N型多晶硅铸锭装置及铸锭方法与流程

本发明提供一种太阳能晶锭的铸锭装置及方法，特别是指一种具有二次投料设备的N型多晶硅铸锭装置及铸锭方法。

背景技术：

随着替代性能源使用量的增长，太阳能因建构成本相对较低，与快速回本等优势，进而成为极具成本优势的替代能源；在众多太阳能电池材料中，硅基太阳能电池，因其具有光电转换效率高，技术发展成熟等优势，成为目前太阳能电池制作广泛使用的材料。

硅晶铸锭的制作，是将高纯度的硅原料，通过耐高温坩埚熔融，调控制备条件，进行硅晶铸锭程序，藉以生产具有良好材料应力与光电转换率的太阳能电池材料。

在多晶硅铸锭上，所面临的考验在于如何增加晶锭利用率，降低生产成本，同时减低偏析、调控晶锭内电阻值分布范围，进而提升光电转换效率。目前广泛使用的多晶硅铸锭方法，是以加入掺杂剂方式进行制备，在硅原料中加入IIIA族元素，例如：硼、镓等元素，来制备P型多晶硅；或是加入VA族元素，例如：磷、砷等元素，来制备N型多晶硅。然而，在N型多晶硅铸锭过程中，VA族掺杂剂因为偏析系数小，造成该元素在晶锭内分布不均，导致电阻值分布范围过大，影响晶锭的利用率。在过往的硅料添加程序中，一方面无法及时调控掺杂剂比例，达到缩小电阻值分布范围的目的，影响光电转换率；另一方面，直接固态投料会造成硅料与铸锭炉硅液间的温度差异过大，从而产生材料应力及热场效应，进而使结晶缺陷增加，减低了多晶锭的可利用率，同时增加了生产成本与时间成本。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种N型多晶硅铸锭装置及铸锭方法，利用本发明可以降低晶锭中掺杂剂所造成的应力、解决热场效应等相关影响。

本发明提出的N型多晶硅铸锭装置，包括：铸锭炉，所述铸锭炉内设有坩埚，所述铸锭炉顶端设有储料仓，其用于存放硅料，所述储料仓与所述坩埚连接有输料管，所述储料仓的硅料投料由出料阀控制，所述铸锭炉的顶端设置有高功率激光单元，所述高功率激光单元设置有激光源，所述激光源用于对自储料仓投入坩锅的硅料进行辐射扫描；所述储料仓的外部分别设有真空抽气阀与惰性气体进气阀，所述储料仓还设有加热单元，其用于对储料仓的硅料进行预加热。

所述坩埚为氮化硅坩埚或石英坩埚。

所述储料仓的顶部还设有加料口，其用于可随时补充硅料，以进行连续性投料。

所述高功率激光单元的激光源可周期性地移动扫描。

所述铸锭炉有观察窗，所述高功率激光单元的激光源是通过所述观察窗辐射扫描。

本发明还提供了一种利用本发明装置的铸锭方法，包括以下步骤：(1)在铸锭炉的坩埚内填入多晶硅料以及磷掺杂剂；(2)对坩埚内的多晶硅料进行加热熔化；(3)对储料仓多晶硅料进行预热，同时对储料仓进行真空抽气，并通入惰性气体；(4)当坩埚的N型多晶硅晶体生长至坩埚约1/2高度时，暂停长晶程序；(5)当储料仓的多晶硅料进行预热至一定温度时，开启出料阀，将所述储料仓内的硅料，通过输料管投料至所述铸锭炉的坩埚内；(6)通过高功率激光，以辐射扫描方式对投入的固态硅料进行加热熔融，以调整N型多晶硅晶锭中的掺杂剂浓度；(7)启动所述铸锭炉设备内的加热器，使铸锭炉的坩埚温度回升到投料前的温度，继续N型多晶硅晶锭的长晶程序。

重复(5)-(7)的步骤，分批多次将所述储料仓内的硅料投料至所述铸锭炉的坩埚中。

利用本发明的铸锭装置与铸锭方法，所产生的效益在于：对N型多晶硅铸锭程序进行改进，在原有装置上增加了二次投料设备，利用硅料固、液相密度不同的物理特性，密度较小的固态硅料漂浮于密度大的硅液上，通过高功率激光熔融程序，熔化漂浮于硅液表面的硅料，使硅料以熔融态与铸锭炉坩埚中的硅液混合后，进行铸锭程序；分批投料以及激光熔融硅料的步骤，可避免快速投料时，固态硅料与硅液间温度差造成的热场效应，减少N型多晶硅锭应力，同时增加坩埚填料量，提升多晶锭单次生产量；另一方面，通过连续投料，控制投料的速度与时程，均匀调控掺杂剂分布，降低掺杂元素偏析。

附图说明

图1为本发明N型多晶硅铸锭装置结构示意图；

图2为本发明N型多晶硅铸锭装置的储料仓示意图；

图3为本发明N型多晶硅铸锭装置的储料仓、高功率激光单元以及铸锭炉构件示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种N型多晶硅铸锭装置及铸锭方法，为充分说明本发明的发明理念，以下配合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

请参阅图1及图2，本发明N型多晶硅铸锭装置，包括：铸锭炉1，铸锭炉1内设有坩埚2，坩埚2可为氮化硅坩埚、石英坩锅或其他材质的坩埚，铸锭炉1顶端设有储料仓3，其用于放置硅料，储料仓3顶部设有加料口9，外部设有加热单元12，仓体外部上下两侧分别设有真空抽气阀10与惰性气体进气阀11，储料仓3与坩埚2连接有输料管4，输料管4设有出料阀5，储料仓3于硅料投料时可以由出料阀5进行控制，铸锭炉1顶端设置有高功率激光单元6。

请继续参阅图3，于铸锭炉1顶部设置的高功率激光单元6的激光源7通过铸锭炉观察窗8以辐射扫描方式对投入的硅料进行加热熔融，熔化投入坩埚2内因固、液相硅料间密度差而漂浮的固相硅料，使固相硅料以熔融态与坩埚2内的硅液混合。为了进一步使辐射扫描的范围能够扩大，高功率激光6的激光源7设置成可周期性地移动扫描，以确保投入的固相硅料皆能接收到激光光源进行加热熔融。

以下以实施例具体说明利用本发明N型多晶硅铸锭装置进行N型多晶硅铸锭的方法及其步骤：(1)在铸锭炉1的坩埚2内填入一定重量(约400kg)的多晶硅料以及磷掺杂剂，磷掺杂剂含量调控在一定范围内(约0.16ppma)或可依实际铸锭的需要调控在其他特定的含量；(2)启动铸锭炉1内的加热器(未图示)，熔化铸锭炉1的坩埚2内的硅料，进行N型多晶硅铸锭程序，并将晶体生长速度调控在一定速度(约1.2cm/h)以内；(3)启动储料仓3内的加热单元12，对储料仓3内的硅料进行预热程序，将储料仓3内的硅料逐步加热至约1200℃，同时通过真空抽气阀10对储料仓3进行真空抽气，并通过惰性气体进气阀11通入惰性气体(例如：氩气)以排除氧气；(4)当铸锭炉1内的N型多晶硅晶体生长至坩埚2的约1/2高度时(约为17-18cm)，暂停长晶程序，开启出料阀5进行二次投料程序，将储料仓3内已预热至约1200℃的硅料通过输料管4投料至铸锭炉1内的坩埚2内，此时因投入坩埚2内的固态硅料的密度(2.33g/cm³)低于坩埚2内液态硅料的密度(2.57g/cm³)，所以固态硅料会漂浮于硅液表面；(5)完成硅料投料过程中，利用固态硅料漂浮于硅液表面的特性通过高功率激光单元6，波长为0.7-1.0μm，通过铸锭炉1的观察窗8，以辐射扫描对投入的漂浮硅料进行熔融程序，将固态硅料熔化，使其与铸锭炉坩埚2内的硅液混合，藉以调整N型多晶硅晶锭中的掺杂剂浓度；(6)完成投料后，关闭出料阀5，停止激光扫描熔化硅料程序，并启动铸锭炉1内的加热器，等待铸锭炉1内坩埚2温度回升到投料前的温度，继续多晶硅锭的长晶程序，此时长晶速度亦调控在约1.2cm/h以内；(7)必要时可以重复(4)-(6)的步骤，分批多次将储料仓3的硅料投料至铸锭炉1内的坩埚2当中，同时进行激光辐射扫描熔化硅料程序，直到达到多晶硅锭一定的高度(约35cm)为止；(8)多晶硅锭完成铸锭的后，进行退火以及冷却程序，等到温度降低至室温后，将多晶锭取出脱模，即完成N型多晶硅铸锭程序。

综合上述，本发明所提出的N型多晶硅铸锭装置，在原有铸锭炉设备上增加了二次投料装置，利用固态硅料漂浮于硅液上的物理特性，通过激光加热程序熔化投入的硅料，使硅料以熔融态与铸锭炉1坩埚2中的硅液混合后，进行铸锭程序，同时可以通过分批投料以及激光加热熔化的步骤，避免投入的硅料与硅液间温度差造成的热场效应，降低多晶硅应力，增加晶锭利用率，降低生产成本；同时通过连续投料，控制投料的速度与时程，可均匀调控掺杂剂分布，减少掺杂元素偏析。

以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本发明技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本发明技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修改为其它等效的实施例，但仍应视为与本发明实质相同的技术或实施例。