專利名稱：從超高純石英材料冶煉并直接鑄錠的設(shè)備及至切片制取太陽能級硅片的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低成本生產(chǎn)多晶硅錠切片太陽能電池材料的新方法及其專用設(shè)備。
傳統(tǒng)的即目前在國際上普遍采用的多晶硅太陽能電池材料的切片是由集成電路用單晶硅的頭尾廢料或由一般純度甚至高純的石英砂在經(jīng)過電(弧)爐的冶煉之前或后采用一系列復(fù)雜的化學(xué)的或/和物理的處理過程后制得多晶硅塊，然后再經(jīng)過鑄錠爐熔化鑄成多晶硅錠，脫模取出進行脫模切片。
而本方法的出現(xiàn)是由于最近幾年在我國發(fā)現(xiàn)了超高純的天然石英砂，其純度比一般高純石英砂經(jīng)過一系列化學(xué)的或/和物理的處理過程后的高純石英砂的純度還要高得多，即雜質(zhì)含量還要低得多，特別是硼、磷的含量特別低。(參考數(shù)據(jù)硼為0.006～0.02；磷為0.002～0.2，單位是ppm)是適合本方法的首選原材料?？上е两襁@些優(yōu)質(zhì)寶貴的石英砂卻往往被大材小用，如被用作制造普通玻璃的原料。還有在直拉法制備單晶硅棒后必廢棄一個石英坩鍋，上面還粘有直拉單晶后剩的硅，在其純度保證符合上述要求的情況下，也可用作本方法的原材料。由此可見，適用本工藝方法的前提是擁有大量達到如此高純的超高純天然石英砂或同等純度的石英制品廢料等。
所說的新方法的特征是以超高純石英材料(石英砂或/和石英制品廢料，化學(xué)名稱為二氧化硅)和超高純(成團化處理過的)碳黑作為原料，經(jīng)過電爐冶煉獲得的熔硅直接進行鑄錠并定向凝固成無開裂多晶硅錠，脫模取出后，先把周邊余量切掉并切到標準尺寸后再進行切片，以作為生產(chǎn)太陽能電池的硅片材料。所說的電爐即(a)電弧爐的兩個(1)電極是用超高純石墨棒制成并采用超高純陶瓷(2)絕緣材料進行絕緣，其(3)爐襯也采用超高純石墨或其它超高純材料制成，其冶煉獲得的熔硅的出口可以是單一的，也可以由多個出口組成，填加原料前，每一出口用一個(4)多晶硅片(塊)作為堵頭，并以(5)專用連接法蘭盤固緊，所說的專用連接法蘭盤內(nèi)沿的下端嵌有用超高純材料制的(6)熔硅導(dǎo)槽，其上部安裝有超高純材料制的(8)熔硅限流板，以作為把電(弧)爐中的原料冶煉成熔硅后流出時輸導(dǎo)到(b)鑄錠爐中以供直接進行鑄錠之用。
所說的直接進行鑄錠是由多個(特例為一個)同時或相繼通過所說的專用連接法蘭盤對準電(弧)爐的(7)熔硅出口的鑄錠爐等設(shè)備的協(xié)調(diào)動作配合完成的，所說的每一個鑄錠爐的上半部都有一個(9)可升降的鐘罩形爐腔外壁，在此鐘罩形爐腔外壁上除了有一(10)窺視鏡外，還有一個和電(弧)爐熔硅出口專用法蘭盤對接的法蘭盤(11)對接口，在此法蘭盤對接口內(nèi)沿下端有一個略微下斜的嵌有超高純材料制的(12)熔硅導(dǎo)槽，以保證熔硅直接流入鑄錠爐的(13)石墨模具中，在所說的鑄錠爐的下半部的固定部分的爐腔內(nèi)，都設(shè)有熔硅(14)保溫加熱系統(tǒng)、橫截面為方形的且內(nèi)壁涂有供多晶硅錠脫模用的脫模劑的高純(13)石墨模具及其(15)支撐升降系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、以及氬氣輸入輸出和測溫控溫系統(tǒng)等；所說的定向凝固成無開裂多晶硅錠的過程即由此種鑄錠爐單獨完成的。當電(弧)爐和鑄錠爐按上述要求完成對接后，進行抽真空，然后輸入氬氣至一個大氣壓；另一方面，在電(弧)爐中裝入按預(yù)定比例混合的超高純石英材料和經(jīng)過成團處理過的超高純碳黑等原料后，啟動電弧爐進行冶煉，當原料幾乎全部耗盡而冶煉成熔硅時，每一熔硅出口處的(4)多晶硅片(塊)堵頭被熔通，當熔硅幾乎全部流出并被分配到相應(yīng)的鑄錠爐中的石墨模具中后，該石墨模具的底部在不斷輸入氬氣的同時隨其支撐升降系統(tǒng)緩慢下降，使多晶硅從底部開始凝固，逐漸向上以形成無開裂多晶硅錠。
上述電(弧)爐和鑄錠爐的組合即為本發(fā)明所說的新方法的專用設(shè)備，如說明書附圖
所示。
所說的多晶硅錠的橫截面邊長為正方形單片太陽能電池最終產(chǎn)品的邊長(一般統(tǒng)一標準定為10公分)長度或其邊長的兩倍長度再加上該長度的1～10％的周邊余量。在進行切片之前，先用切邊機切掉周邊余量后，再用切片機把正方形邊長為標準尺寸的多晶硅塊切成約0.4毫米厚度的多晶硅片。
所說的“超高純”的概念的含義是指在所用原料中所允許的雜質(zhì)含量的標準是以保證采用本方法所制備的可以進一步制造成太陽能電池的多晶硅片的P型電阻率值在0.9～10.1(歐姆-厘米)的范圍為宜。所說的超高純石英材料可以是天然超高純石英砂，也可以是把具有一定高純度的石英砂或石英制品廢料經(jīng)過簡單的化學(xué)或/和物理工序處理過后達到所說的“超高純”的標準的石英材料。
顯然，本發(fā)明提出的是一種低成本生產(chǎn)多晶硅太陽能電池材料的新方法，但必要條件是須擁有大量達到上述標準的高純度的超高純天然石英砂或同等純度的石英制品廢料，就可以大大降低生產(chǎn)多晶硅太陽電池的成本，或者采用此項新方法來獲得專業(yè)生產(chǎn)多晶硅片的較高利潤，另一方面也是一種大大提高天然超高純石英砂的利用價值的途徑，對于更高的特高純天然石英砂，是否可以直接冶煉成電子純多晶硅，今后也不妨試探討一下。
權(quán)利要求
1.一種低成本生產(chǎn)多晶硅鑄錠切片法太陽能電池材料的新方法及其專用設(shè)備。所說的新方法的特征是以超高純石英材料(石英砂或/和石英制品廢料，化學(xué)名稱為二氧化硅)和超高純碳黑作為原料，經(jīng)過電爐冶煉獲得的熔硅直接進行鑄錠并定向凝固成無開裂多晶硅錠，脫模取出制成多晶硅錠后，先把周邊余量切到或分塊切到標準尺寸再進行切片，以作為生產(chǎn)太陽能電池的硅片材料。所說的電爐即(a)電弧爐的兩個(1)電極是用超高純石墨棒制成并采用(2)超高純陶瓷絕緣材料進行絕緣，其(3)爐襯也采用超高純石墨或其它超高純材料制成，其冶煉獲得的熔硅的出口可以是單一的，也可以由多個出口組成，填加原料前，每一出口用一個(4)多晶硅片(塊)作為堵頭，并以(5)專用連接法蘭盤固緊，所說的專用連接法蘭盤的內(nèi)沿的下端嵌有用超高純材料制的(6)熔硅導(dǎo)槽，其上部安裝有超高純材料制的(8)熔硅限流板，以作為把電(弧)爐中的原料冶煉成熔硅后流出時輸導(dǎo)到(b)鑄錠爐中以供直接進行鑄錠之用。
2.在權(quán)利要求1中所說的直接進行鑄錠是由多個(特例為一個)同時或相繼通過所說的專用連接法蘭盤對準電(弧)爐的(7)熔硅出口的鑄錠爐等設(shè)備的協(xié)調(diào)動作配合完成的，所說的每一個鑄錠爐的上半部都有一個(9)可升降的鐘罩形爐腔外壁，在此鐘罩形爐腔外壁上除了有一(10)窺視鏡外，還有一個和電(弧)爐熔硅出口專用法蘭盤對接的法蘭盤(11)對接口，在此法蘭盤對接口內(nèi)沿下端有一個略微下斜的嵌有超高純材料制的(12)熔硅導(dǎo)槽，以保證熔硅直接流入鑄錠爐的(13)石墨模具中，在所說的鑄錠爐的下半部的固定部分的爐腔內(nèi)，都設(shè)有熔硅(14)保溫加熱系統(tǒng)、橫截面為方形的且內(nèi)壁涂有供多晶硅錠脫模用的脫模劑的超高純(13)石墨模具及其(15)支撐升降系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、以及氬氣輸入輸出和測溫控溫系統(tǒng)等。所說的定向凝固成無開裂多晶硅錠的過程即由此種鑄錠爐單獨完成的。當電(弧)爐和鑄錠爐按上述要求完成對接后，進行抽真空，然后輸入氬氣至一個大氣壓；另一方面，在電(弧)爐中裝入按預(yù)定比例混合的超高純石英材料和經(jīng)過成團處理過的超高純碳黑原料后，啟動電(弧)爐進行冶煉，當原料幾乎全部耗盡而冶煉成熔硅時，每一熔硅出口處的多晶硅片(塊)堵頭被熔通，當熔硅幾乎全部流出并被分配到相應(yīng)的鑄錠爐中的石墨模具中后，該石墨模具的底部在不斷輸入氬氣的同時隨其支撐升降系統(tǒng)緩慢下降，使多晶硅從底部開始凝固，逐漸向上以形成無開裂多晶硅錠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所說的(a)電(弧)爐和(b)鑄錠爐的組合為本發(fā)明所說的新方法的專用設(shè)備，以及上述的用此設(shè)備進行的從超高純石英材料冶煉直至取出多晶硅錠的工藝。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所說的多晶硅錠的橫截面邊長為正方形單片太陽能電池最終產(chǎn)品的邊長(一般統(tǒng)一標準定為10公分)長度或其邊長的兩倍長度再加上其長度的1～10％的周邊余量。以及當用切邊機切掉周邊余量后，再用切片機把正方形邊長為標準尺寸的多晶硅塊切成約0.4毫米厚度的多晶硅片的工藝。
5.權(quán)利要求1、2、3中所說的“超高純”的概念的含義是指在所用原料中所允許的雜質(zhì)含量的標準是以保證采用本方法所制備的可以進一步制造成太陽能電池的多晶硅片的P型電阻率值在0.9～10.1(歐姆-厘米)的范圍為宜。所說的超高純石英材料可以是天然超高純石英砂，也可以是把具有一定高純度的石英砂或石英制品廢料經(jīng)過簡單的化學(xué)或/和物理工序(如酸洗、清洗、烘干)處理過后達到所說的“超高純”的標準的石英材料。
全文摘要
從超高純石英材料(石英砂或/和石英制品廢料)經(jīng)過電爐冶煉獲得的熔硅直接進行鑄錠定向凝固成無開裂多晶硅錠的設(shè)備及至脫模取出硅錠后直接切片的工藝,以作為生產(chǎn)多晶硅太陽能電池的硅片材料。這是一種低成本生產(chǎn)多晶硅太陽能電池材料的新方法,可以大大降低生產(chǎn)多晶硅太陽電池的成本,或者采用此項新方法來獲得專業(yè)生產(chǎn)多晶硅片的較高利潤,另一方面也可以成為大大提高天然超高純石英砂以及某些石英制品廢料的利用價值的途徑。
文檔編號C30B11/00GK1176319SQ96113018
公開日1998年3月18日 申請日期1996年9月9日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月9日
發(fā)明者解青華 申請人:解青華