晶锭铸造炉的原料容置装置及铸造晶锭方法
【专利摘要】一种铸造晶锭的方法，包含：将固态硅原料置于一原料容置装置底部，该原料容置装置包括一容器与一石墨内层，该石墨内层沿着该容器的环壁面与内底面铺设，且固态硅原料是堆叠于内底面上的石墨内层之上。加热该容器，以将硅原料熔化成液态；由下而上冷却该容器，直到所有的硅原料凝固结晶为止，凝固后的硅原料形成一晶锭。由此，该石墨内层可有效地阻隔容器的杂质回扩到晶锭中。
【专利说明】
晶锭铸造炉的原料容置装置及铸造晶锭方法
技术领域
[0001]本发明是与晶锭铸造有关;特别是指一种晶锭铸造炉的原料容置装置及铸造晶锭的方法。
【背景技术】
[0002]太阳能是最干净且取的不尽的能源，为满足日益增加的太阳能电池使用需求，以及降低太阳能电池的制作成本，目前制作太阳能电池所使用的芯片多是取自于以可大量生产的定向凝固法所制作的晶锭。定向凝固法是将硅原料置于坩祸中，再对坩祸加热，使硅原料熔化。接着再控制冷却时的温度梯度，使熔化的硅原料由坩祸内底部位置处开始向上凝固结晶，凝固后的硅原料形成晶锭。尔后，将晶锭自坩祸脱膜后，复对晶锭切片，即可获取用于太阳能电池使用的芯片。
[0003]现有的技术为了便于脱膜，通常会在坩祸的内壁面上制作阻隔层，以避免坩祸的杂质回扩到熔化的硅原料中，以减少晶锭侧边的红区，前述的红区即晶锭载子寿命(lifetime)相对较低区域。其中载子寿命为定义为在一半导体中少数载流子在产生和复合之间的平均时间间隔。如中国大陆专利号CN103469303，其是在坩祸内的侧壁及内底面以喷涂或刷涂的方式设置碳涂层，再加以烧结形成烧结碳层。又如中国大陆专利号CN202913087U，其是在坩祸内的侧壁及内底面设置氮化硅制成的中间层，再以喷涂、滚涂或刷涂的方式于中间层上设置高纯石英砂，再加以烧结形成复合层。
[0004]前述的专利虽然具有降低红区的效果，然，以涂布的方式设置阻隔层，容易有涂布不均的情形产生，例如，局部的阻隔层过薄而无法发挥阻隔坩祸杂质的效果，或者若阻隔层堆叠不够致密、阻隔层键结力不佳，将容易在搬运、置入硅原料的过程中造成阻隔层脱落，使阻挡杂质扩散的效果减少。此外，如阻隔层的碳含量过高易导致内部杂质析出使良品率降低，或如阻隔层的组成颗粒过大容易与硅原料的材质的晶格、热膨胀系数不匹配导致晶锭产生裂锭的情形。再者，前述专利的阻隔层是附着于坩祸内的侧壁面及内底面上，随着脱膜次数的增加，阻隔层容易因磨损而厚度减少，甚至发生阻隔层剥离的情形，如此，同样无法发挥阻隔杂质的效果。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的用于提供一种晶锭铸造炉的原料容置装置及铸造晶锭的方法，可有效阻隔坩祸的杂质回扩到晶锭中。
[0006]缘以达成上述目的，本发明所提供晶锭铸造炉的原料容置装置，包含一容器与一石墨内层。其中，该容器内部包括有一环壁面与一内底面，该环壁面与该内底面围设形成顶部具有一开口的容置槽;该石墨内层是以包含石墨材料沿着该容器的该环壁面与该内底面铺设而成者。
[0007]本发明所提供的铸造晶锭的方法，包含有下列步骤:A、将一石墨内层铺设于一容器的一环壁面与一内底面上;B、将固态的硅原料放入该容器中，使其等位于该容器内底面上的石墨内层上方;C、加热该容器，以将硅原料熔化成液态;D、自下而上冷却该容器，以使熔化后的硅原料由下往上凝固结晶，直到所有的硅原料亦凝固结晶为止，凝固后的硅原料形成一晶锭。
[0008]本发明的效果在于，利用石墨内层作为阻隔层，可有效改善现有的阻隔层涂布不均的缺点，以及阻隔层磨损的情形。再者，由于石墨的熔点高于硅，因此于高温环境中能稳定保有原有的结构，使坩祸的杂质不易杂质至熔化的硅原料中。
【附图说明】
[0009]为能更清楚地说明本发明，以下结合较佳实施例并配合附图详细说明如后，其中:
[0010]图1是本发明第一较佳实施例晶锭铸造炉的原料容置装置示意图。
[0011 ]图2是本发明第一较佳实施例的原料容置装置俯视示意图。
[0012]图3是图2的局部放大图。
[0013]图4是一示意图，揭示压板压贴石墨纸。
[0014]图5是一示意图，揭示原料容置装置与加热装置。
[0015]图6是以本发明铸造晶锭的方法制作的晶锭半成品示意图。
[0016]图7是使用本发明铸造晶锭的方法所铸造的晶锭其中一侧边的载子寿命对应(lifetime mapping)图。
[0017]图8是一对照组晶锭的载子寿命对应图。
[0018]图9是本发明的晶锭与对照组晶锭的其中二个侧壁交接处的底部切割成芯片后的Fe-B Linescan曲线。
[0019]图10是本发明的晶锭与对照组晶锭的其中二个侧壁交接处的中间部位切割成芯片后的Fe-B Linescan曲线。
[0020]图11是本发明的晶锭与对照组晶锭的其中二个侧壁交接处的顶部切割成芯片后的Fe-B Linescan曲线。
[0021]图12是本发明的晶锭与对照组晶锭的中央区域的底部切割成芯片后的Fe-BLinescan 曲线。
[0022]图13是本发明的晶锭与对照组晶锭的中央区域的中间部位切割成芯片后的Fe-BLinescan 曲线。
[0023]图14是本发明的晶锭与对照组晶锭的中央区域的顶部切割成芯片后的Fe-BLinescan 曲线。
[0024]图15是本发明的晶锭与对照组晶锭的氧含量分布图。
[0025]图16是本发明的晶锭与对照组晶锭的碳含量分布图。
[0026]图17是一示意图，揭示以第一较佳实施例晶锭铸造炉的原料容置装置用于容装第二实施例铸造晶锭的方法中的硅原料。
【具体实施方式】
[0027]为便于说明，就本发明的晶锭铸造炉的原料容置装置及铸造晶锭的方法一并叙述。请参图1至图4所示，为本发明第一较佳实施例晶锭铸造炉的原料容置装置100，包含有一以i甘祸10为例的容器、一石墨内层16与多个夹持器18。
[0028]该坩祸10在本实施例中是由四个侧壁102与一底板104—体成形，该四侧壁102与该底板104共同围设形成顶部具有一开口的容置槽106供放置原料。该坩祸10的四侧壁102的内壁面102a形成坩祸10内部的环壁面，该底板104的顶面104a形成坩祸内部的内底面。实务上，坩祸亦可采用圆筒形或多边形的结构，而形成一个圆筒状或多边形状的环壁面。该坩祸10的四个侧壁102的外围分别设置有多个第一支撑板12，该底板104的外围设置有一第二支撑板14。所述第一、第二支撑板14为石墨材质所制成且共同构成一外坩祸，紧贴于该坩祸10的外表面，用以稳固地支撑该坩祸10。各该第一支撑板12的顶缘高于各该侧壁102的顶缘，且各该第一支撑板12于高于侧壁102顶缘处设置有二穿孔122，该二穿孔122彼此相隔一段离。
[0029]该石墨内层16是可拆离地设置于该坩祸10中，包含多张石墨纸162与多个石墨压条164，所述石墨纸162的厚度较佳的范围为0.2-lmm之间，最佳范围为0.4-0.8_。所述石墨纸162贴附于该坩祸四个侧壁102的内壁面102a以及该坩祸10底板104的顶面104a上，相邻石墨纸162的侧缘相隔一距离。由于该坩祸10内两相邻侧壁102交接处及底板104与各该侧壁102交接处皆呈弧形，而石墨纸162可弯折的程度有限，因此，在本实施例中采用可弯折程度更高的碳纤维编织体作为石墨压条164，各该石墨压条164沿着相邻两个石墨纸162侧缘部位设置，并弯折以配合坩祸10内部的侧壁102交接处的弧形状，底板104与各个侧壁102交接处的石墨压条164亦同。各该石墨压条164具有两侧边164a，各该侧边164a设置有一嵌槽164b，各该嵌槽164b分别为一该石墨纸162的侧缘嵌入其中，以填补相邻两石墨纸162侧缘之间的空缺。由此，该石墨内层16形成可自该坩祸10的容置槽106拆离的阻隔层。实务上，若该坩祸10内两相邻侧壁102交接处及底板104与各侧壁交接处呈直角，则仅需铺设石墨纸162，而让相邻两石墨纸162的侧缘并接，亦可作为阻隔层。
[0030]所述夹持器18构成本实施例的固持手段，各所述夹持器18包括以石墨材料制成的一螺杆182、二第一螺帽184、二第二螺帽186与一压板188。其中，各该螺杆182穿设各该第一支撑板12的穿孔122。以下就以一组夹持器18为例说明，其中，该二第一螺帽184结合于该螺杆182上，且共同夹持对应的第一支撑板12的内、外两侧，以使该螺杆182固定于对应的第一支撑板12上。该二第二螺帽186结合于该螺杆182的另一端，该压板具有一槽孔188a，该槽孔188a为该螺杆182所穿设，该压板188位于该二第二螺帽186之间，且受该二第二螺帽186夹持而固定于该螺杆182上。该压板188压贴铺设在对应的内壁面102a上的该石墨纸162顶缘的局部。由此，利用所述夹持器18，可有效地将所述石墨纸固定于该坩祸10的内壁面102a
上，避免石墨纸162倾倒。该压板188上的槽孔188a可避免该压板188受热而翘曲变形甚至断
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[0031]固持手段并不限定于本实施例的夹持器18，只要是可将石墨纸162顶缘固定于坩祸10侧壁102的夹持结构皆可作为固持手段。此外，以石墨膏将石墨纸162黏贴于内壁面102a上亦可作为固持手段。
[0032]请配合图5所示，将该石墨内层16固定于坩祸10内部之后，将多个晶种20堆叠于该坩祸10底部的石墨纸162上，并排列以形成一晶种层22，该晶种层22的晶向可以是单一晶向或是两种以上的晶向，晶种20排列方式可以采紧密排列或晶种20之间有距离的排列。实务上，所述晶种20可依需求选择单晶晶种或多晶晶种。再将固态的硅原料24放入该坩祸10中，使其等堆叠于该晶种层22上，堆叠的高度以不接触该压板188的底端为佳，以避免固态的硅原料24熔化时将该压板188与石墨纸162黏着在一起。
[0033]之后，再将容装有晶种20及硅原料24的原料容置装置100置入晶锭铸造炉中，于图5中仅显示晶锭铸造炉的加热装置200。再控制该加热装置200，以加热该坩祸10，使该坩祸10内的硅原料24全部熔化成液态，以及该晶种层22顶部开始熔化为止。接着，进行长晶步骤，控制该加热装置200使该晶种层22的温度下降至于熔点温度以下，逐渐往上凝固结晶，且硅原料24的固/液态界面亦逐渐往上提升，直到该坩祸10内的硅原料24全部凝固结晶为止，凝固后的硅原料24形成一晶锭。
[0034]在冷却之后，将所述夹持器18取下后，即可进行脱模。脱模之后的晶锭半成品26如图6所示。其中，该晶锭半成品26包括有一由硅原料24构成的晶锭主体28，以及一体连结于该晶锭主体28下方的晶种层22，该晶锭主体28具有四个侧壁，所述侧壁上各别附着有一该石墨纸162，而该晶种层22的底面亦附着有一该石墨纸162。此外，相邻两侧壁交接处以及晶种层底面与各该侧壁的交接处，各附着有一该石墨压条164。由该石墨内层16可让该晶锭半成品26脱膜时更加顺利，所述石墨纸162及石墨压条164除了可以阻隔坩祸10的杂质回扩至晶锭中，更可保护晶锭主体28在搬运过程中直接受到碰撞。
[0035]最后，将晶徒半成品26上的石墨内层16及晶种层22切除后即可获得晶徒。
[0036]请参阅图7与图8，其中，图7为使用本发明铸造晶锭的方法所铸造的晶锭的其中一侧边的载子寿命对应(lifetime mapping)图。图8为一对照组晶锭的载子寿命对应图，对照组晶锭的制作方法与本发明的方法类似，不同的是未于坩祸10内部铺设石墨内层16。为便于说明，于后就以晶锭A代表以本发明的方法制作的晶锭，以晶锭B代表对照组晶锭。
[0037]由图7与图8虚线圈选处可明显得知，晶锭A侧边的红区(硅晶锭载子寿命相对较低区域)明显少于晶锭B侧边的红区。晶锭A侧边回扩的比例为0.45%，晶锭B侧边回扩的比例为7.06%。由此可知，本发明的方法可以有效地避免坩祸10的杂质由晶锭的侧边回扩至晶锭中而影响载子寿命。
[0038]请参阅图9至图11，为晶锭A与晶锭B的其中二个侧壁交接处的底部、中间、及顶部切割成芯片后的Fe-B Linescan曲线。由图9中可得知，于晶锭A底部芯片的铁浓度明显低于晶锭B底部芯片的铁浓度，特别是接近侧边的区域(距离0-30mm处)更为明显。由图10、图11中亦可得知，晶锭A中间芯片及顶部芯片的铁浓度则亦是低于晶锭B中间芯片及顶部芯片的铁浓度。由此可知，本发明的石墨内层16确实可以减少杂质回扩至晶锭的程度，特别是底部芯片更为明显。
[0039]请参阅图12至图14，为晶锭A与晶锭B的中央区域的底部、中间、及顶部切割成芯片后的Fe-B Linescan曲线。由图12中可得知，于晶锭A底部芯片的铁浓度亦是低于晶锭B底部芯片的铁浓度，而由图13与图14得知，晶锭A中间芯片及顶部芯片的铁浓度则是与晶锭B相近。
[0040]将晶锭A与晶锭B中央区域的底部、中间、顶部芯片制成太阳能电池后的平均光电转换效率，晶锭A为17.8%，晶锭B为17.65%。本发明的方法制造的晶锭质量优于对照组晶锭。
[0041]请参阅图15，为晶锭A与晶锭B沿着晶锭高度的氧含量分布图，由图15可得知，晶锭A的平均氧含量低于晶锭B的平均氧含量。氧含量的多寡将影响太阳能电池的光衰退及光电转换效率，因此，晶锭A的光电转换效率高于晶锭B。
[0042]请参阅图16，为晶锭A与晶锭B沿着晶锭高度的碳含量分布图，由图16可得知，晶锭A的碳含量高于晶锭B，原因在于，石墨内层16与熔化的硅原料24接触而使得微量的碳析出到硅原料24中。晶锭A的碳含量大部分区域虽然较高，但并未影响其光电转换效率。
[0043]上述第一实施例的铸造晶锭的方法是以晶种层22引晶，来铸造晶锭。而本发明的第二实施例铸造晶锭的方法同样是使用第一实施例的原料容置装置100，其步骤与第一实施例大致相同，不同之处在于，第二实施例中并未使用晶种来引晶，而是如图17所示直接将固态的硅原料24放入该坩祸10中，使所述硅原料24直接堆叠于该坩祸10底部的石墨纸162上。而后控制加热装置200使所述硅原料24全部熔化后，再控制该加热装置200使熔化后的硅原料24由下往往上逐渐凝固结晶，直到该坩祸10内的硅原料24全部凝固结晶为止，凝固后的娃原料24形成一晶徒。
[0044]综上所述，本发明的利用石墨内层16可以有效阻隔坩祸10的杂质回扩到晶锭中，有效地减少晶锭的红区，以增加晶锭的可用区域。又，对晶锭切片后即可获取高质量的芯片，提升芯片制作成太阳能电池的转换效率。更值得一提的是，本发明的石墨内层是可与坩祸分离，每次脱模时，石墨内层一并自坩祸内脱出，在下一次使用前铺设新的石墨内层，因此，不会有现有的阻隔层经多次脱膜后，发生剥离的情形。再者，本发明的石墨内层16是以铺设的方式设置，更不会有现有的阻隔层涂布不均的缺点。
[0045]以上所述仅为本发明较佳可行实施例而已，凡是应用本发明说明书及申请专利范围所为的等效变化，理应包含在本发明的权利要求范围内。
【主权项】
1.一种晶锭铸造炉的原料容置装置，包含: 一容器，该容器内部包括有一环壁面与一内底面，该环壁面与该内底面围设形成顶部具有一开口的容置槽； 一石墨内层，以包含石墨材料沿着该容器的该环壁面与该内底面铺设而成。2.如权利要求1所述晶锭铸造炉的原料容置装置，其中该石墨内层包括有多张石墨纸，所述石墨纸贴附于该环壁面与该内底面上，且相邻石墨纸的侧缘并接。3.如权利要求1所述晶锭铸造炉的原料容置装置，其中该石墨内层包括有多张石墨纸与至少一石墨压条，所述石墨纸贴附于该环壁面与该内底面上，且相邻石墨纸的侧缘相隔一距离，该石墨压条沿着相邻的石墨纸侧缘部位设置。4.如权利要求3所述晶锭铸造炉的原料容置装置，其中该石墨压条具有两侧边，各该侧边设置一嵌槽，各该嵌槽分别为一该石墨纸的一侧缘嵌入其中。5.如权利要求1所述晶锭铸造炉的原料容置装置，包括有一固持手段，用以将该石墨内层固定于该容器内部。6.如权利要求5所述晶锭铸造炉的原料容置装置，其中该固持手段包括多个夹持器，所述夹持器沿着该容器顶缘间隔设置，并各别夹压邻近该容器顶缘的该石墨内层的一部分。7.如权利要求6所述晶锭铸造炉的原料容置装置，其中每一该夹持器包括有一压板，该压板压贴铺设在该环壁面上的该石墨内层的局部。8.一种铸造晶锭的方法，包含有下列步骤: A、将一石墨内层铺设于一容器的一环壁面与一内底面上； B、将固态的硅原料放入该容器中，使其等位于该容器内底面上的石墨内层上方； C、加热该容器，以将硅原料熔化成液态；以及 D、自下而上冷却该容器，以使熔化后的硅原料由下往上凝固结晶，直到所有的硅原料亦凝固结晶为止，凝固后的硅原料形成一晶锭。9.如权利要求8所述铸造晶锭的方法，其中该石墨内层包括多张石墨纸，步骤A中是将所述石墨纸贴附于该环壁面与该内底面上，且相邻石墨纸的侧缘并接。10.如权利要求8所述铸造晶锭的方法，其中该石墨内层包括多张石墨纸与至少一石墨压条，步骤A中是将所述石墨纸贴附于该环壁面与该内底面上，且将该石墨压条沿着相邻的石墨纸侧缘部位设置。11.如权利要求8所述铸造晶锭的方法，其中步骤A中包含有通过一固持手段，用以将铺设于该容器环壁面的石墨内层固定于该环壁面上。12.如权利要求11所述铸造晶锭的方法，其中该固持手段包括多个夹持器，所述夹持器沿着该容器顶缘间隔设置，并各别夹压邻近该容器顶缘的该石墨内层的一部分。13.如权利要求12所述铸造晶锭的方法，其中每一该夹持器包括有一压板，该压板压贴铺设在该环壁面上的该石墨内层的局部。14.如权利要求8所述铸造晶锭的方法，其中步骤A、B之间包含有将多个晶种堆叠于该容器内底面上的的石墨内层，以形成一晶种层;步骤B中是将固态的硅原料堆叠于该晶种层上;步骤C中是将硅原料及该晶种层顶部熔化成液态;步骤D中熔化后的硅是由该晶种层顶部往上凝固结晶。
【文档编号】C30B29/06GK105839179SQ201510311865
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年6月9日
【发明人】周鸿升, 庄国伟, 杨瑜民, 余文怀, 许松林, 徐文庆
【申请人】中美矽晶制品股份有限公司