專利名稱：準(zhǔn)單晶硅的制備爐及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及準(zhǔn)單晶硅的制備領(lǐng)域，特別是涉及一種準(zhǔn)單晶硅的制備爐及制備方法。
背景技術(shù)：
太陽能電池起源于半導(dǎo)體中的光生伏特效應(yīng)，當(dāng)能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度的一束光垂直入射到Pn結(jié)表面，光子將在離表面一定深度的范圍內(nèi)被吸收，如果結(jié)深小于光吸收系數(shù)a的倒數(shù)Ι/a，入射光在結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴對(duì)。離結(jié)區(qū)小于擴(kuò)散長度內(nèi)的光生載流子通過擴(kuò)散到達(dá)結(jié)區(qū)，然后與產(chǎn)生于結(jié)區(qū)內(nèi)的光生載流子匯集，形成自η區(qū)向P區(qū)的光生電流。由于光生載流子的漂移，形成電荷堆積，產(chǎn)生一個(gè)與結(jié)電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，它補(bǔ)償結(jié)電場(chǎng)，使ρη結(jié)正向電流增大。當(dāng)ρη結(jié)正向電流與光生電流相等時(shí),結(jié)兩端建立起一定的電勢(shì)差，即光生電壓?？梢宰鳛樘柲茈姵氐挠性磳硬牧现饕蠭V族元素半導(dǎo)體S1、Ge, II1-V族化合物半導(dǎo)體GaAs，還有I1-VI族元素等等，目前的光伏器件還主要是采用單晶硅或多晶硅材料，通過形成Pn結(jié)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。據(jù)美國市場(chǎng)調(diào)查公司(International Data Corperation)能源視點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示:全球太陽能光伏組件發(fā)貨量預(yù)計(jì)將從2010年到2015年以5.7%的年復(fù)合增長率增長，伴隨著亞太地區(qū)和美國期望明顯的漲幅，其生產(chǎn)量將在2015年達(dá)到30GW。在各種類型的太陽電池中，晶體硅太陽電池由于其轉(zhuǎn)換效率高，技術(shù)成熟而占據(jù)了整體太陽能電池90%以上的份額，今后十年內(nèi)晶體硅仍將占主導(dǎo)地位，硅錠和硅片作為太陽能電池的主要原料，其需求量巨大。目前，太陽能電池所用的多晶硅錠一般采用鑄錠方式獲得，生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝非常成熟，已經(jīng)可以獲得800Kg的多晶硅錠，硅單晶比多晶硅發(fā)電效率要高20%左右，但是單晶硅均是基于提拉法的拉單晶工藝生長而成，拉單晶工藝中拉出的單晶棒是明顯的散熱源，所以在工藝過程中存在能耗較高的缺點(diǎn)，生產(chǎn)效率低，其性價(jià)比差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種準(zhǔn)單晶硅的制備爐及制備方法，能利用一塊籽晶制備超大顆粒的準(zhǔn)單晶硅的，具有成本低、能耗小、生長質(zhì)量高的優(yōu)勢(shì)，有利于太陽能電池生產(chǎn)成本降低，從而解決目前拉單晶工藝制備單晶棒時(shí)存在能耗較高的問題。解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:本發(fā)明提供一種準(zhǔn)單晶硅的制備爐，包括: 爐體、夾持機(jī)構(gòu)、支撐桿、冷卻管路、坩堝、石墨塊、升降機(jī)構(gòu)、加熱裝置和保溫壁；其中，所述坩堝設(shè)置在所述爐體內(nèi)的底部，所述坩堝底部通過所述石墨塊設(shè)置在伸出至所述爐體外的所述升降機(jī)構(gòu)上；所述坩堝外周設(shè)置所述加熱裝置，所述加熱裝置與所述爐體內(nèi)壁之間設(shè)置所述保
溫壁；
所述夾持機(jī)構(gòu)通過所述支撐桿設(shè)置在所述坩堝上方的所述爐體內(nèi)，所述夾持機(jī)構(gòu)與伸出至所述爐體外的所述冷卻管路連接。本發(fā)明還提供一種準(zhǔn)單晶硅的制備方法，采用本發(fā)明的制備爐，制備爐的夾持機(jī)構(gòu)上夾持單晶籽晶，坩堝內(nèi)設(shè)置硅粒；該方法包括以下步驟:爐體預(yù)熱:將制備爐的爐體內(nèi)抽真空至0.8 1.2MPa，通過加熱裝置將爐體內(nèi)加熱至1100 1300°C進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱7 9小時(shí)； 硅熔化:通過加熱裝置使制備爐的坩堝內(nèi)升溫至1500°C，使坩堝內(nèi)設(shè)置的硅粒熔化成硅液，熔化時(shí)間為5小時(shí)，形成硅液的過程中對(duì)爐體進(jìn)行充氣保護(hù)；晶體生長:通過制備爐的升降機(jī)構(gòu)將坩堝緩慢升起使其表面與夾持機(jī)構(gòu)夾持的單晶籽晶接觸，并通過夾持機(jī)構(gòu)連接的冷卻管路對(duì)單晶籽晶冷卻，硅液沿著單晶籽晶晶向開始生長；生長過程中，向爐體內(nèi)持續(xù)充入保護(hù)氣體，控制加熱裝置的加熱量使?fàn)t體內(nèi)溫度保持在1350 1450°C，直至生長過程完成；退火:控制加熱裝置，使制備爐的爐體內(nèi)溫度從1400°C降至1000°C，退火時(shí)間
4.5 5.5小時(shí)，退火過程中持續(xù)充入保護(hù)氣體；冷卻:控制加熱裝置，使制備爐的爐體內(nèi)溫度從1000°C降至室溫，冷卻時(shí)間為
5.5 6.5小時(shí)，冷卻后即完成準(zhǔn)單晶硅的制備。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:制備爐的爐體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不需要像提拉法生長所需的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)超大體積、準(zhǔn)單晶的制備，其成本低、能耗小、生長質(zhì)量高，有利于太陽能電池生產(chǎn)成本降低，對(duì)于降低太陽能電池片生產(chǎn)成本和提高太陽能電池片效率具有重要意義。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例的準(zhǔn)單晶硅的制備爐的爐體示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的晶體生長后超大顆粒準(zhǔn)單晶的爐體示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的制備方法流程圖；圖中各標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的部件為:1-爐體；2_夾持臺(tái)；3_夾持罩；4_單晶籽晶；5-熔融硅液；6-坩堝；7_加熱裝置；8_保溫壁；9_石墨塊；10_升降機(jī)構(gòu)；11_支撐桿及冷卻管路。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明實(shí)施例提供一種準(zhǔn)單晶硅的制備爐，如圖1、2所示，該制備爐包括:爐體1、夾持機(jī)構(gòu)、支撐桿11、冷卻管路、坩堝6、石墨塊9、升降機(jī)構(gòu)10、加熱裝置7和保溫壁8 ；其中，坩堝6設(shè)置在爐體I內(nèi)的底部，坩堝6外底部通過石墨塊9設(shè)置在伸出至爐體I外的升降機(jī)構(gòu)10上；坩堝6外周設(shè)置加熱裝置7，加熱裝置7與爐體I內(nèi)壁之間設(shè)置保溫壁8 ;夾持機(jī)構(gòu)通過支撐桿11設(shè)置在坩堝6上方的爐體I內(nèi)，夾持機(jī)構(gòu)與伸出至爐體I外的冷卻管路(冷卻管路的位置與支撐桿11重合，或設(shè)置在支撐桿11內(nèi)，見圖2)連接。這種結(jié)構(gòu)的制備爐，可以通過夾持機(jī)構(gòu)夾持單晶籽晶，通過升降機(jī)構(gòu)將坩堝內(nèi)溶化的硅液升起后，與夾持機(jī)構(gòu)夾持的單晶籽晶接觸，生長成具有超大顆粒的準(zhǔn)單晶硅。相比于提拉法生長，該制備爐不需要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，具有成本低、能耗小、生長質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。上述制備爐中，夾持機(jī)構(gòu)由夾持臺(tái)2和夾持罩3構(gòu)成；其中，夾持罩3罩設(shè)在夾持臺(tái)2底部的夾持端的外面；夾持罩3設(shè)有伸出單晶籽晶4的開口。該夾持機(jī)構(gòu)可通過夾持罩3與夾持臺(tái)2配合將單晶籽晶4夾持在夾持臺(tái)2與夾持罩3之間，并使單晶籽晶4從夾持罩3的開口伸出，伸出的單晶籽晶4朝向坩堝6內(nèi)。具體的，夾持罩3可通過螺紋連接罩設(shè)在夾持臺(tái)2底部的夾持端的外面。進(jìn)一步的，在夾持機(jī)構(gòu)的夾持臺(tái)2內(nèi)部可設(shè)置冷卻通道(圖中未示出)，冷卻通道與冷卻管路連接。從而通過冷卻管路與夾持臺(tái)內(nèi)的冷卻通道配合，可對(duì)夾持機(jī)構(gòu)夾持的單晶籽晶在生長單晶棒時(shí)降溫。如圖3所示，本發(fā)明進(jìn)一步提供一種準(zhǔn)單晶硅的制備方法，采用本發(fā)明實(shí)施例的制備爐，在制備爐的夾持機(jī)構(gòu)上夾持單晶籽晶，坩堝內(nèi)設(shè)置硅粒；該方法包括以下步驟:爐體預(yù)熱:將制備爐的爐體內(nèi)抽真空至0.8 1.2MPa，通過加熱裝置將爐體內(nèi)加熱至1100 1300°C進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱7 9小時(shí)；硅熔化:通過加熱裝置使制備爐的坩堝內(nèi)升溫至1500°C，使坩堝內(nèi)設(shè)置的硅粒熔化成硅液，熔化時(shí)間為5小時(shí)，形成硅液的過程中對(duì)爐體進(jìn)行充氣保護(hù)；晶體生長:通過制備爐的升降機(jī)構(gòu)將坩堝緩慢升起使其表面與夾持機(jī)構(gòu)夾持的單晶籽晶接觸，并通過夾持機(jī)構(gòu)連接的冷卻管路對(duì)單晶籽晶冷卻，硅液沿著單晶籽晶晶向開始生長；生長過程中，向爐體內(nèi)持續(xù)充入保護(hù)氣體，控制加熱裝置的加熱量使?fàn)t體內(nèi)溫度保持在1350 1450°C，直至生長過程完成；退火:控制加熱裝置，使制備爐的爐體內(nèi)溫度從1400°C降至1000°C，退火時(shí)間
4.5 5.5小時(shí)，退火過程中持續(xù)充入保護(hù)氣體；冷卻:控制加熱裝置，使制備爐的爐體內(nèi)溫度從1000°C降至室溫，冷卻時(shí)間為
5.5 6.5小時(shí)，冷卻后即完成準(zhǔn)單晶硅的制備。上述方法中，各步驟中，對(duì)爐體進(jìn)行充氣保護(hù)具體可以向爐體內(nèi)充入摻氫氣的高純氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。本發(fā)明在制備爐中設(shè)置夾持單晶籽晶的夾持結(jié)構(gòu)以及升降坩堝的升降機(jī)構(gòu)，兩者配合實(shí)現(xiàn)一種新的生長方法，利用一塊單晶籽晶在該制備爐中可實(shí)現(xiàn)超大顆粒的準(zhǔn)單晶硅的制備，具有成本低、效率高、生長質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的特點(diǎn)是:相比普通鑄錠爐增加籽晶夾持結(jié)構(gòu)和溫度控制措施，通過控制溫度與生長速度，可以以低成本生產(chǎn)出單晶硅或者是超大顆粒的準(zhǔn)單晶，從而對(duì)太陽能光伏行業(yè)的發(fā)展帶來巨大的貢獻(xiàn)。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為 準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)單晶硅的制備爐，其特征在于，包括: 爐體、夾持機(jī)構(gòu)、支撐桿、冷卻管路、坩堝、石墨塊、升降機(jī)構(gòu)、加熱裝置和保溫壁；其中，所述坩堝設(shè)置在所述爐體內(nèi)的底部，所述坩堝底部通過所述石墨塊設(shè)置在伸出至所述爐體外的所述升降機(jī)構(gòu)上； 所述坩堝外周設(shè)置所述加熱裝置，所述加熱裝置與所述爐體內(nèi)壁之間設(shè)置所述保溫壁； 所述夾持機(jī)構(gòu)通過所述支撐桿設(shè)置在所述坩堝上方的所述爐體內(nèi)，所述夾持機(jī)構(gòu)與伸出至所述爐體外的所述冷卻管路連接。
2.如權(quán)利要求1所述的制備爐，其特征在于，所述夾持機(jī)構(gòu)包括: 夾持臺(tái)和夾持罩；其中， 所述夾持罩罩設(shè)在所述夾持臺(tái)底部的夾持端的外面；所述夾持罩設(shè)有伸出單晶籽晶的開口。
3.如權(quán)利要求2所述的制備爐，其特征在于，所述夾持罩通過螺紋連接罩設(shè)在所述夾持臺(tái)底部的夾持端的外面。
4.如權(quán)利要求2所述的制備爐，其特征在于，所述夾持臺(tái)內(nèi)部設(shè)有冷卻通道，所述冷卻通道與所述冷卻管路連接。
5.一種準(zhǔn)單晶硅的制備方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1 4任一項(xiàng)所述的制備爐，制備爐的夾持機(jī)構(gòu)上夾持單晶籽晶，坩堝內(nèi)設(shè)置硅粒； 該方法包括以下步驟: 爐體預(yù)熱:將制備爐的爐體內(nèi)抽真空至0.8 1.2MPa，通過加熱裝置將爐體內(nèi)加熱至1100 1300°C進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱7 9小時(shí)； 硅熔化:通過加熱裝置使制備爐的坩堝內(nèi)升溫至1500°C，使坩堝內(nèi)設(shè)置的硅粒熔化成娃液，熔化時(shí)間為5小時(shí),形成娃液的過程中對(duì)爐體進(jìn)行充氣保護(hù)； 晶體生長:通過制備爐的升降機(jī)構(gòu)將坩堝緩慢升起使其表面與夾持機(jī)構(gòu)夾持的單晶籽晶接觸，并通過夾持機(jī)構(gòu)連接的冷卻管路對(duì)單晶籽晶冷卻，硅液沿著單晶籽晶晶向開始生長；生長過程中，向爐體內(nèi)持續(xù)充入保護(hù)氣體，控制加熱裝置的加熱量使?fàn)t體內(nèi)溫度保持在1350 1450°C，直至生長過程完成； 退火:控制加熱裝置，使制備爐的爐體內(nèi)溫度從1400°C降至1000°C，退火時(shí)間4.5 5.5小時(shí)，退火過程中持續(xù)充入保護(hù)氣體； 冷卻:控制加熱裝置，使制備爐的爐體內(nèi)溫度從1000°c降至室溫,冷卻時(shí)間為5.5 6.5小時(shí)，冷卻后即完成準(zhǔn)單晶硅的制備。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述對(duì)爐體進(jìn)行充氣保護(hù)為:向爐體內(nèi)充入摻氫氣的高純氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種準(zhǔn)單晶硅的制備爐及制備方法，屬于單晶硅制備領(lǐng)域。該制備爐包括爐體、夾持機(jī)構(gòu)、支撐桿、冷卻管路、坩堝、石墨塊、升降機(jī)構(gòu)、加熱裝置和保溫壁；其中，坩堝設(shè)置在爐體內(nèi)的底部，坩堝底部通過石墨塊設(shè)置在伸出至爐體外的所述升降機(jī)構(gòu)上；坩堝外周設(shè)置加熱裝置，加熱裝置與爐體內(nèi)壁之間設(shè)置保溫壁；夾持機(jī)構(gòu)通過支撐桿設(shè)置在坩堝上方的爐體內(nèi)，夾持機(jī)構(gòu)與伸出至爐體外的冷卻管路連接。該制備爐的爐體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不需要像提拉法生長所需的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)超大體積、準(zhǔn)單晶的制備，其成本低、能耗小、生長質(zhì)量高，有利于太陽能電池生產(chǎn)成本降低，對(duì)于降低太陽能電池片生產(chǎn)成本和提高太陽能電池片效率具有重要意義。
文檔編號(hào)C30B29/06GK103160918SQ20131006031
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者薛斌, 奇向東, 薛婷, 龍曉紅 申請(qǐng)人:宏大中源太陽能股份有限公司