专利名称：利用多晶铸造炉生产母合金的方法
技术领域：
本发明涉及光伏制造技术领域，利用多晶铸造炉来进行新型的母合金生产方法，打破传统的拉单晶方 法，尤其是一种通过对掺杂剂用量的控制，生产出最佳电阻率的母合金的铸造方法。
背景技术：
光伏行业中所谓“母合金”就是杂质元素与硅的合金，主要指硼硅合金，母合金的作用就是对原料进行掺杂，目的主要是用来改变硅熔体中施主杂质(如磷)或受主杂质(如硼)的杂质浓度，使其生长出的单晶或多晶电阻率达到规定的要求。传统的母合金生产制造方法都是由单晶炉拉制而成，其缺陷是产量低，传统的单晶炉一炉拉出的单晶棒重量在IOOkg左右，而且自动化程度相对较低，操作比较复杂，单晶炉体积小，拉制的单晶棒受到长度和直径的影响，产能小，制作成本高。而采用铸造的方法，制造不受限制，仅取决于炉容器的大小，目前多晶铸锭炉每炉产量可以达到450kg以上，甚至可以投到800kg，自动化程度很高，成品率也比较高，可以更好的规模化生产，成本方面可以得到更好的控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用多晶铸造炉生产母合金的方法，旨在利用多晶铸造炉生产母合金，从而提高生产产量，降低生产成本。尤其是通过对掺杂剂用量的控制，生产出所需最佳电阻率的母合金。在多晶铸造生产母合金过程中，控制掺杂剂的用量，是关键。才能铸造出所需求的最佳电阻率的母合金。掺杂剂用量大，会导致生产出的母合金电阻率太低，在配料的时候不容易控制用量。掺杂剂用量小，配料的时候所需的母合金的用量会增加，就会增加一些不必要的成本。因此，计算控制掺杂剂的精确用量成了本发明的瓶颈。本发明通过掺杂剂在硅中的分凝情况，计算出所要投放的掺杂剂最佳用量范围，掺杂剂的最佳范围根据每炉生产母合金的多少和所需的母合金电阻率来确定。本发明的目的是通过以下方案实现的
利用多晶铸造炉生产母合金的方法，其特征在于依次采用以下步骤a选料，即选择所用的硅料；b计算所需掺杂剂的量；c将分选好的硅料加入掺杂剂，正常装料后投铸锭炉；d采用多晶硅铸造的方法，对硅料和掺杂剂依次进行抽真空、加热、熔化、长晶、退火、冷却环节，来生产母合金硅锭。进一步
所用的硅料要求P型/N型电阻率要求大于I Ω . cm，纯度在6N以上；这样可以一方面是提高母合金的质量，另外一方面在理论计算中可忽略N型掺杂剂P，AS等/P型掺杂剂B, AL等的分凝情况。所述加入掺杂剂的方法是根据掺杂剂在硅中的分凝情况，来精确的计算出所要投放的掺杂剂用量；计算过程中，依次进行以下步骤
A 根据公式一 N=1.33*power(10，16)/pl + 1.082*power(10，17)/P l[l+power(54. 56 P I, I. 105)](理论计算公式见GB/T13389 — 1992掺硼掺磷硅单晶电阻率与掺杂浓度换算章程，由掺硼硅单晶电阻率计算掺杂浓度值)，计算出按电阻率分档的硅料中的B原子浓度，然后通过浓度计算其中的原子个数。B 根据公式二 :nl=(Ml*2. 33/10. 84*6. 02*power(10, 23)+2. 33*M)
/ (M*1000) *0. 75*power (I-(Η*2· 33*83*83) / (M*1000)，-0. 25)(理论公式见光伏材料相关书籍不同位置的掺杂浓度由掺杂剂本身的分凝系数决定)，算出硅料和掺杂剂中掺杂剂原子在硅溶液中不同位置的分凝浓度，其中掺杂剂的原子个数由掺杂剂用量多少决定；
C 根据公式三P 2=1. 305*power(10, 16)/Ν+1· 133*power (10，17)/(N+N*power (2. 58*power (10, -19)*N，-0. 737))(理论计算公式见GB/T13389-1992掺硼掺磷硅单晶电阻率与 掺杂浓度换算章程，由掺杂浓度计算掺硼硅晶电阻率)，算出硅锭不同位置的电阻率；计算电阻率是为了更好的用于生产，因为实际生产中会用到不同电阻率范围的母合金；
D根据电阻率的要求,确定加入多少掺杂剂。 所述的掺杂剂指硼或磷。上述公式涉及到的字母含义N为掺杂浓度，P为硅晶电阻率，其中，P I是投炉前实际测得的不同档位电阻率的硅料电阻率，P 2是根据计算得出的出炉后的硅料的电阻率；m为分凝浓度，Ml为硼粉质量，M为硅锭质量，H为硅锭高度。所述d步骤中采用多晶娃铸造的方法,具体是A抽真空抽真空抽至O. Olmbar以下，开始连接加热器运行加热在加热期间，功率从0%增加到90%，当加热温度趋近于功率控制与温度控制的转换温度1175°C时，再缓慢降下来(降到50%-60%)，在真空状态下执行4 一 5h的加热过程；C熔化熔化过程中第一阶段仍处在真空状态以抽取坩埚和硅料中的气体；之后通入氩气，使压力维持在500 - 700mbar，熔化过程最高温度在1535 — 1560之间，熔化过程持续10 - 14h左右；D长晶熔化结束需人工确认，确认后进入长晶阶段，在长晶的第一个阶段，温度达到长晶设定温度，打开隔热笼以冷却DS - block，达到长晶温度后娃锭从底部长晶到顶部；长晶过程持续22 — 26h,长晶过程压力仍然维持在500 — 7OOmbar之间；E退火在退火期间，关闭隔热笼，温度下降到退火温度且保温两个小时以上的温度，使硅锭中各处的温度相同；F冷却完成退火后进入冷却阶段，打开隔热笼并通入氩气以加速冷却，冷却阶段在IOh以上，冷却最后一个阶段，TC2温度降到450°C以下，隔热笼完全打开，压力充至940 - 960mbar，之后出锭。本发明的有益效果是采用发明铸造的方法生产母合金，尤其是通过对掺杂剂用量的控制，生产出所需的最佳电阻率的母合金。其优点是1、自动化程度高，工艺简单，便于控制。2、提高了产量，降低了生产成本；由于制造不受限制，仅取决于炉容器的大小，目前多晶铸锭炉每炉产量可以达到450kg以上，甚至可以投到800kg，因此实现了母合金的规模化生产，产量得到明显提升。且成品率较高，有效地降低了生产成本。3、可通过计算控制生产成本，有利于企业利润的提升。通过计算可以产生最优化的母合金铸造方法，最大程度的降低企业的生产成本。生产出所需求的最佳电阻率的母合金，对电阻率的要求是至关重要的，投炉生产前必须要清楚对母合金电阻率的要求，需要权衡利弊。比如生产O. 0025 Ω . cm电阻率的母合金，在进行多晶硅锭的生产中每炉450kg左右投炉量所用到的母合金量为80g左右。而生产O. 0013 Ω. cm电阻率的母合金，每炉的投炉量为40g左右。虽然说可以降低投炉量，但是也会增加一些风险，电阻率越低，对投炉量的把握越要精确控制。因此，生产哪个范围电阻率的母合金，需要在实际生产中灵活掌握。采用本发明，可以通过适时的成本分析来更好的控制生产成本，提 高企业利润。
具体实施例方式为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。实施例I :
生产P型掺杂剂，掺杂剂为硼粉。用一炉分选好的450kg的P型I. 5 Ω . cm的硅料，纯度在6N以上，生产出硅锭底部Icm处电阻率为O. 0025 Ω . cm的母合金。可以精确算出所需硼粉的重量为202. 44g，由公式一(见前述)算出硅料中硼原子个数为I. 81882E+21，由公式二(见前述)算出硅锭底部Icm处的掺杂浓度为4. 40638E+19,由公式三(见前述)根据硼在硅中的分凝系数算出硅锭底部Icm处的电阻率为P型O. 002500036 Ω . cm,能够很好的满足生产需求。此时也可以通过公式三精确计算出硅锭26cm处的电阻率P型为O. 001375611 Ω . cm。通过计算可以正常的装料中加入202. 44g的硼粉，投炉后通过抽真空，加热，熔化，长晶，退火，冷却六个环节就可以生产出符合要求的母合金硅锭。抽真空抽至O. Olmbar以下，开始连接加热器运行，在加热期间，功率按一定的变化曲线从0%增加到90%，当加热温度趋近于功率控制与温度控制的转换温度1175°C时再缓慢降下来，在真空状态下执行所有的4 - 5h的加热过程。熔化过程中第一阶段仍处在真空状态以抽取坩埚和硅料中的气体。之后通入氩气，使压力维持在500 - 700mbar，熔化过程最高温度在1535 — 1560之间，熔化过程持续12h左右。熔化结束需人工确认，确认后进入长晶阶段，在长晶的第一个阶段，温度达到长晶设定温度，打开隔热笼以冷却DS - block,达到长晶温度后硅锭从底部长晶到顶部。长晶过程在24h左右，长晶过程压力仍然维持在500 — 700mbar之间。之后在退火期间，关闭隔热笼，温度下降到退火温度且保温两个小时以上的温度使硅锭中各处的温度相同。完成退火后进入冷却阶段，打开隔热笼并通入氩气以加速冷却，冷却阶段在IOh以上，冷却最后一个阶段，TC2温度降到450°C以下，隔热笼完全打开，压力充至950mbar，准备出锭。之后可以正常的把硅锭进行开方，截断为I 一 2cm的薄片，按母合金电阻率分为
O.0010 — O. 0015 Ω. cm, O. 0016 — O. 0020 Ω . cm, O. 0021 — O. 0025 Ω · cm 三档，应用到实际生产。实施例2:
生产N型掺杂剂，掺杂剂为磷。实施方式与上相同，上述三个公式需按照N型掺杂剂的掺杂浓度和电阻率之间的换算进行计算，在此不详细赘述。以上所述，仅为本发明的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.利用多晶铸造炉生产母合金的方法，其特征在于依次采用以下步骤a选料，即选择所用的硅料；b计算所需掺杂剂的量；c将分选好的硅料加入掺杂剂，正常装料后投铸锭炉；d采用多晶硅铸造的方法，对硅料和掺杂剂依次进行抽真空、加热、熔化、长晶、退火、冷却环节，来生产母合金硅锭。
2.根据权利要求I所述的利用多晶铸造炉生产母合金的方法，其特征在于所用的硅料要求P型/N型电阻率要求大于I Ω. cm，纯度在6N以上。
3.根据权利要求I或2所述的利用多晶铸造炉生产母合金的方法，其特征在于加入掺杂剂的方法是根据掺杂剂在硅中的分凝情况，来精确的计算出所要投放的掺杂剂用量；计算过程中，依次进行以下步骤A 根据公式一 N=1. 33*power (10, 16) / P 1+1. 082*power (10, 17 ) /P l[l+power(54. 56 P I, I. 105)]，计算出按电阻率分档的硅料中的B原子浓度；B根据公式ニ nl=(Ml*2. 33/10. 84*6. 02*power(10, 23)+2. 33*M)バΜ*1000)*0· 75*ροwer(l-(H*2. 33*83*83) / (Μ*1000),-O. 25)，算出硅料和掺杂剂中掺杂剂原子在硅溶液中不同位置的分凝浓度，其中掺杂剂的原子个数由掺杂剂用量多少决定；C 根据公式三P 2=1. 305*power (10，16) /N+1. 133*power (10，17) /(N+N*power (2. 58*power (10，-19)*N, -0. 737))，算出硅锭不同位置的电阻率； D根据电阻率的要求,确定加入多少掺杂剂。
4.根据权利要求3所述的利用多晶铸造炉生产母合金的方法，其特征在于掺杂剂指硼或磷。
5.根据权利要I所述的利用多晶铸造炉生产母合金的方法，其特征在于d步骤中采用多晶硅铸造的方法，具体是A抽真空抽真空抽至O. Olmbar以下，开始连接加热器运行；B加热在加热期间，功率从0%增加到90%，当加热温度趋近于功率控制与温度控制的转换温度1175°C时，再缓慢降下来，在真空状态下执行4 一 5h的加热过程；C熔化熔化过程中第ー阶段仍处在真空状态以抽取坩埚和硅料中的气体；之后通入氩气，使压カ维持在500 —700mbar，熔化过程最高温度在1535 — 1560之间，熔化过程持续10 — 14h左右；D长晶熔化结束需人工确认，确认后进入长晶阶段，在长晶的第一个阶段，温度达到长晶设定温度，打开隔热笼以冷却DS — block,达到长晶温度后硅锭从底部长晶到顶部；长晶过程持续·22 — 26h,长晶过程压カ仍然维持在500 — 700mbar之间；E退火在退火期间，关闭隔热笼，温度下降到退火温度且保温两个小时以上的温度，使硅锭中各处的温度相同；F冷却完成退火后进入冷却阶段，打开隔热笼并通入氩气以加速冷却，冷却阶段在IOh以上，冷却最后ー个阶段，TC2温度降到450°C以下，隔热笼完全打开，压カ充至940 — 960mbar，之后出· 。
全文摘要
利用多晶铸造炉生产母合金方法，涉及光伏制造技术领域，依次采用以下步骤a选料，即选择所用的硅料；b计算所需掺杂剂的量；c将分选好的硅料加入掺杂剂，正常装料后投铸锭炉；d采用多晶硅铸造的方法，对硅料和掺杂剂依次进行抽真空、加热、熔化、长晶、退火、冷却环节，来生产母合金硅锭。本发明的有益效果是既提高了生产产量，又降低了生产成本。本发明专利通过掺杂剂在硅中的分凝情况，可以计算出所要投放的掺杂剂最佳用量范围，掺杂剂的最佳范围根据每炉生产母合金的多少和所需的母合金电阻率来确定。这样通过计算可以产生最优化的母合金铸造方法，最大程度的降低企业的生产成本。
文档编号C30B28/06GK102817075SQ20121029408
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月18日 优先权日2012年8月18日
发明者王俊涛, 孙志刚, 刘茂华, 韩子强, 石坚, 熊涛涛, 刘瑞柱 申请人:安阳市凤凰光伏科技有限公司