[发明专利]一种定向凝固制备太阳能级多晶硅锭的方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能级多晶硅制备领域，特别是利用一种新型的金属发热体进行定向凝固制备太阳能级多晶硅锭的方法。

背景技术

硅基太阳能电池按原料类型可分为单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池。单晶硅电池转换效率高，但单晶硅拉制工艺复杂，对原料要求较高，最终成品电池成本较高；非晶硅电池成本低，但其效率也低，且由于非晶硅的光制衰退效应(S-W效应)，性能稳定性差；而多晶硅转换效率适中，仅比单晶硅低2％-3％，且随着硅片生长及电池加工处理技术的进步，效率必将得到进一步的提高，通过多晶硅铸锭法所获得的多晶硅可直接获得方形材料，并能制出大型硅锭，在切割制备硅片的过程中比较省料，提高了硅料的利用率，制造成本较低，性价比较高。近年来，多晶硅太阳能电池正是以其高性价比的优势，得到了迅速的发展，市场占有率已达到50％以上。然而，在地面应用领域，与常规能源相比，其成本还是较高，还不能取代常规能源大规模地应用于民用场所。所以，对于多晶硅电池的低成本化，将是今后太阳能电池研究的主要方向。而多晶硅太阳能电池的制造成本主要集中在材料的制备过程中，即多晶硅片的制备，包括多晶硅锭的制备与切割及其加工处理过程，所以，对于太阳能电池用多晶硅铸造技术的研究有着深远的意义。

目前制备太阳能电池用多晶硅锭通常采用定向凝固法，即对熔体温度加以控制，形成一定的温度梯度，使其按一定方向生长，从而获得所需的柱状晶。而定向凝固法又包括热交换法、坩埚下降法和温梯法。热交换法基本原理是在坩埚底板上通以冷却水或气体进行强制冷却，从而使熔体自上向下定向散热；坩埚下降法则是将坩埚以一定的速度移出热源区域，从而建立起定向凝固的条件；温梯法是由特定的发热体和保温装置获得一定的温度梯度。这三种方法目前基本上都采用石墨电阻发热体为加热组件，石英坩埚为容器，将硅原料加热到熔点(1414℃)以上，所以生长出来的多晶硅锭碳氧含量较高。据检测数据统计，不使用石墨组件作为发热体(如区熔法)，所生长出来的硅晶体中的碳含量要比使用石墨组件作为发热体的低2-3个数量级。一般石墨的发热体不能在高真空条件下使用，但特殊石墨除外。如果常时间处于高真空条件下，会大大降低石墨发热体的使用次数，增加多晶硅锭的制造成本；再者石墨发热体在高温下不断挥发，在碳的气氛下，与石英坩埚反应，从而影响其使用寿命。

另外，众所周知，石墨器件是易损件，随着时间的推移，石墨材质挥发严重。例如，使用炉次超过30炉次以上的石墨加热器表面就会出现很多气孔，这将大大降低加热器的加热效率，增加了功耗。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明的目的是为了避免因使用石墨发热体而引起的碳污染，提供一种新型金属发热体，代替常规多晶硅铸锭炉的石墨发热体以及利用此金属发热体进行制备太阳能级多晶硅硅锭的方法。

本发明使用金属发热体可以解决以上现有技术中的难题，一方面可以避免因使用石墨发热体而引起的碳污染，另一方面金属发热体可以在高真空条件下或还原气氛下使用，再结合定向凝固，可以得到高品质的多晶硅锭；另外，因金属挥发较小，使用金属发热体作为加热元件的使用炉次可以超过石墨加热器的两倍以上；同时由于金属的电阻率大于石墨电阻率，同等发热效果下，金属发热体的材料用量小很多。比如，用于6英寸多晶硅锭的金属发热体价格与石墨加热器不相上下。

本发明采用金属发热体作为热交换法或坩埚下降法的加热组件，用于生长大尺寸高品质太阳能电池用多晶硅锭；再者可将高真空、还原气氛和定向凝固相结合，对硅熔体进行提纯，得到杂质含量更低的高品质多晶硅锭。本发明的金属发热体的材质主要是钨、钼、钽，以及两种或三种以上金属的合金。

多晶炉的炉膛内为高真空状态或充入还原性气体，一方面减小了石墨发热体对多晶硅锭的碳污染，提高了发热体的使用寿命，降低了多晶硅锭的制造成本；另一方面使用金属发热体，炉膛内可以保持高真空或还原性气氛，可结合定向凝固，对硅熔体进行提纯，得到低杂质含量的高品质多晶硅锭。

优选的，发热体为矩形波状的板条形成的通电回路的筒形，例如优选的为方形筒，整个方形筒安装在与水冷电极相连的电极板上。采用上述发热体，可以在真空状态或充入还原性气体条件下生长多晶硅锭，减少了因使用石墨加热器而引起的碳污染。

具体的，所述的生长太阳能电池用多晶硅锭的金属发热体，包括一方形筒和支撑方形筒的电极。方形筒由矩形板条和连接板条组成，矩形板条和连接板条通过金属铆钉相连，整个方形筒安装在与水冷电极相连的电极板上。

优选的，所述的金属加热组件包括有多个电极，其中部分安装在与水冷电极相连的电极板上，另外的起支撑作用。