配的硅锭定向凝固系统。
[0031]所述硅锭定向凝固系统包括设置于所述硅液流动口 9与硅液喷洒器12之间的加热器二 11，并且所述硅液喷洒器12下端设有硅锭支撑托盘16，所述硅锭支撑托盘16四周有环绕有电磁感应器15 ;所述加热器二 11可以用于控制晶体硅定向凝固过程中的热场温度以及温度梯度，所述硅料支撑托盘16的四周有环绕的电磁感应器15，所述电磁感应器15产生约束电磁场，将硅锭支撑托盘16上方的液态硅约束在固定的范围内。
[0032]所述融化炉室I内侧设有相匹配的保温毡一 2 ;所述保温毡一 2可以有效的保证融化炉室I内的温度，有利于对固定晶料的融化，提高了融化效率。
[0033]所述熔料坩祸6四周设有相匹配的石墨护板4 ;由于石墨导热和耐高温的特点，有助于高温下保护熔料坩祸6，有效的延长了装置的使用寿命。
[0034]所述硅液流动口 9的下端且位于保温毡一 2的内侧设有相匹配的陶瓷护板10 ;所述陶瓷护板10可以有效的避免保温毡碎肩脱落进入硅液，提高了整个装置使用的稳定性和可靠性。
[0035]所述硅锭支撑托盘16内设有液态硅13，并且所述硅锭支撑托盘16外设有相匹配的保温毡二 17，所述电磁感应器15设置于所述保温毡二 17的上端和液态硅13四周；所述硅锭支撑托盘16上端设有高度护板19 ;所述高度护板19由陶瓷材料制成，所述高度护板19和电磁感应器15可以有效的限定设置于所述硅锭支撑托盘16上的硅料的高度，有效的防止因硅料较多而溢流的现象。
[0036]所述电磁感应器15为类圆形或者类方形结构，并且所述电磁感应器15的边长尺寸为10-60cm，工作频率在1-1OMKHz范围内，工作电流在500-30000A以内，电压在1-1000V内。
[0037]一种晶体硅定向凝固生长技术，包括:将硅料通过进料口 18进入到所述融化炉室I内部，在熔料坩祸6中融化，并且定期向所述熔料坩祸6内补充适量的固态硅料，同时，经过融化后的硅液通过硅液流动口 9和硅液喷洒器12流入到下方的硅锭定向凝固系统进行凝固、长晶过程；
[0038]其中，在凝固和长晶过程中，由于所述硅锭支撑托盘16四周有环绕有电磁感应器15，所述电磁感应器15的电磁力将设置在所述娃锭支撑托盘16内的娃料约束在电磁力的有效范围内；
[0039]所述娃液在娃锭支撑盘16上被电磁感应器15产生的电磁力约束在一定范围内，液体硅液的凝固过程是自下而上定向凝固，同时将硅锭支撑盘16下拉，以确保晶硅生长时固液界面维持在稳定的高度；
[0040]其中，所述硅锭支撑托盘16的基座可以使用石墨材质制成，也可部分选用或全部选用碳化硅或者氮化硅等陶瓷材料，同时氮化硅涂层也可用于硅和石墨之间的脱模涂层材料；硅液流到硅锭支撑托盘16上后，以硅锭支撑托盘16的石墨为辐射源向炉体辐射放热，从而硅液柱在硅锭支撑托盘16上发生自下而上的定向凝固过程；
[0041]在定向凝固过程中，调节石墨硅锭支撑托盘16的下拉速度，维持硅锭长晶固液界面高度保持恒定，同时也控制融化炉室I硅液下流的速率，以保持硅自由液面高度恒定；
[0042]在融化硅料过程中，所述加热器二 11维持系统所预设的特定温度，以确保定向凝固所需的温度梯度。
[0043]在单晶生长工艺中，可以在石墨硅锭支撑托盘16上安放单晶硅籽晶以及硅料，开启上方加热器融化硅料和部分籽晶，然后控制融化炉室I液态硅流入，当液柱达到指定高度后，开始长晶工艺，长晶过程中维持硅锭固液界面高度以及硅液自由界面高度稳定。
[0044]在一定量的硅料总量完成上述长晶过程后，结束固态以及液态硅料的加料，继续晶体生长过程直至工艺结束。
[0045]所述硅锭支撑托盘16下部和四周可设置保温毡，以用于特定的工艺，并在特定的工艺条件下打开，开始晶体的定向凝固工艺。
[0046]其中，在硅液流动过程中，可通硅液流量控制杆7控制液态硅的流量；
[0047]当晶体生长的重量达到设定重量后，停止加入硅料，继续底部硅锭的生长，直至结束；
[0048]最后，缓慢冷却娃锭，并取出。
[0049]使用本实用新型的定向凝固技术，由于硅料融化和晶体生长同时进行，极大的降低了能耗；同时本技术可使用小坩祸，降低了坩祸成本，本技术具有极高的晶体生长速率，因此生产效率很高；在40cm边长的娃锭的情况下，每天可生长100Kg以上重量的娃锭。
[0050]如使用本技术生长单晶硅，不但能耗和成本和直拉单晶或者区熔多晶相比能够大大降低，而且也能进一步提高质量，具有氧含量低，缺陷密度低等优点。
[0051]为了更清楚的了解本实用新型的技术方案， 申请人:例举以下实施例:
[0052]实施例1
[0053]在图1中，将融化炉室I中熔料坩祸7中的约50_80Kg硅料加热融化，硅料部分融化后，通过硅液流动口 9流入下部定向凝固系统的硅锭支撑托盘16上，硅液流动过程中保持融化炉室中的温度和融化状态。
[0054]晶体定向凝固生长过程中，所述融化炉室I可以通过进料阀门5补充加入一定量的硅料，以满足有足够的硅料连续融化并流入下部定向凝固长晶系统。
[0055]经过硅液流动口 9的硅液通过所述硅液喷洒器12流向硅锭支撑托盘16，所述硅液喷洒器12具有360度的喷洒口向下喷洒娃液。
[0056]喷洒到娃锭支撑托盘16上的娃液被电磁感应器15产生的电磁力限定在特定的范围内，硅液液柱尺寸约为40*40cm的类方形截面，如图所示，设置于所述硅锭支撑托盘16上的液态硅13，所述液态硅13的液柱高度在5-20cm之间的某一特定值，电磁感应器15的尺寸略大于硅液柱，并且所述电磁感应器15高度和液态硅13液柱高度一致。
[0057]当液柱高度达到既定高度后，打开保温毡二 17，开始长晶过程，在长晶过程中加热器二 11维持1425度的温度，以确保定向凝固所需的硅液温度梯度。
[0058]硅液在硅锭支撑托盘16盘上自下而上定向凝固，定向凝固的的速率在8_12cm/h，定向凝固过程中，所述硅锭支撑托盘16向下拉，其拉速保证固液界面的高度不变，同时对从融化炉室I流入的硅液流速进行控制，确保硅液液面和液柱高度稳定。
[0059]晶体稳定生长过程中，所述硅液流动口 9由硅液流量控制杆7或硅液流量控制阀8控制流量大约在20-50Kg/h，流速正好维持硅液上液面高度稳定，在工艺过程中，融化炉室I以接近或高于20-50Kg/h的速率融化硅料。
[0060]本实施例中，所有硅液柱中的液态硅13全部由电磁感应器15产生的电磁力约束在特定范围内。
[0061]当晶体生长的重量达到设定重量后，停止加入固态和液态硅料，继续底部硅锭的生长，直至结束，此时只需维持固液界面高度不变，无需维持顶部液面高度，所述加热器二11的温度逐步降低到1415度。
[0062]最后，缓慢冷却硅锭，并取出。
[0063]实施例2
[0064]在图2中，将所述融化炉室I中熔料坩祸7中的约50_80Kg硅料加热融化，硅料部分融化后，通过硅液流动口 9流入下部定向凝固系统的硅锭支撑托盘16上。
[0065]晶体定向凝固生长过程中，融化炉室可以通过进料阀门5补充加入一定量的硅料，以满足硅液连续的融化和液态硅流入下部定向凝固长晶系统。
[0066]经过硅液流动口 9的硅液通过硅液喷洒器12流向硅锭支撑托盘16，硅液喷洒器12具有360度的喷洒口向下喷洒硅液。
[0067]喷洒到娃锭支撑托盘16盘上的娃液被电磁感应器15产生的电磁力限定在特定的范围内，硅液液柱尺寸约为40*40cm的类方形截面，液态硅13液柱高度在5-20cm之间的某一特定值，液柱的上部由陶瓷材料制成的一定高度护板19约束在一定空间内，液柱的下方大约一定高的(0.5-5cm)的液柱由电磁感应产生的电磁力约束在一定范围内，所述电磁感应器15的尺寸略大于娃液柱。
[0068]当液柱高度达到既定高度后，打开保温毡二 17，开始长晶过程，在长晶过程中加热器二 11维持1425度的温度，以确保定向凝固所需的硅液温度梯度。
[0069]硅液在硅锭支撑托盘16盘上自下而上定向凝固，定向凝固的的速率在8_12cm/h，定向凝固过程中，硅锭支撑托盘16向下拉，其拉速保证固液界面的高度不变。同时对从融化炉室I流入的硅液流速进行控制，确保硅液液面和液柱高度稳定。
[0070]晶体稳定生长过程中，硅液流动口 9由硅液流量控制杆7或硅液流量控制阀8控制流量大约在20-50Kg/h，流速正好维持硅液上液面高度稳定，在工艺过程中，融化炉室I以接近或高于20-50Kg/h的速率融化硅料。
[0071]本实施例中，存在部分娃液柱中的液态娃13全部由电磁感应器15产生的电磁力约束在特定范围内，另有液柱上半部分的液态硅13由氮化硅等陶瓷材料构成的高度护板19约束在特定空间内。
[0072]当晶体生长的重量达到设定重量后，停止加入固态和液态硅料，继续硅锭的生长，直至结束。此时只需维持固液界面高度不变，无需维持顶部液面高度，加热器二 11的温度逐步降低到1415度。
[0073]最后，缓慢冷却硅锭，并取出。
[0074]实施例3
[0075]在图2中，在硅锭支撑托盘16上放置截面尺寸为40cm*40cm，厚度为l_2cm的单晶硅籽晶，籽晶上部方少许硅料(5-20Kg左右)，均匀铺在籽晶上表面。
[0076]开启加热器二 11，加热放在硅锭支撑托盘16上的硅料以及单晶籽晶，待硅料温度接近熔点时，开启电磁感应器15，确保融化的一定高度的硅液被电磁力约束在特定空间内，同时继续加热从上到下融化硅锭支撑托盘16上的硅料以及部分单晶籽晶；在融化过程中，将融化炉室I中熔料坩祸7中的约50-80Kg硅料加热融化，硅料部分融化后，通过硅液流动口 9流入下部定向凝固系统的硅锭支撑托盘16的已融化硅液上。熔料坩祸7可以通过进料阀门5补充固态硅料。
[0077]当单晶籽晶部分融化(0.1-0.5cm)后控制加热器二 11的温度，保持固液界面恒定，同时继续通过硅液流动口 9流入下部定向凝固系统的硅锭支撑托盘16的已融化硅液上。
[0078]待硅锭支撑托盘16的硅液液柱达到设定高度5-20cm之间的特定值后，关闭硅液流动口 9。
[0079]打开保温毡二 17开始定向凝固长晶，长晶过程中开启硅液流动口，控制硅液流动，确保硅液液面保持稳定的高度。
[0080]长晶过程中硅锭支撑托盘16向下拉动，拉动速率等于晶体生长速率，即保持固液界面高度不变。
[0081]长晶过程中加热器二 11的温度在20min内降低到1425度，以维持液态硅13恒定的温度梯度。
[0082]晶体稳定生长过程中，硅液流动口 9由硅液流量控制杆7或硅液流量控制阀8控制流量大约在20-50Kg/h，流速正好维持硅液上液面高度稳定，在工艺过程中，融化炉室I以接近或高于50Kg/h的速率融化硅料。
[0083]本实施例中，部分娃液柱中的液态娃13由电磁感应器15产生的电磁力约束在特定范围内，另有液柱上半部分的液态硅13由氮化硅等陶瓷材料约束在特定空间内。
[0084]当晶体生长的重量达到设定重量后，停止加入固态和液态硅料，继续单晶硅锭的生长，直至结束。此时只需维持固液界面高度不变，无需维持顶部液面高度，加热器二 11的温度逐步降低到1415度。
[0085]最后，缓慢冷却硅锭，并取出。
[0086]本装置结构简单，容易制造，并且通过本装置和技术，使得硅料融化和晶体生长同时进行，极大的降低了能耗，并降低了生产成本，另外使用本技术，具有极高的晶体生长速率，有效的提高了生产效率，有利于市场的推广与应用。
[0087]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种晶体硅定向凝固生长设备，包括融化炉室(1),其特征在于，所述融化炉室(1)上端设有进料0(18),所述进料口( 18 )处设有相匹配的进料阀门(5 )，所述进料阀门(5 )的下端且位于所述融化炉室(1)内设有熔料坩祸(6),所述熔料坩祸(6)四周设有加热器一(3),并且位于所述熔料坩祸(6)的中部下端设有硅液流动口(9),所述硅液流动口(9)区域设有相匹配的硅液流量控制阀(8)或硅液流量控制杆(7),并且所述硅液流动口(9)下端设有硅液喷洒器(12),所述硅液喷洒器(12)下方设有相匹配的硅锭定向凝固系统；所述硅锭定向凝固系统包括设置于所述硅液流动口(9)与硅液喷洒器(12)之间的加热器二( 11),并且所述硅液喷洒器(12)下端设有硅锭支撑托盘(16),所述硅锭支撑托盘(16)四周有环绕有电磁感应器(15),并且所述电磁感应器(15)的电磁力将设置在所述硅锭支撑托盘(16)内的硅料约束在电磁力的有效范围内。
2.根据权利要求1所述的晶体硅定向凝固生长设备，其特征在于，所述融化炉室(1)内侧设有相匹配的保温毡一 0。
3.根据权利要求2所述的晶体硅定向凝固生长设备，其特征在于，所述熔料坩祸(6)四周设有相匹配的石墨护板“)。
4.根据权利要求3所述的晶体硅定向凝固生长设备，其特征在于，所述硅液流动口(9)的下端且位于保温毡一(2)的内侧设有相匹配的陶瓷护板(1(0。
5.根据权利要求1所述的晶体硅定向凝固生长设备，其特征在于，所述硅锭支撑托盘(16)内设有液态硅(13),并且所述硅锭支撑托盘(16)外设有相匹配的保温毡二(17),所述电磁感应器(15)设置于所述保温毡二( 17)的上端和液态硅(13)四周。
6.根据权利要求5所述的晶体硅定向凝固生长设备，其特征在于，所述硅锭支撑托盘(16)上端设有高度护板(19),并且所述高度护板(19)由陶瓷材料制成。
7.根据权利要求5所述的晶体硅定向凝固生长设备，其特征在于，所述电磁感应器(15)为类圆形或类方形结构，并且所述电磁感应器的边长尺寸为10-60^，工作频率在1-1011(?范围内，工作电流在500-30000八以内，工作电压在1-100(^以内。
【文档编号】C30B29/06GK204237890SQ201420698732
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】李剑 申请人:李剑