一種電子束熔煉多晶硅除氧與連續(xù)鑄錠的設備的制作方法
【專利摘要】本實用新型屬于冶金熔煉領域，特別涉及一種電子束熔煉多晶硅除氧與連續(xù)鑄錠的設備，該設備包括電子束熔煉組件和連續(xù)鑄錠組件，包括水冷的熔煉坩堝和該熔煉坩堝一側(cè)設有的水冷傳輸帶，熔煉坩堝頂部爐體上固定安裝有熔煉用電子槍，水冷傳輸帶頂部爐體上固定安裝有輻射用電子槍，位于熔煉坩堝的一側(cè)爐體壁上設置有加料裝置，該加料裝置的出料口位于熔煉坩堝的上方，鑄錠裝置為3-6臺，固定安裝于旋轉(zhuǎn)平臺上，本實用新型首次提出了電子束熔煉除氧和連續(xù)鑄錠的設備，實現(xiàn)了電子束除氧的效果，同時結(jié)合連續(xù)鑄錠，降低了鑄錠加熱原料所需的能耗，大大提高了生產(chǎn)效率。
【專利說明】一種電子束熔煉多晶硅除氧與連續(xù)鑄錠的設備
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金熔煉領域，特別涉及一種電子束熔煉多晶硅除雜與連續(xù)鑄錠的設備。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國已成為世界能源生產(chǎn)和消費大國，但人均能源消費水平還很低。隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，我國能源需求將持續(xù)增長，針對目前的能源緊張狀況，世界各國都在進行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促進可再生能源的開發(fā)和應用，減少對進口石油的依賴，加強能源安全。
[0003]作為可再生能源的重要發(fā)展方向之一的太陽能光伏發(fā)電近年來發(fā)展迅猛，其所占比重越來越大。根據(jù)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，中國力爭使太陽能發(fā)電裝機容量達到1.8GW (百萬千瓦)，到2050年將達到600GW。預計到2050年，中國可再生能源的電力裝機將占全國電力裝機的25%，其中光伏發(fā)電裝機將占到5%。預計2030年之前，中國太陽能裝機容量的復合增長率將高達25%以上。
[0004]太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依賴于對多晶硅原料的提純。多晶硅原料的提純工藝目前主要依賴以下幾種工藝:西門子法、硅烷法、氣體流化床法和冶金法。冶金法制備太陽能級多晶硅技術(shù)作為發(fā)展低成本、環(huán)境友好的太陽能級多晶硅制備技術(shù)的必經(jīng)之路，目前已經(jīng)取得了長足發(fā)展，并實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。冶金法提純多晶硅是指采用物理冶金手段，在硅不參與發(fā)生化學反應的情況下，依次去除硅中的各種雜質(zhì)元素(磷、硼及金屬)的方法，它不是單一的制備方法，而是一種集成法，主要利用飽和蒸汽壓原理、偏析原理及氧化性差異原理，分別采用不同的工藝方法，來去除硅中的雜質(zhì)元素，從而得到滿足太陽能多晶硅純度要求的娃料。
[0005]在冶金法工藝中，硅料的磷、硼、金屬等雜質(zhì)均可通過有效的工藝手段去除，達到了較理想的效果。但是，近年來，在對多晶硅太陽能電池片光電轉(zhuǎn)化效率的研究中發(fā)現(xiàn)，氧元素的含量對電池片的光電轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生重要影響，一般氧處于間隙位置時，通常不顯電活性，然而鑄造多晶硅中氧濃度通常在3X1017?1.4X IO18CnT3之間，高濃度的間隙氧在隨后的器件制造工藝過程中，經(jīng)歷各種溫度的熱處理，會在硅晶體中偏聚和沉淀，形成氧關施主、氧沉淀等缺陷。同時，在硅晶體材料生長、冷卻的過程中由于氧的溶解度隨溫度降低而迅速下降，過飽和的氧將在鑄造多晶硅中形成原生氧沉淀，也可能與其它雜質(zhì)形成各種各樣的復合體，如N-0、C-0復合體。這些氧沉淀及其復合體不僅會降低磷外吸雜的效果，甚至直接成為電池的短路通道。
[0006]這些氧缺陷對硅材料和器件具有有利和不利兩方面的影響，它可以結(jié)合器件工藝形成內(nèi)吸雜，吸除金屬雜質(zhì)，還可以釘扎位錯，提高硅片的機械強度，但當氧沉淀過量時又會誘生其它的晶體缺陷，引入大量的二次缺陷，還會吸引鐵等金屬元素，形成鐵氧沉淀復合體，具有很強的少子復合能力，能夠顯著降低材料的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率。
[0007]在冶金法的定向凝固、鑄錠等工藝中，坩堝中的氧元素或通入氣體中的氧元素不可避免地會進入到硅料中，是氧雜質(zhì)產(chǎn)生的主要原因。傳統(tǒng)的測試硅中氧含量的普遍方法為紅外光譜，用紅外光譜分別對高純硅料與混料(鑄鑄后的邊角料與高純料混合)進行檢測，兩種料中氧的含量相差不大，這也導致了冶金法工藝中引入的氧雜質(zhì)未受到重視。
[0008]實際上，在硅中，氧元素有兩種狀態(tài):替代位，即氧代替了硅的位置；間隙位，即氧在硅原子的間隙中。傳統(tǒng)的測試硅中氧含量的紅外光譜只能檢測間隙位的氧含量，不能真實反映兩種硅料中的氧含量水平。經(jīng) 申請人:的實驗測試，替代位的氧會釋放電子，與硅中雜質(zhì)磷產(chǎn)生的作用相似，能夠影響多晶硅電池片光電轉(zhuǎn)化效率。 申請人:通過二次離子質(zhì)譜儀多次檢測，在上述兩種硅料中，氧元素含量相差很大，主要是替代位的氧元素含量的差別。因此，對于鑄錠等工藝中引入的雜質(zhì)氧不能忽視，必需尋求有效的手段降低硅中雜質(zhì)氧的含量。
[0009]但是，現(xiàn)有技術(shù)中，對氧元素的去除效果不佳。對于氧雜質(zhì)的去除方法，檢索到發(fā)明專利CN200810070925 —種降低金屬硅中氧、碳含量的方法，該發(fā)明采用在硅液中吹入氧氣、氫氣和水蒸氣，使氫氣和氧氣在娃液中反應產(chǎn)生局部高溫，使娃液中的氧、碳兀素隨氣體排放而去除，但是該方法需要在硅熔融狀態(tài)下通入氧氣和氫氣，操作難度大，危險性高，氧的去除效果不佳。
[0010]同時，有效降低多晶硅鑄錠原料中氧含量之后，即可通過定向長晶工藝獲得多晶硅鑄錠，但是之前的鑄錠方法都是直接加熱鑄錠原料，用時長，能耗大，鑄錠單爐進行，不能實現(xiàn)連續(xù)鑄錠，需要反復抽取真空，能耗也較大。
實用新型內(nèi)容
[0011]為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種電子束熔煉多晶硅除氧與連續(xù)鑄錠的設備，該設備安裝有電子束熔煉組件和連續(xù)鑄錠組件，通過電子束熔煉去除多晶硅原料中的雜質(zhì)氧，得到高純低氧的多晶硅液，將該多晶硅液直接引導進入連續(xù)鑄錠裝置完成長晶鑄錠工藝，得到高純低氧的多晶硅鑄錠，有效降低了硅料中的氧含量，提高了電池的轉(zhuǎn)換效率，減少了鑄錠原料加熱的工序，該設備安裝的多個鑄錠裝置，可實現(xiàn)連續(xù)鑄錠效果，減少工藝時間，降低生產(chǎn)過程中的總能耗，節(jié)省成本。
[0012]本發(fā)明所述的電子束熔煉多晶硅除氧與連續(xù)鑄錠的設備，包括爐體，其特征在于:爐體中設置有電子束熔煉組件和連續(xù)鑄錠組件，其中:
[0013]電子束熔煉組件包括安裝于爐體內(nèi)上部的水冷的熔煉坩堝，該熔煉坩堝上開設有凹形熔煉池，該熔煉坩堝一側(cè)設有水冷傳輸帶，該水冷傳輸帶一側(cè)與熔煉坩堝側(cè)部開口平齊，另一側(cè)向下傾斜并設有導流口，熔煉坩堝頂部爐體上固定安裝有熔煉用電子槍，水冷傳輸帶頂部爐體上固定安裝有輻射用電子槍，位于熔煉坩堝的一側(cè)爐體壁上設置有加料裝置，該加料裝置的出料口位于熔煉坩堝的上方；
[0014]連續(xù)鑄錠組件包括安裝于爐體底部的旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)平臺固定安裝于旋轉(zhuǎn)軸上，且圍繞旋轉(zhuǎn)軸水平轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)平臺上圓周分布式的安裝有鑄錠裝置，鑄錠裝置位于水冷傳輸帶下方，且水冷傳輸帶的導流口所在位置的豎直軸線位于鑄錠裝置的運動軌跡范圍之內(nèi)。
[0015]所述水冷傳輸帶向下傾斜，其與水平面之間的傾斜角度為5°?15°，水冷傳輸帶單體成型或與熔煉坩堝整體成型。
[0016]鑄錠裝置為3-6臺，固定安裝于旋轉(zhuǎn)平臺上。[0017]鑄錠裝置包括固定安裝于旋轉(zhuǎn)平臺上的水冷機構(gòu)，該水冷機構(gòu)上設有石英坩堝，石英坩堝外壁上由內(nèi)到外設有加熱器和保溫套筒。
[0018]在本發(fā)明中，首次提出了實現(xiàn)電子束熔煉除氧及連續(xù)鑄錠的設備，利用電子束熔煉高溫蒸發(fā)去除雜質(zhì)的特性，通過熔煉用電子槍在熔煉坩堝中熔化并熔煉初步除氧，在水冷傳輸帶上的較大表面積之上在輻射用電子槍的作用下進一步高效除氧，并維持液態(tài)進入鑄錠裝置中，為鑄錠工藝提供低氧的液態(tài)高純多晶硅原料，提出的設備中設置多個鑄錠裝置，在一個鑄錠裝置完成鑄錠工藝后，旋轉(zhuǎn)下一個鑄錠裝置接收低氧多晶硅液并進行定向長晶鑄錠工藝，實現(xiàn)了連續(xù)鑄錠的效果，本發(fā)明實現(xiàn)了電子束除氧的效果，同時結(jié)合連續(xù)鑄錠，減少了電子束熔煉后凝固和鑄錠加熱原料的時間，降低了鑄錠加熱原料所需的能耗，大大提聞了生廣效率。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0020](I)提出了電子束除氧的設備，解決了多晶硅中雜質(zhì)氧去除的難題，氧含量可以降低于0.057Ippmw以下,滿足太陽能電池對多晶娃鑄錠含氧量的要求。
[0021](2)實現(xiàn)了熔煉初步除氧和多晶硅液態(tài)流動時通過輻射電子束進一步除氧，縮短除氧時間20%以上。
[0022](3)電子束熔煉除氧技術(shù)與連續(xù)化鑄錠技術(shù)耦合的設備，實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，可提高生產(chǎn)效率50%以上，節(jié)約能耗25%以上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖中:1、爐體 2、熔煉坩堝 3、熔煉用電子槍 4、輻射用電子槍 5、加料裝置
6、石英坩堝7、水冷拉錠機構(gòu)8、石墨發(fā)熱體9、保溫套筒10、旋轉(zhuǎn)平臺11、旋轉(zhuǎn)軸12、水冷傳輸帶13、導流口
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實施例和附圖詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于具體實施例。
[0026]實施例1:
[0027]如圖1所示，電子束熔煉多晶硅除氧與連續(xù)鑄錠的設備，包括爐體，爐體I中設置有電子束熔煉組件和連續(xù)鑄錠組件，其中:
[0028]電子束熔煉組件包括安裝于爐體內(nèi)上部的水冷的熔煉坩堝2，該熔煉坩堝上開設有凹形熔煉池(附圖中未指出)，該熔煉坩堝一側(cè)設有水冷傳輸帶12，該水冷傳輸帶一側(cè)與熔煉坩堝側(cè)部開口平齊，另一側(cè)向下傾斜并設有導流口 13，水冷傳輸帶上開有凹形槽，用于將熔煉初步除氧的多晶硅液引導向鑄錠裝置的方向流動，并通過水冷傳輸帶上的導流口進入鑄錠裝置中，熔煉坩堝頂部爐體上固定安裝有熔煉用電子槍3，該電子槍用于熔煉含氧量較高的多晶硅料初步去除其中的雜質(zhì)氧，水冷傳輸帶頂部爐體上固定安裝有輻射用電子槍4，位于熔煉坩堝的一側(cè)爐體壁上設置有加料裝置5，該加料裝置的出料口位于熔煉坩堝的上方。
[0029]熔煉用電子槍用于熔煉多晶硅料去除雜質(zhì)，一段時間后，硅液流入水冷傳輸帶的凹形槽，該凹形槽表面積較大，硅液平鋪其上后有利于快速除雜，水冷傳輸帶單體成型，熔煉坩堝和水冷傳輸帶由銅材料制成，其中通入循環(huán)冷卻水，以避免熔化和損壞，水冷傳輸帶向下傾斜，其與水平面之間的傾斜角度為5°，以便硅液沿著水冷傳輸帶上凹形槽順利向下流動，并通過導流口進入鑄錠裝置中的石英坩堝中。
[0030]連續(xù)鑄錠組件包括安裝于爐體底部的旋轉(zhuǎn)軸11，旋轉(zhuǎn)軸與爐體底部之間通過動密封連接，以保證爐體的密封性，并可以實現(xiàn)水平勻速圓周的轉(zhuǎn)動，圓周運動速率控制在10mm/s-50mm/s，旋轉(zhuǎn)平臺10固定安裝于旋轉(zhuǎn)軸上，可以圍繞旋轉(zhuǎn)軸水平轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)平臺上圓周分布式的安裝有鑄錠裝置，每兩個鑄錠裝置之間的夾角相等，鑄錠裝置位于水冷傳輸帶下方，且水冷傳輸帶的導流口所在位置的豎直軸線位于鑄錠裝置的運動軌跡范圍之內(nèi)，以保證從導流口流出的硅液順利加入鑄錠裝置的石英坩堝中。
[0031]鑄錠裝置為6臺，圓周分布式固定安裝于旋轉(zhuǎn)平臺上，每兩臺鑄錠裝置之間的夾角為60°，鑄錠裝置包括固定安裝于旋轉(zhuǎn)平臺上的水冷機構(gòu)，該水冷機構(gòu)上設有石英坩堝，石英坩堝外壁上由內(nèi)到外設有加熱器和保溫套筒，水冷機構(gòu)可以采用水冷拉錠機構(gòu)，此時采用一體的石墨加熱器，通過加熱保持液態(tài)和拉錠來實現(xiàn)定向長晶工藝；也可以采用固定的水冷機構(gòu)，此時采用分體的石墨加熱器，該石墨加熱器分成上、中、下三個石墨加熱片，通過調(diào)節(jié)上、中、下的石墨加熱片的加熱功率來進行定向長晶工藝，該鑄錠裝置能實現(xiàn)定向長晶鑄錠工藝的全部過程。
[0032]實施例2:
[0033]采用實施例1所述的裝置，進行電子束熔煉多晶硅除氧與連續(xù)鑄錠工藝，具體步驟如下:
[0034](I)裝料抽真空:將顆粒大小為10-12mm、純度為99.996%、氧含量為20ppmw的多晶硅料清洗烘干后放入加料裝置中，在鑄錠裝置的石英坩堝底部鋪設6N的多晶硅鑄錠底料，并將爐體的真空度抽至3X 10_2Pa，電子槍的真空度抽至4X 10_3Pa，預熱電子槍15min ；
[0035](2)初步除氧:通過加料裝置向電子束熔煉爐熔煉坩堝中連續(xù)加入步驟(I)中的多晶硅料，啟動熔煉用電子槍，設定熔煉用電子槍的電子束束流為1200mA熔化并熔煉15min多晶娃料初步去除其中的雜質(zhì)氧；
[0036](3)進一步除氧:初步除氧后的多晶硅液進入水冷傳輸帶并在輻射用電子槍作用下保持液態(tài)進一步除氧，得到除氧后的多晶硅液，此過程中設定輻射用電子槍的電子束束流為800mA ；
[0037](4)多晶硅鑄錠工藝:加熱熔化鑄錠裝置的石英坩堝底部鋪設的6N (質(zhì)量分數(shù)為99.9999%)多晶硅鑄錠底料，將除氧后的多晶硅液通過導流口引導進入鑄錠裝置的石英坩堝中，控制鑄錠裝置的加熱器功率維持該多晶硅液為液態(tài)，連續(xù)向鑄錠裝置的石英坩堝中加入該多晶硅液，至達到石英坩堝體積的80%后，通過旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動將該鑄錠裝置旋轉(zhuǎn)離開并進行定向長晶鑄錠工藝，此過程中控制定向長晶速度為1.2cm-l.3cm/h(厘米每小時)，同時另一個鑄錠裝置轉(zhuǎn)動至水冷傳輸帶導流口下方；
[0038](5)連續(xù)鑄錠:重復進行步驟(2)、(3)和(4)中的操作，待最后一個鑄錠裝置石英坩堝中除氧后的多晶硅液達到其體積的80%時，停止電子束熔煉，待所有鑄錠裝置中定向長晶鑄錠工藝完成后取出多晶硅鑄錠，得到電子束除氧的多晶硅鑄錠，該多晶硅鑄錠經(jīng)二次離子質(zhì)譜(SIMS)檢測，其氧含量低于二次離子質(zhì)譜檢測極限，即低于0.0571ppmw。
【權(quán)利要求】
1.一種電子束熔煉多晶硅除氧與連續(xù)鑄錠的設備，包括爐體，其特征在于:爐體中設置有電子束熔煉組件和連續(xù)鑄錠組件，其中， 電子束熔煉組件包括安裝于爐體內(nèi)上部的水冷的熔煉坩堝，該熔煉坩堝上開設有凹形熔煉池，該熔煉坩堝一側(cè)設有水冷傳輸帶，該水冷傳輸帶一側(cè)與熔煉坩堝側(cè)部開口平齊，另一側(cè)向下傾斜并設有導流口，熔煉坩堝頂部爐體上固定安裝有熔煉用電子槍，水冷傳輸帶頂部爐體上固定安裝有輻射用電子槍，位于熔煉坩堝的一側(cè)爐體壁上設置有加料裝置，該加料裝置的出料口位于熔煉坩堝的上方； 連續(xù)鑄錠組件包括安裝于爐體底部的旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)平臺固定安裝于旋轉(zhuǎn)軸上，且圍繞旋轉(zhuǎn)軸水平轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)平臺上圓周分布式的安裝有鑄錠裝置，鑄錠裝置位于水冷傳輸帶下方，且水冷傳輸帶的導流口所在位置的豎直軸線位于鑄錠裝置的運動軌跡范圍之內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子束熔煉多晶硅除氧與連續(xù)鑄錠的設備，其特征在于:所述水冷傳輸帶向下傾斜，其與水平面之間的傾斜角度為5°?15°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2任一所述的一種電子束熔煉多晶硅除氧與連續(xù)鑄錠的設備，其特征在于:所述水冷傳輸帶單體成型或與熔煉坩堝整體成型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子束熔煉多晶硅除氧與連續(xù)鑄錠的設備，其特征在于:所述鑄錠裝置為3-6臺，固定安裝于旋轉(zhuǎn)平臺上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4任一所述的一種電子束熔煉多晶硅除氧與連續(xù)鑄錠的設備，其特征在于:所述鑄錠裝置包括固定安裝于旋轉(zhuǎn)平臺上的水冷機構(gòu)，該水冷機構(gòu)上設有石英坩堝，石英坩堝外壁上由內(nèi)到外設有加熱器和保溫套筒。
【文檔編號】C30B28/06GK203559159SQ201320745554
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】安廣野, 王登科, 姜大川, 郭校亮, 譚毅 申請人:青島隆盛晶硅科技有限公司