[发明专利]铸锭炉及控制类单晶铸造过程中籽晶保留高度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及类单晶硅制造领域，具体而言，涉及一种铸锭炉及控制类单晶铸造过程中籽晶保留高度的方法。

背景技术

目前，光伏行业发展迅速，类单晶作为多晶铸锭的替代品在光伏电池光电转换效率方面存在很大优势，成为目前光伏行业的热门产品。

其中，晶粒是指结晶物质在生长过程中，由于受到外界空间的限制，未能发育成具有规则形态的晶体，而只是结晶成颗粒状，即晶向一致的单体，称晶粒。类单晶，又称准单晶，通过铸锭的方式形成晶硅材料，在一定尺寸的硅片上表现为同一晶向的晶粒面积大于硅片总面积的50%，通过铸锭技术形成类单晶，其晶硅质量接近直拉单晶硅，简单的说，这种技术就是使用多晶铸锭炉生产单晶硅。籽晶是指类单晶铸锭中，用于铺设在坩埚底部，熔化后期保证籽晶不完全熔化，硅液在籽晶基础上逐步结晶生长，形成类单晶硅锭。

目前所有铸锭炉制造厂家相继推出适应于铸造类单晶硅锭的新型铸锭炉。以精功500N型铸锭炉为例，如图1所示，包括：散热台10，石墨材质，具有良好的热传导性，用于承载硅料、装载硅料的石英坩埚以及石墨侧面护板20和石墨底板30，硅液结晶时通过散热台10将热量辐射到底部的水冷铜盘上；百叶窗40，位于散热台10底部，共四片百叶，由隔热材料组成，每片百叶都可以向下旋转90℃，在百叶窗打开过程中，散热台10热量通过百叶窗40窗口将热量辐射到底部水冷铜盘上，保证坩埚50内的熔融硅料在结晶过程中能够将热量散发出去；侧部隔热层60，钢架结构，框架内由多块石墨硬毡材质保温板拼接组装，用于热场内保温；隔热挡板70，位于热场内部，由一圈保温硬毡构成，通过提升吊杆可以升降；加热器80，设置坩埚50的上方，底部隔热层90，设置在隔热挡板70的下方，以及顶部测温点51和底部测温点52。

其热场就是完全为铸造类单晶所设计。将传统热场内的顶部、侧部共同加热的加热方式变为只有顶部加热器80提供热量的单面加热模式，在硅液结晶阶段热场中心位置正下方散热窗口（百叶窗40）打开，同顶部的加热器80相对应，在硅液内形成完全竖直方向的温度梯度，保证硅液结晶过程中固液面（硅液结晶过程中固体和液体的分界面，固液面温度决定硅液结晶方向）成平面结构，利于类单晶的结晶生长。同时，精功500N型铸锭炉热场内部添加一圈隔热挡板70，隔热挡板70通过顶部的吊杆带动而可以上下运动，将热场从内部隔离成两区域，顶部的高温区和底部的低温区，用于微调在结晶过程中的固液面边缘位置的曲幅度。

类单晶铸造过程中，其核心技术点集中在硅料熔化后期保证籽晶不完全熔化，从而为硅液的结晶提供基础面，使硅液沿籽晶原子排列方向进行结晶生长。如图2所示，籽晶面100铺设在坩埚50底面，籽晶面100有多个晶向单一方向一致的小单晶块组成。目前各类单晶生产厂家为降低类单晶成本，籽晶厚度一再缩小，其厚度已经有初期的40mm缩小为20mm左右，这样就给保证类单晶铸锭的成功率造成很大困难。拿精功500N型铸锭炉来说，热场内存在三个热场变量，三个变量为顶部加热器功率、底部散热窗口大小、挡板的高度，所以在控制硅锭熔化过程中三个变量调整达到良好的配合保证籽晶剩余存在很大的困难。

目前，精功500N铸造类单晶硅锭，430kg类单晶，熔化段工艺如表1所示：

表1