[发明专利]一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统及其导流方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造太阳能级多晶硅铸锭的氩气导流系统，特指一种能够使杂质尽快排出坩埚，从而尽可能减少杂质对多晶硅铸锭污染的多晶硅铸锭炉氩气导流系统。

背景技术

定向凝固法（DSS）晶体生长技术是太阳能级多晶硅生长的主要方法。由于铸造多晶硅的制备工艺相对简单，成本远低于单晶硅，目前已经成为太阳光伏电池的主流产品。但相对于直拉单晶硅而言，铸造多晶硅有较高的杂质、缺陷和晶界，因此其转化效率低于单晶硅电池。多晶硅铸锭中含有的主要杂质为氧和碳，另外还含有金属、氮等杂质。洁净晶界对少数载流子的寿命并无影响或只有很微小的影响，而高密度位错对材料光电转换是特别有害的，特别是当位错上沉积了金属杂质和氧沉淀，更增加了位错的少子复合能力。多晶硅铸锭中碳浓度较高时，会促进氧沉淀的生成，且在高温退火后有SiC析出。

在实际生产过程中，多晶铸锭炉内发生大量复杂的化学反应，具体分为以下四个步骤：

（1）首先石英坩埚和熔体硅发生化学反应，氧杂质因此进入熔融硅中：

                                                           （a）

（2）反应生成的O通过熔体硅对流输运到熔体硅自由表面，一部分O发生如下化学反应，变成气态的SiO：

                                                         （b）

（3）SiO气体通过氩气导流输运到石墨坩埚、顶部盖板和保温碳毡表面，发生如下化学反应，生成CO气体，这也是多晶硅铸锭碳的主要来源：

                                                         （c）

（4）CO气体通过氩气导流输运到熔体硅自由表面，发生如下化学反应，从此C便结合进熔融硅中：

                                          （d）

最后，C和O被熔体硅对流输运到生长界面处，通过杂质分凝效应进入多晶硅铸锭中。

而石墨坩埚内部的氩气流动对控制晶体硅中的氧碳含量起着至关重要的作用。一方面，氩气流过熔体硅自由表面会将从熔体硅中挥发出来的SiO带离自由液面；另一方面，当氩气流过石墨坩埚和盖板时，会携带部分化学反应产物CO，如果带到熔体硅自由液面处，会使晶体硅中的碳含量增加。因此，优化石英坩埚内的氩气流动，可有效减少多晶硅锭中的氧碳含量。

在传统的定向凝固法多晶硅炉的氩气导流系统中，如说明书附图1传统多晶硅炉氩气导流系统结构示意图和附图2传统氩气导流系统数值模拟氩气流动示意图所示，氩气沿传统氩气进口直管进入坩埚，横掠熔体硅自由表面后，一部分氩气从传统石墨坩埚顶部侧排气口流出坩埚，另一部分横掠传统顶部盖板后，又重新回到熔体硅自由表面。其结果是，熔体硅自由表面挥发出的SiO气体，只有一小部分被氩气沿传统石墨坩埚顶部侧排气口带离坩埚，大部分SiO气体输运到顶部盖板与之发生化学反应，反应产生的CO气体又被氩气携带到熔体硅自由表面，从而结合进入熔体硅，最终导致多晶硅铸锭中的氧碳含量增高。