一種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法
【專利摘要】一種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法，本發明涉及一種柱狀晶硅錠的制備方法。本發明的目的是解決目前電磁連鑄技術制備的硅錠的柱狀晶寬度較小，從而影響光電轉換率的提高，而提供一種具有大尺寸晶粒的硅錠的定向生長方法。步驟一、將料斗裝滿顆粒硅；步驟二、利用真空泵將真空室抽真空；步驟三、向真空室充入300～400Pa的氬氣；步驟四、感應線圈通入單相交流電；步驟五、啟動步進電機；步驟六、啟動位移電機驅動拉桿；步驟七、柱狀晶硅錠的外層有1mm～2mm的多晶層，外層內部為平行于拉桿方向的柱狀晶，將多晶層加工去除后即為具有定向凝固多晶硅錠。本發明應用于綠色能源制造業領域。
【專利說明】一種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種柱狀晶硅錠的制備方法。
【背景技術】
[0002] 授權專利名稱為一種具有定向凝固組織多晶硅錠的制備方法（專利號： ZL201010609932. 8)中，解決了現有電磁連鑄不能定向凝固多晶硅，或定向凝固多晶硅時陶 瓷或石墨容器的污染而降低多晶硅純度的問題。利用一種具有定向凝固組織多晶硅錠的制 備方法，制備的硅錠除表層為約1-2_的多晶區外，中間全部為平行于抽拉方向的定向凝 固組織的柱狀晶，柱狀晶的寬度約為1-2. 8_，但是柱狀晶的寬度還有很大的提升空間。基 于授權專利名稱為一種具有定向凝固組織多晶硅錠的制備方法，對該專利中的形成一定的 硅熔體駝峰后的保溫時間進行了修正，并且對比了參數修正前后柱狀晶的變化。
[0003] 目前市場上的硅太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅和非晶硅三大類：單晶硅太陽 能電池以其轉換效率高（目前已大于25%)、質量穩定等特點在國際市場上得到了廣泛的 應用，但單晶硅對原料的純度要求高（99. 999999999% )，因此，單晶硅生產成本高，制約了 單晶硅的應用。非晶硅太陽能電池轉換效率較低（14. 5%)，性能極不穩定，電池衰減快，其 應用受到了制約。多晶硅太陽能電池以其轉換效率較高（19. 8%)，性能穩定和成本適中而 得到廣泛應用，多晶硅電池對原料的純度要求低，原料的來源渠道也較為廣闊，可由鑄錠而 成，適合大規模商業化生產，占據市場的主導地位。目前的多晶硅可分為等軸晶和柱狀晶， 柱狀晶因為晶界的減少轉換率得到提高，也就是說在相同條件下制備的多晶硅錠，晶界越 少，光電轉換率越高。定向凝固是在控制鑄件內部傳熱、傳質和流動的條件下，金屬（或晶 體類材料）能夠沿固定生長方向進行凝固或結晶的過程。定向凝固后金屬的組織特征是與 凝固熱流方向平行的一組平行柱狀晶。定向凝固是在滿足單向的熱量和質量傳遞基本條件 下的特殊的材料加工工藝。目前定向凝固多晶硅錠的制備主要是在陶瓷（剛玉）或石墨套 筒中進行，套筒內壁對顆粒硅產生污染，以致最后影響硅錠的純度。電磁連鑄技術是一種可 以定向凝固多晶硅的技術，但是其柱狀晶的寬度大多小于3_，雖然其晶界減少較多，但還 是難以達到陶瓷坩堝制備的柱狀晶的寬度。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是解決目前電磁連鑄技術制備的硅錠的柱狀晶寬度較小，從而影響 光電轉換率的提1?，而提供一種具有大尺寸柱晶的娃淀的制備方法。
[0005] -種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法，它按以下步驟實現：
[0006] 步驟一、石墨底座的上端面設置在距冷坩堝的上端面25mm?30mm處，將料斗裝滿 顆粒硅，并先漏入石墨底座的上端面上250g?300g的顆粒硅；
[0007] 步驟二、利用真空泵將真空室抽真空，使真空室的真空度為0. 05Pa?0. IPa ;
[0008] 步驟三、向真空室充入300?400Pa的氬氣；
[0009] 步驟四、感應線圈通入單相交流電，電源功率為50kW?55kW，通過感應線圈使冷 坩堝內的顆粒硅感應加熱并完全熔化，感應線圈的線徑為Φ8mm?Φ 12mm，感應線圈的匝 數為4匝；
[0010] 步驟五、啟動步進電機使顆粒硅連續不斷的向冷坩堝內加入，形成顆粒硅熔體駝 峰后，停止步進電機，保溫30?50min ;
[0011] 步驟六、啟動位移電機驅動拉桿以0. 5mm/min?I. Omm/min的速度向下運動，同時 啟動步進電機，使石墨管中的顆粒硅與抽拉凝固的硅錠相適用的速度連續不斷的向冷坩堝 內加料，同時冷坩堝下面的冷卻器為熔化的顆粒硅提供強冷，使熔化的顆粒硅形成具有定 向凝固組織的柱狀晶，待石墨底座向下移動120mm?160mm后，即為所需長度的柱狀晶娃 錠；
[0012] 步驟七、柱狀晶硅錠的外層有Imm?2mm的多晶層，外層內部為平行于拉桿方向的 柱狀晶，將多晶層加工去除后即為具有定向凝固多晶硅錠。
[0013] 本發明具有以下優點：
[0014] 一、本發明方法制備的多晶硅錠是在真空室內制備而成，并且冷坩堝8的材質為 紫銅，且紫銅內通冷卻水。因此，本發明方法制備的多晶硅錠無污染；利用本發明方法生 產的多晶硅錠具有定向凝固組織的柱狀晶，且柱狀晶生長連續、柱狀晶大，柱狀晶的寬度為 3_?8_，柱狀晶貫穿多晶硅錠的高度，因此，本發明方法制備的多晶硅錠純度高，柱狀晶 寬度大。二、本發明方法制備的多晶硅錠具有環保、低碳的優點。三、本發明方法制備的具 有大尺寸柱狀晶的硅錠特別適用于太陽能級多晶硅對純度的要求。本發明方法與一種具有 定向凝固組織多晶硅錠的制備方法相比能夠增加柱狀晶的平均寬度，減少晶界數量，從而 能夠增加多晶硅太陽能電池的轉換效率。
[0015] 隨著保溫時間的增長，熔體過熱度增加，晶體內部高熔點的夾雜物變少，抑制了其 非均勻形核效果，促進了晶體的長大。
[0016] 工作原理：
[0017] 本發明由感應加熱、電磁約束、初始大晶粒形成，柱狀晶生長四個過程實現的；在 感應加熱方面，電磁感應加熱石墨，石墨預熱顆粒硅，顆粒硅被直接感應加熱至熔化；在電 磁約束方面,高頻磁場將原料感應熔化,并形成駝峰,通過螺桿22和拉桿5速度來控制駝峰 高度，增大感應線圈17功率使熔體過熱度增大，且與冷坩堝8的內壁接觸面積減小，減小凝 殼效應，使熔體處于穩定形態；在初始大晶粒形成方面，通過初始保溫時間的增長，而使得 初始晶粒變得較大，為后續的晶粒生長提供大的初始晶粒尺寸；在柱狀晶生長方面，由于冷 坩堝8下面冷卻器4的冷卻，形成大的溫度梯度分布，電磁場攪拌使熔質分布均勻，電磁約 束的軟接觸效應，使得側向散熱得到抑制，感應加熱使得硅顆粒熔化，通過長時間的預熱使 初始晶粒慢慢長大，最后形成平直的固液界面，通過較低的生長速度，使凝固界面保持平直 或者上凸，最后在水冷坩堝中獲得無污染的大晶粒的定向凝固。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1是實現本發明方法的一種具有定向凝固多晶硅錠的制備裝置的結構主剖視 圖；
[0019] 圖2是圖1的A-A剖視圖；
[0020] 圖3是冷坩堝8的結構主剖視圖；
[0021] 圖4是圖3的B-B剖視圖；
[0022] 圖5是圖4的I局部放大圖；其中：爐體1、真空室2、真空泵3、冷卻器4、拉桿5、 位移電機6、石墨底座7、冷坩堝8、方環狀出水管9、出水接管10、第一螺母11、水箱進水管 12、方環狀進水管13、進水接管14、第二螺母15、水箱出水管16、感應線圈17、石墨管18、支 撐板19、聚料斗20、殼體21、螺桿22、聯軸器23、可調式變速箱24、步進電機25、料斗26、上 半體8-1、下半體8-2、絕緣密封材料8-3、截面為花瓣狀的柱體8-4、通水孔8-5和縱向盲孔 8-6 ；
[0023] 圖6(a)是實施例保溫時間15min的合金的顯微組織圖；
[0024] 圖6(b)是實施例保溫時間35min的合金的顯微組織圖；
[0025] 圖7 (a)是實施例為保溫5min后制備的多晶硅鑄錠圖；
[0026] 圖7 (b)是實施例為保溫15min后制備的多晶硅鑄錠圖；
[0027] 圖7 (c)是實施例為保溫25min后制備的多晶硅鑄錠圖；
[0028] 圖7 (d)是實施例為保溫35min后制備的多晶硅鑄錠圖；
[0029] 圖8(a)是實施例中表示的是保溫5min下多晶娃鑄錠的宏觀組織圖；
[0030] 圖8(b)是實施例中表示的是保溫15min下多晶娃鑄錠的宏觀組織圖；
[0031] 圖8(c)是實施例中表示的是保溫25min下多晶娃鑄錠的宏觀組織圖；
[0032] 圖8(d)是實施例中表示的是保溫35min下多晶娃鑄錠的宏觀組織圖；
[0033] 圖9 (a)是實施例中表示的是保溫5min下多晶硅鑄錠橫截面上的宏觀組織圖；
[0034] 圖9(b)是實施例中表示的是保溫15min下多晶娃鑄錠橫截面上的宏觀組織圖；
[0035] 圖9 (c)是實施例中表示的是保溫25min下多晶硅鑄錠橫截面上的宏觀組織圖；
[0036] 圖9 (d)是實施例中表示的是保溫35min下多晶硅鑄錠橫截面上的宏觀組織圖；
[0037] 圖10是實施例中表示的是晶粒大小隨著保溫時間的變化而變化圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0038] 一：本實施方式的一種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法，它按以 下步驟實現：
[0039] 步驟一、石墨底座7的上端面設置在距冷坩堝8的上端面25mm?30mm處，將料斗 26裝滿顆粒硅，并先漏入石墨底座7的上端面上250g?300g的顆粒硅；
[0040] 步驟二、利用真空泵3將真空室2抽真空，使真空室2的真空度為0. 05Pa? 0· IPa ;
[0041] 步驟三、向真空室2充入300?400Pa的氬氣；
[0042] 步驟四、感應線圈17通入單相交流電，電源功率為50kW?55kW，通過感應線圈17 使冷坩堝8內的顆粒硅感應加熱并完全熔化，感應線圈17的線徑為Φ 8mm?Φ 12mm，感應 線圈17的匝數為4匝；
[0043] 步驟五、啟動步進電機25使顆粒硅連續不斷的向冷坩堝8內加入，形成顆粒硅熔 體馬它峰后，停止步進電機25,保溫30?50min ;
[0044] 步驟六、啟動位移電機6驅動拉桿5以0. 5mm/min?I. Omm/min的速度向下運動， 同時啟動步進電機25,使石墨管18中的顆粒硅與抽拉凝固的硅錠相適用的速度連續不斷 的向冷坩堝8內加料，同時冷坩堝8下面的冷卻器4為熔化的顆粒硅提供強冷，使熔化的顆 粒娃形成具有定向凝固組織的柱狀晶，待石墨底座7向下移動120mm?160mm后，即為所需 長度的柱狀晶硅錠；
[0045] 步驟七、柱狀晶硅錠的外層有Imm?2mm的多晶層，外層內部為平行于拉桿方向的 柱狀晶，將多晶層加工去除后即為具有定向凝固多晶硅錠。
[0046] 即獲得定向凝固組織，定向凝固組織的柱狀晶連續生長，平均寬度為3?8mm。
【具體實施方式】 [0047] 二：結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟一中的冷坩堝8的 材質為紫銅，且紫銅內通冷卻水。通水冷卻的紫銅對顆粒硅不產生污染。其它步驟與具體 實施方式一相同。
[0048]
【具體實施方式】三：結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟一中的先漏入石 墨底座7的上端面上250g的顆粒硅。其它步驟與【具體實施方式】一相同。
【具體實施方式】 [0049] 四：結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟二中的真空室2的 真空度為〇.〇8Pa。其它步驟與一相同。
【具體實施方式】 [0050] 五：結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟三中向真空室2充 入350Pa的氬氣。其它步驟與一相同。
【具體實施方式】 [0051] 六：結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟四中的感應線圈 17的線徑為Φ8πιπι?Φ 12mm，感應線圈17的匝數為4匝。其它步驟與一相 同。
【具體實施方式】 [0052] 七：結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟四中的電源功率 為50KW。其它步驟與一或六相同。
【具體實施方式】 [0053] 八：結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟五中在冷坩堝8內 形成的熔體駝峰后的顆粒硅，保溫時間為40min。其它步驟與一相同。
【具體實施方式】 [0054] 九：結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟六中的拉桿5向下 運動的速度與石墨管18中的顆粒硅的加料速度一致。其它步驟與一相同。
【具體實施方式】 [0055] 十：結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟六中石墨底座7向 下移動140mm。其它步驟與一或九相同；
[0056] 實施例：
[0057] 步驟一、石墨底座7的上端面設置在距冷坩堝8的上端面28mm處，將料斗26裝滿 顆粒硅，并先漏入石墨底座7的上端面上260g的顆粒硅；
[0058] 步驟二、利用真空泵3將真空室2抽真空，使真空室2的真空度為0. IPa ;
[0059] 步驟三、向真空室2充入350Pa的氬氣；
[0060] 步驟四、感應線圈17通入單相交流電，電源功率為52kW，通過感應線圈17使冷坩 堝8內的顆粒硅感應加熱并完全熔化，感應線圈17的線徑為Φ 12_，感應線圈17的匝數為 4匝；
[0061] 步驟五、啟動步進電機25使顆粒硅連續不斷的向冷坩堝8內加入，形成顆粒硅熔 體馬它峰后，停止步進電機25，保溫45min ;
[0062] 步驟六、啟動位移電機6驅動拉桿5以I. Omm/min的速度向下運動，同時啟動步進 電機25,使石墨管18中的顆粒硅與抽拉凝固的硅錠相適用的速度連續不斷的向冷坩堝8內 加料，同時冷坩堝8下面的冷卻器4為熔化的顆粒硅提供強冷，使熔化的顆粒硅形成具有定 向凝固組織的柱狀晶，待石墨底座7向下移動160mm后，即為所需長度的柱狀晶娃淀；
[0063] 步驟七、柱狀晶硅錠的外層有2mm的多晶層，外層內部為平行于拉桿方向的柱狀 晶，將多晶層加工去除后即為具有定向凝固多晶硅錠。
[0064] 在本發明中為了更容易說明保溫時間的影響，設計了一組對比試驗。其中控制加 熱功率、抽拉速度等因素不變，只改變在硅料起熔，形成駝峰后的保溫時間。分別取保溫時 間為5min、15min、25min和35min，最終分析保溫時間對晶體生長的影響。主要的工藝參數 如下表1所示。
[0065] 表格1定向凝固實驗工藝參數
[0066]
【權利要求】
1. 一種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法，其特征在于它按以下步驟實現： 步驟一、石墨底座（7)的上端面設置在距冷坩堝（8)的上端面25mm?30mm處，將料斗 (26)裝滿顆粒硅，并先漏入石墨底座（7)的上端面上250g?300g的顆粒硅； 步驟二、利用真空泵（3)將真空室（2)抽真空，使真空室（2)的真空度為0.05Pa? 0· IPa ; 步驟三、向真空室（2)充入300?400Pa的氬氣； 步驟四、感應線圈（17)通入單相交流電，電源功率為50kW?55kW，通過感應線圈（17) 使冷坩堝（8)內的顆粒硅感應加熱并完全熔化，感應線圈（17)的線徑為Φ 8mm?Φ 12mm， 感應線圈（17)的匝數為4匝； 步驟五、啟動步進電機（25)使顆粒娃連續不斷的向冷；t甘禍（8)內加入,形成顆粒娃烙 體馬它峰后，停止步進電機（25)，保溫30?50min ; 步驟六、啟動位移電機（6)驅動拉桿（5)以0. 5mm/min?1. Omm/min的速度向下運動， 同時啟動步進電機（25)，使石墨管（18)中的顆粒硅與抽拉凝固的硅錠相適用的速度連續 不斷的向冷坩堝（8)內加料，同時冷坩堝（8)下面的冷卻器（4)為熔化的顆粒硅提供強冷， 使溶化的顆粒娃形成具有定向凝固組織的柱狀晶，待石墨底座（7)向下移動120mm?160_ 后，即為所需長度的柱狀晶硅錠； 步驟七、柱狀晶硅錠的外層有1_?2_的多晶層，外層內部為平行于拉桿方向的柱狀 晶，將多晶層加工去除后即為具有定向凝固多晶硅錠。
2. 根據權利要求1所述的一種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法，其特征在于所述步 驟一中的冷坩堝（8)的材質為紫銅，且紫銅內通冷卻水。
3. 根據權利要求1所述的一種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法，其特征在于所述步 驟一中的先漏入石墨底座（7)的上端面上250g的顆粒硅。
4. 根據權利要求1所述的一種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法，其特征在于所述步 驟二中的真空室（2)的真空度為0.08Pa。
5. 根據權利要求1所述的一種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法，其特征在于所述步 驟三中向真空室（2)充入350Pa的氬氣。
6. 根據權利要求1所述的一種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法，其特征在于所述步 驟四中的感應線圈（1)7的線徑為Φ8_?Φ 12_，感應線圈（17)的阻數為4阻。
7. 根據權利要求1所述的一種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法，其特征在于所述步 驟四中的電源功率為50KW。
8. 根據權利要求1所述的一種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法，其特征在于所述步 驟五中在冷坩堝（8)內形成的熔體駝峰后的顆粒硅，保溫時間為40min。
9. 根據權利要求1所述的一種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法，其特征在于所述步 驟六中的拉桿（5)向下運動的速度與石墨管（18)中的顆粒硅的加料速度一致。
10. 根據權利要求1所述的一種具有大尺寸柱晶的硅錠的制備方法，其特征在于所述 步驟六中石墨底座（7)向下移動140_。
【文檔編號】C30B28/06GK104294356SQ201410508719
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月28日 優先權日:2014年9月28日
【發明者】陳瑞潤, 王建, 李新中, 丁宏升, 蘇彥慶, 郭景杰, 傅恒志 申請人:哈爾濱工業大學