專利名稱:一種太陽能電池用高純多晶硅的制備方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料制備技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及一種以工業(yè)硅為原料,通過一系列冶金方法來生產(chǎn)太陽能電池用高純多晶硅片的生產(chǎn)技術(shù)。
背景技術(shù):
太陽能以其分布廣泛、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)成為解決能源危機(jī)和環(huán)境惡化的首選能源,因此高效率低成本太陽能電池的研究備受世人關(guān)注?,F(xiàn)今太陽能電池有硅太陽能電池、化合物太陽能電池、納米晶燃料敏化電池、有機(jī)太陽能電池等。硅太陽能電池因硅材料資源豐富、無毒無害且物理性能優(yōu)良而成為主流產(chǎn)品。
硅太陽能電池又分為單晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池一般用直拉法由多晶硅旋轉(zhuǎn)拉制而成,制作工序非常復(fù)雜,因此成本很高。非晶硅由于存在光致衰減效應(yīng)而光電轉(zhuǎn)換效率不穩(wěn)定,其應(yīng)用也受到了很大限制。多晶硅太陽能電池雖然存在晶界、位錯(cuò)和微缺陷,但其光電轉(zhuǎn)換效率最高已達(dá)到了20.3%,與單晶硅的最高轉(zhuǎn)換效率24.7%相差不大,而其生產(chǎn)成本要低很多,因此近年來多晶硅太陽能電池得到了很大發(fā)展。
制作多晶硅太陽能電池首先要獲得高純硅,現(xiàn)在世界上太陽能電池用高純多晶硅大都用化學(xué)的方法得到,特別是改良的西門子法,其產(chǎn)能約占總產(chǎn)能的80%以上。制作太陽能電池時(shí),先將使用化學(xué)方法得到的高純度硅熔融,并調(diào)整成為適合于太陽能電池的化學(xué)組成,然后用拉制法或定向凝固法將熔體制成硅錠,最后切成硅片供電池組件使用。在此生產(chǎn)工序中,按照化學(xué)方法生產(chǎn)高純硅的過程中會(huì)大量地產(chǎn)生硅烷、氯化物等污染環(huán)境的物質(zhì),而且在對(duì)高純硅錠塊化的過程中,需要引入額外的能量,生產(chǎn)成本增加。因此廉價(jià)的使用冶金制備的方法直接由工業(yè)硅制得太陽能電池用高純多晶硅錠的研究一直被各國(guó)研究者關(guān)注。
1975年,Wacker公司首創(chuàng)了澆鑄法制備多晶硅材料。其后,許多研究小組先后提出了多種鑄造工藝,主要有兩種方式一種是在石英坩堝內(nèi)將硅熔化后澆鑄到石墨模具中;另一種是采用定向凝固的方法制備多晶硅。定向凝固因能得到性能均勻的柱狀晶而被廣泛采用。
我國(guó)也在定向凝固制備多晶硅錠工藝上做了一定研究。例如專利85100529,設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)定向凝固的方法并研制了一種氮化硅脫模劑。但此方法生產(chǎn)周期長(zhǎng)、硅的污染嚴(yán)重,導(dǎo)致晶片的轉(zhuǎn)換效率低,而且這些鑄造工藝都是以高純硅為原料的。
日本川崎制鐵株式會(huì)社申請(qǐng)專利96198989.0,是以金屬硅或氧化硅為起始原料,通過電子束真空熔煉、氧化精練和定向凝固這一系列工序,制得了太陽能電池用多晶硅。但是,電子束設(shè)備價(jià)格昂貴。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種裝置簡(jiǎn)單、熔煉和除雜快速方便,獲得凝固組織均勻,無裂紋、無偏析,生產(chǎn)工藝,成本低的連續(xù)生產(chǎn)太陽能電池用高純多晶硅的制備方法和裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種太陽能電池用高純多晶硅的制備裝置,在真空室20內(nèi)部的左側(cè)設(shè)置電磁感應(yīng)加熱器3,其內(nèi)部裝有耐火材料4和坩堝6,真空室20的左上方設(shè)置加料器2,真空室20內(nèi)部的右側(cè)是由定向凝固坩堝7、保溫爐8、定向凝固冷卻底模11和拉坯系統(tǒng)12構(gòu)成的一次定向凝固精煉系統(tǒng),熔煉、澆注和定向凝固都在真空室中進(jìn)行,真空系統(tǒng)10與真空室20連接,由真空系統(tǒng)10獲得真空;二次提純系統(tǒng)由二次提純加熱爐15、加熱爐內(nèi)的精煉坩堝16、二次提純加熱爐15上方的精煉等離子槍13、精煉氣體噴嘴18和二次提純加熱爐15下方的氧化氣體噴嘴14組成。電磁感應(yīng)加熱器3的頻率為1000Hz-100000Hz。
坩堝6上部設(shè)置有等離子槍1。
定向凝固坩堝7上部設(shè)置有等離子槍19。
使用一種太陽能電池用高純多晶硅的制備裝置制備太陽能電池用高純多晶硅的方法,電磁感應(yīng)加熱器3中通入高、中頻電流,當(dāng)坩堝6中硅的溫度達(dá)到1450-1600℃時(shí),固體硅熔化,保溫30-60分鐘,扳動(dòng)機(jī)械手將熔融硅澆注到定向凝固坩堝7內(nèi),利用保溫爐8保持液體硅9的溫度為1450-1600℃;而后,開動(dòng)拉坯系統(tǒng)12,帶動(dòng)定向凝固冷卻底模11以1-10mm/min的速度向下移動(dòng),實(shí)現(xiàn)定向凝固,去除硅中的金屬雜質(zhì);將定向凝固的鑄坯放入二次提純裝置的精煉坩堝16內(nèi),利用二次提純加熱爐15熔化至1450-1600℃時(shí)、保溫,開通精煉等離子槍13和氧化氣體噴嘴14,氧化精煉20-30分鐘;開啟精煉氣體噴嘴18,從精煉坩堝16的底部吹惰性氣體氬進(jìn)行氣體精煉,氣體流量為50-150L/h,成為高純硅液17。
電磁感應(yīng)加熱器3中通入高、中頻電流,開啟等離子槍1,使固體硅熔化,當(dāng)坩堝6中硅的溫度達(dá)到1450-1600℃時(shí),扳動(dòng)機(jī)械手將熔融硅澆注到定向凝固坩堝7內(nèi),利用保溫爐8和等離子槍19保持液體硅9的溫度;而后,開動(dòng)拉坯系統(tǒng)12,帶動(dòng)定向凝固冷卻底模11向下移動(dòng),實(shí)現(xiàn)定向凝固,去除硅中的金屬雜質(zhì);將定向凝固的鑄坯放入二次提純裝置的精煉坩堝16內(nèi),利用二次提純加熱爐15熔化、保溫,開通精煉等離子槍13和氧化氣體噴嘴14,氧化精煉20-30分鐘;開啟精煉氣體噴嘴18,從精煉坩堝16的底部吹惰性氣體氬進(jìn)行氣體精煉,成為高純硅液17。
在上述的熔化和凝固過程中,通過加料器2不斷加入新的固體工業(yè)硅5,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行,獲得凝固組織均勻,無裂紋、無偏析等鑄造缺陷的硅錠。為了獲得純度更高的晶體硅,將經(jīng)過定向凝固提純的硅鑄錠利用二次提純裝置除去硼、碳等雜質(zhì)。
本發(fā)明把真空電磁感應(yīng)熔煉、等離子體氧化除雜和定向凝固結(jié)合起來,制備太陽能電池用高純硅錠。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,在材料外側(cè)施加交變電磁場(chǎng)時(shí),材料內(nèi)部將產(chǎn)生感應(yīng)電流J,感應(yīng)電流J產(chǎn)生焦耳熱Q,使材料溫度升高??梢员硎緸镼=J2/σ。根據(jù)化學(xué)平衡原理,元素在真空中的平衡分壓低于大氣中的分壓,因此,真空熔煉可以去除液體硅中的P等雜質(zhì)。根據(jù)金屬凝固原理,在材料結(jié)晶過程中溶質(zhì)將再分配,且平衡分配系數(shù)小于1的元素可以通過順序凝固被富集在最后凝固部位,達(dá)到將其從液體中排除的目的。
本發(fā)明所達(dá)到的效果和益處是,裝置簡(jiǎn)單、熔煉和除雜快速方便,獲得凝固組織均勻,無裂紋、無偏析等鑄造缺陷的硅錠,特別是利用冶金提純的方法制備的硅錠晶片化后能達(dá)到太陽能電池的純度要求。本發(fā)明所提供的生產(chǎn)工藝,成本低,能適應(yīng)太陽能電池廉價(jià)廣泛應(yīng)用的要求。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的二次提純裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中,1.等離子槍,2.加料器,3.電磁感應(yīng)加熱器,4.耐火材料,5.工業(yè)硅,6.坩堝,7.定向凝固坩堝,8.保溫爐,9.液體硅,10.真空系統(tǒng),11.定向凝固冷卻底模,12.拉坯系統(tǒng),13精煉等離子槍,14氧化氣體噴嘴,15.二次提純加熱爐,16.精煉坩堝,17.高純硅液,18.精煉氣體噴嘴,19.等離子槍,20.真空室。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1將工業(yè)硅5放入坩堝6中,真空系統(tǒng)抽真空至10-2Pa后,開啟電磁感應(yīng)加熱器3使工業(yè)硅5熔化,同時(shí)接通保溫爐8的電源。當(dāng)坩堝6內(nèi)硅的溫度達(dá)到1500℃時(shí),保溫30-60分鐘,扳動(dòng)機(jī)械手將熔融硅澆注到定向凝固坩堝7內(nèi),利用保溫爐8保持液體硅9的溫度;而后,開動(dòng)拉坯系統(tǒng)12,以5mm/min的速度帶動(dòng)定向凝固冷卻底模11向下移動(dòng),獲得直徑為160mm,長(zhǎng)度為250mm的鑄坯,經(jīng)成分檢測(cè)硅含量為99.99%。將定向凝固的鑄坯放入二次提純裝置的精煉坩堝16內(nèi),利用二次提純加熱爐15熔化、保溫,開通精煉等離子槍13和氧化氣體噴嘴14,氧化精煉20分鐘,開啟精煉氣體噴嘴18,從精煉坩堝16的底部吹惰性氣體氬,氣體流量為50-150L/h,進(jìn)行氣體精煉后,將高純硅液17澆注到鑄型中冷卻,得到硅含量為99.9999%的鑄坯。截取不同部位的試樣進(jìn)行分析,觀察其凝固組織,測(cè)試其化學(xué)成分,測(cè)試少數(shù)載流子壽命,并晶片化后測(cè)試組件的光電轉(zhuǎn)化率。
實(shí)施例2將工業(yè)硅5放入坩堝6中,真空系統(tǒng)抽真空至10-2Pa后,開啟電磁感應(yīng)加熱器3和等離子槍1使工業(yè)硅5熔化,同時(shí)接通保溫爐8的電源。當(dāng)坩堝6內(nèi)硅的溫度達(dá)到1500℃時(shí),保溫30-60分鐘,扳動(dòng)機(jī)械手將熔融硅澆注到定向凝固坩堝7內(nèi),利用保溫爐8和等離子槍19保持液體硅9的溫度;而后,開動(dòng)拉坯系統(tǒng)12,以3mm/min的速度帶動(dòng)定向凝固冷卻底模11向下移動(dòng),獲得直徑為160mm,長(zhǎng)度為250mm的鑄坯,經(jīng)成分檢測(cè)硅含量為99.99%。將定向凝固的鑄坯放入二次提純裝置的精煉坩堝16內(nèi),利用二次提純加熱爐15熔化、保溫,開通精煉等離子槍13和氧化氣體噴嘴14,氧化精煉20分鐘,開啟精煉氣體噴嘴18,從精煉坩堝16的底部吹惰性氣體氬,氣體流量為50-150L/h,進(jìn)行氣體精煉后,將高純硅液17澆注到鑄型中冷卻,得到硅含量為99.9999%的鑄坯。截取不同部位的試樣進(jìn)行分析,觀察其凝固組織,測(cè)試其化學(xué)成分,測(cè)試少數(shù)載流子壽命,并晶片化后測(cè)試組件的光電轉(zhuǎn)化率。
權(quán)利要求
1.一種太陽能電池用高純多晶硅的制備裝置,其特征在于,在真空室(20)內(nèi)部的左側(cè)設(shè)置電磁感應(yīng)加熱器(3),其內(nèi)部裝有耐火材料(4)和坩堝(6),真空室(20)的左上方設(shè)置加料器(2),真空室(20)內(nèi)部的右側(cè)是由定向凝固坩堝(7)、保溫爐(8)、定向凝固冷卻底模(11)和拉坯系統(tǒng)(12)構(gòu)成的一次定向凝固精煉系統(tǒng),真空系統(tǒng)(10)與真空室(20)連接;二次提純系統(tǒng)由二次提純加熱爐(15)、加熱爐內(nèi)的精煉坩堝(16)、二次提純加熱爐(15)上方的精煉等離子槍(13)、精煉氣體噴嘴(18)和二次提純加熱爐(15)下方的氧化氣體噴嘴(14)組成,電磁感應(yīng)加熱器(3)的頻率為1000Hz-100000Hz。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能電池用高純多晶硅的制備裝置,其特征在于,坩堝(6)上部設(shè)置有等離子槍(1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能電池用高純多晶硅的制備裝置,其特征在于,定向凝固坩堝(7)上部設(shè)置有等離子槍(19)。
4.使用權(quán)利要求1所述的一種太陽能電池用高純多晶硅的制備裝置制備太陽能電池用高純多晶硅的方法,其特征在于,電磁感應(yīng)加熱器(3)中通入高、中頻電流,當(dāng)坩堝(6)中硅的溫度達(dá)到1450-1600℃時(shí),固體硅熔化,保溫30-60分鐘,扳動(dòng)機(jī)械手將熔融硅澆注到定向凝固坩堝(7)內(nèi),利用保溫爐(8)保持液體硅的溫度為1450-1600℃;而后,開動(dòng)拉坯系統(tǒng)(12),帶動(dòng)定向凝固冷卻底模(11)以1-10mm/min的速度向下移動(dòng),實(shí)現(xiàn)定向凝固,去除硅中的金屬雜質(zhì);將定向凝固的鑄坯放入二次提純裝置的精煉坩堝(16)內(nèi),利用二次提純加熱爐(15)熔化至1450-1600℃時(shí)、保溫,開通精煉等離子槍(13)和氧化氣體噴嘴(14),氧化精煉20-30分鐘;開啟精煉氣體噴嘴(18),從精煉坩堝(16)的底部吹惰性氣體氬進(jìn)行氣體精煉,氣體流量為50-150L/h。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種太陽能電池用高純多晶硅的制備方法其特征在于,電磁感應(yīng)加熱器(3)中通入高、中頻電流,開啟等離子槍(1),使固體硅熔化,當(dāng)坩堝(6)中硅的溫度達(dá)到1450-1600℃時(shí),扳動(dòng)機(jī)械手將熔融硅澆注到定向凝固坩堝(7)內(nèi),利用保溫爐(8)和等離子槍(19)保持液體硅的溫度;而后,開動(dòng)拉坯系統(tǒng)(12),帶動(dòng)定向凝固冷卻底模(11)向下移動(dòng),實(shí)現(xiàn)定向凝固,去除硅中的金屬雜質(zhì);將定向凝固的鑄坯放入二次提純裝置的精煉坩堝(16)內(nèi),利用二次提純加熱爐(15)熔化、保溫,開通精煉等離子槍(13)和氧化氣體噴嘴(14),氧化精煉20-30分鐘;開啟精煉氣體噴嘴(18),從精煉坩堝(16)的底部吹惰性氣體氬進(jìn)行氣體精煉。
全文摘要
一種太陽能電池用高純多晶硅的制備方法和裝置屬于半導(dǎo)體材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明把真空電磁感應(yīng)熔煉、等離子體氧化除雜和定向凝固結(jié)合起來,制備太陽能電池用高純硅錠。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,在材料外側(cè)施加交變電磁場(chǎng)時(shí),Q=J
文檔編號(hào)C30B28/06GK1873062SQ20061004652
公開日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2006年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月6日
發(fā)明者李廷舉 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)