专利名称：单晶硅铸锭的制造工艺和铸锭炉热场结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及光伏行业晶体生长技术领域，具体说是涉及单晶硅铸锭的制造工艺和铸锭炉热场结构。
背景技术：
随着太阳能电池应用的日益广泛，对硅材料的需求量也越来越大，其中包括直拉单晶硅、薄膜非晶硅、铸造多晶硅、带状多晶硅和薄膜多晶，各有各的优缺点，目前应用最广泛的是直拉单晶硅与铸造多晶硅，约占太阳能光电材料的80%左右。相比较而言，单晶硅的转化率要高于多晶硅，商业使用的单晶硅电池片转换率在 179Γ18%左右，现行制备单晶硅的方法主要是直拉单晶硅，这种方法提炼出来的单晶硅是圆形，直径在14(T200mm左右，单铸产量偏低，而电池片所需的形状是方形，所以，还需将圆形的直拉单晶硅切割成方形，这样实际利用率更低。多晶硅单锭产量已经达到550kg，最大的铸锭甚至达到1吨，可切率在57%飞0%上下，铸锭的形状为长方体，切成方形的电池晶片，材料利用率大大提高，但多晶硅的转化率只有15% 16% 。
发明内容
本发明的目的在于综合直拉单晶硅和铸造多晶硅两种材料的优势，既能铸造多晶硅那样的大硅锭来增加单锭产量，又能实现直拉单晶硅的高转换效率。本发明是通过下述技术方案得以实现的 单晶硅铸锭的制造工艺包括下述步骤
熔炼先在石英坩埚底部均勻铺洒一层籽晶，然后在籽晶上放置大量多晶硅原料，通过加热熔化，将上层多晶硅原料熔化至籽晶，固体籽晶与熔融的多晶硅籽晶之间形成一个固液临界面；
长晶然后缓慢提升隔热笼，让坩埚内部的热量从下面的热交换台散发出去，随着坩埚底部的温度下降，固液临界面的高度逐步上移，从液态转化为固态的过程中，硅料开始向上长晶，形成单晶硅，最终坩埚内的液态硅材料全部固化，形成单晶硅铸锭；在加热、熔化、长晶过程中，保温隔热环条处于零位，起着保护籽晶和上下层隔热的作用，确保石英坩埚底部的籽晶不被熔化；
退火保温隔热环条通过底部升降装置向下移动；隔热笼下降复位，保温板下端和保温底板平齐，封闭热场环境，保证包括底部在内的整个硅锭都处在均勻的温度下退火，消除内应力，避免在后道剖方工序中出现裂纹。冷却停止加热，保温隔热环条回到零位，顶部提升装置提升隔热笼进行冷却。单晶硅铸锭炉热场结构，包括炉体，石英坩埚、顶部提升装置，隔热笼，加热装置， 保温板，热交换台，底部提升装置；
顶部提升装置置于炉体顶端，通过吊杆提升隔热笼，隔热笼内壁四周设置了保温板，热交换台下面设置了位置固定的保温底板，在隔热笼提升前和保温板组合成一个活动的五面壳体；
加热装置由耐高温、导电性好的石墨片制成，围绕在坩埚上部外层，通电后加热坩埚熔化硅材料；
硅料放置于石英坩埚内，矩形的石英坩埚外层套着石墨坩埚，一起搁置在热交换台
上； 热交换台用导热性能好的石墨板制成，便于散热，由三根石墨立柱支撑着； 保温隔热环条由四条保温条组成，置于底部框架上，位于坩埚与保温板之间，起着保护籽晶和上下层隔热的作用；底部框架由提升杆支撑着，由底部提升装置带动升降。本发明的设计特点是隔热笼的提升速度能控制石英坩埚的冷却速度，完成硅材料长晶和从液态转化为固态的进度，通过升降保温隔热环条来保护固态籽晶和确保整个铸锭均勻退火。本发明的优点是使用多晶硅的铸锭技术，获得大容量的单晶硅铸锭，既增加了单晶硅单锭产量，又提高了硅片的光电转化效率，使企业经济效益大大提高。
图1为单晶硅铸锭炉热场加热熔化阶段结构剖面图； 图2为单晶硅铸锭炉热场长晶阶段结构剖面图； 图3为单晶硅铸锭炉热场退火阶段结构剖面图。附图标记说明
1炉体，2顶部提升装置，3隔热笼，4保温隔热环条，5保温板，51保温底板，6石墨坩埚， 7石英坩埚，8提升杆，9底部提升装置，10底部框架，11热交换台，12石墨立柱，13硅料。
具体实施例方式下面结合实施例和附图来进一步阐述本发明
具体实施例方式
单晶硅铸锭炉热场结构如图1所示，顶部提升装置(2)置于炉体(1)顶部，隔热笼(3) 固定在顶部提升装置(2)的吊杆下端，并由伺服电机驱动提升装置(2)带动隔热笼(3)上下移动，控制石英坩埚7的冷却和硅材料的长晶速度。
底部提升装置(9)固定于炉体(1)底部，其主要作用是带动保温隔热环条(4)上下移动，保护籽晶不被熔化。保温隔热环条(4)由固定在底部框架(10)上端面的四条保温条组成，位于石墨坩埚(6)与保温板(5)之间，初始位置与石墨坩埚(6)的下端平齐，业内称作“零位”。底部框架(10)的下端面设置了提升杆(8)，由底部提升装置(9)带动升降。硅料(13)放置于石英坩埚(7)内，石英坩埚(7)外层由石墨坩埚(6)保护，石英坩埚(7)和石墨坩埚(6)搁置于热交换台(11)上，热交换台(11)由三根石墨立柱(12)支撑。准备阶段打开炉体1的上壳体，在石英坩埚(7)底部放置一层单晶硅籽晶颗粒， 然后按顺序放置660kg多晶硅料(13)，用叉车将石英坩埚(7)送置热交换台(11)上，合上炉体(1)的上下壳体，抽真空，使炉体1达到真空状态。加热熔化阶段加热装置通过铜电极与变压器相连，通电时产生高温用来熔化硅料(13)，由上向下逐步熔化，当硅料(13)熔化至铺在石英坩埚(7)底部的籽晶颗粒处，固体籽晶与熔融的多晶硅籽晶之间形成一个固液临界面，熔化结束，进入长晶阶段。在熔化阶段，保温隔热环条(4)处于零位，保护石英坩埚(7)底部的籽晶不被熔化；隔热笼3处于最低位置，保温板5的下端和保温底板51平齐，组合成一个保温盒子，确保硅料的熔化有足够的热量。长晶阶段如图2所示，顶部提升装置(2)按照设定的工艺参数缓慢提升隔热笼
(3)，石英坩埚(7)内部的热量通过下面热交换台(11)向外散发，熔融的硅料(13)开始从下向上逐步固化，硅料(13)的固液临界面逐步上移，沿籽晶方向慢慢向上长晶生成单晶硅，当硅料(13)顶层全部固化后，长晶结束，进入退火阶段。在长晶阶段结束时，隔热笼(3)处于长晶阶段最高位置，保温板(5)的下端和保温底板(51)距离最远。退火阶段如图3所示，顶部提升装置(2)控制隔热笼(3)下降，让保温板(5)的下端和保温底板(51)平齐，控制长晶后的铸锭在设定温度下保温一段时间，进行退火以消除铸锭的内部应力，减少后道切割工序时产生裂纹。底部提升装置(9)带动保温隔热环条(4) 下降到工艺设定位置，使硅锭底部和硅锭上部处在同一的的温度下均勻退火，消除内应力。冷却阶段到退火结束后，停止加热，底部提升装置(9)再次带动保温隔热环条
(4)上升，回到零位。顶部提升装置(2)根据工艺要求提升隔热笼(3)达到设定位置，进行冷却。当炉内温度降到300摄氏度以下时，打开炉体1的下壳，用电动叉车取出石墨坩埚 (6)。待自然冷却后，卸下石墨坩埚(6)和石英坩埚(7)，取出单晶硅铸锭，送去进行下一道的剖方工序。
权利要求
1.单晶硅铸锭的制造工艺，包括下述步骤熔炼先在石英坩埚底部均勻铺洒一层籽晶，然后在籽晶上放置大量多晶硅原料，通过加热熔化，将上层多晶硅原料熔化至籽晶，固体籽晶与熔融的多晶硅籽晶之间形成一个固液临界面；长晶然后缓慢提升隔热笼，让坩埚内部的热量从下面的热交换台散发出去，随着坩埚底部的温度下降，固液界面的高度逐步上移，从液态转化为固态的过程中，硅料开始向上长晶，形成单晶硅，最终坩埚内的液态硅材料全部固化，形成单晶硅铸锭；在加热、熔化、长晶过程中，保温隔热环条处于零位，起着保护籽晶和上下层隔热的作用，确保石英坩埚底部的籽晶不被熔化；退火保温隔热环条通过底部升降装置向下移动；隔热笼下降复位，保温板下端和保温底板平齐，封闭热场环境，保证包括底部在内的整个硅锭都处在均勻的温度下退火，消除内应力；冷却停止加热，保温隔热环条回到零位，顶部提升装置提升隔热笼进行冷却。
2.单晶硅铸锭炉热场结构，包括炉体，石英坩埚、顶部提升装置，隔热笼，加热装置，保温板，热交换台，底部提升装置；顶部提升装置置于炉体顶端，通过吊杆提升隔热笼，隔热笼内壁四周设置了保温板，热交换台下面设置了位置固定的保温底板，在隔热笼提升前和保温板组合成一个活动的五面壳体；加热装置由耐高温、导电性能好的石墨片制成，围绕在坩埚上部外层，通电后加热坩埚熔化硅材料；硅料放置于石英坩埚内，矩形的石英坩埚搁置在热交换台上；热交换台用导热性能好的石墨板制成，由三根石墨立柱支撑着；保温隔热环条由四条保温条组成，置于底部框架上，位于坩埚与保温板之间；底部框架由提升杆支撑着，由底部提升装置带动升降。
3.根据权利要求2所述的单晶硅铸锭炉热场结构，其特征在于所述的石英坩埚外层套着石墨坩埚。
全文摘要
单晶硅铸锭的制造工艺包括下述步骤先在石英坩埚底部铺洒一层籽晶，上面放置多晶硅原料，并加热熔化；然后缓慢提升隔热笼，让热量从下面的热交换台散发出去，固液临界面的高度逐步上移，硅料向上长晶，最终形成固态单晶硅铸锭；保温隔热环条在加热、长晶过程中处于零位，在退火与冷却阶段则向下移动。单晶硅铸锭炉热场结构，包括炉体，石英坩埚、顶部提升装置，隔热笼，加热装置，保温材料，交换台，底部提升装置；本发明的特点是控制隔热笼的提升速度来完成硅材料长晶，通过升降保温隔热环条来保护固态籽晶和确保整个铸锭均匀退火。优点是获得大容量的单晶硅铸锭，既增加了单晶硅单锭产量，又提高了硅片的光电转化效率。
文档编号C30B11/00GK102330143SQ20111028362
公开日2012年1月25日 申请日期2011年9月22日 优先权日2011年9月22日
发明者傅建根, 卫国军, 朱卫峰, 袁华均, 金越顺 申请人:浙江精功新能源有限公司