[发明专利]一种多隔区垂直温度梯度可调的铸锭单晶硅生长设备及方法

说明书

本发明属于晶体生长设备领域，本发明提供一种多隔区垂直温度梯度可调的铸锭单晶硅生长设备及方法，该生长设备包括在坩埚中间用外隔板围成生长区，并在生长区内部用内隔板分割成若干个生长隔区，在每个生长隔区的底部可选择固定有籽晶，籽晶上方覆盖有多晶硅原料，每个生长隔区为一个独立的晶体生长区间，所有晶体同步生长。该生长设备中的外隔板用来阻挡从坩埚内壁析出的多晶向坩埚中心延伸，内隔板的设置避免了相邻晶体之间因为相互交叉生长而产生的晶界，大幅提高了硅晶体的单晶比例，晶体的生长区和保温层之间设有多个独立功率控制的加热器件，共同调节坩埚周围的温度梯度，控制晶体生长界面和生长速度，确保晶体生长顺利进行。

技术领域

本发明是一种多隔区垂直温度梯度可调的铸锭单晶硅生长设备及方法，属于晶体生长技术领域。

背景技术

光伏发电是利用太阳能转化为电能而获得的可持续洁净能源的方法，经历了将近20年的发展过程，晶体硅光伏发电占据了绝对主导地位。

晶体硅有铸锭多晶硅和直拉单晶硅两种产品，铸锭多晶硅具有生产成本低、自动化程度高、光衰速度慢的优点，但由于铸锭多晶硅缺陷密度高，导致电池效率低；直拉单晶硅电池效率高，但生产成本高、需要经验丰富的工艺人员进行实时监控。

最近十几年以来，人们希望有一种方法能完美结合铸锭多晶硅和直拉单晶硅的优点，于是开始研发铸锭单晶硅的技术。在经历了铸锭多晶、小晶粒高效多晶、准单晶(类单晶)和铸锭单晶硅的发展阶段后，虽然单晶比例得到提高，但仍存在多晶现象，晶体质量不能与直拉单晶硅相媲美。

传统的铸锭单晶硅的制备方法为：在坩埚的底部平铺一层单晶籽晶，在籽晶上方装填硅料，加热使籽晶上部熔化，缓慢降温使晶体向上生长。上述方法得到的产品仍然存在大面积的多晶区域，如图1和图2所示，图1为传统铸锭单晶硅的坩埚结构示意图，图2为传统G5铸锭单晶硅的坩埚的俯视图，为了标注坩埚与晶体的相对位置，将坩埚内部区分为25个方形区域，分别标记为A、B和C，其中A区域表示坩埚四个角落区域，共有4个，B区域表示除A区域以外与坩埚四边内壁接触的区域，C区域表示靠近坩埚的中心区域，其中A区域的截面积大于B区域的截面积，C区域的截面积最小，多晶主要出现在A区和B区，多晶的来源是在晶体生长过程中，多晶从过冷的坩埚内壁析出并向内部延伸，最后将长成的晶锭按预设好的区域位置切割成独立的晶柱，图2中的A、B、C区域表示晶锭切割后晶柱的位置分布示意图；另外在A、B、C区所有矩形晶柱侧面的交界处也会出现少量的多晶，其原因是相邻两个晶柱在晶体生长过程中会相互交叉生长，延伸到对方晶柱里面留下多晶区域。

经过十多年的发展，铸锭单晶硅技术仍然不能较好地解决多晶缺陷问题，性价比落后于直拉单晶硅；特别是最近五年以来，铸锭单晶硅技术在竞争中输给了直拉单晶硅技术，使得超过千台的多晶铸锭炉处于停产状态，造成了资源的巨大浪费。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种多隔区垂直温度梯度可调的铸锭单晶硅生长设备及方法，以提高铸锭单晶硅的单晶比例，通过如下的铸锭单晶硅生长设备来实现。

一种多隔区垂直温度梯度可调的铸锭单晶硅生长设备，包括炉体、滑动设置在炉体内壁上的保温组件、设置在炉体内的底座、固定连接在底座上的坩埚、与坩埚相适配的坩埚盖板、设置在坩埚外周的加热器件、贯通炉体与坩埚相连的通气管，保温组件和加热器件的位置可调，还包括若干固定在坩埚内且将坩埚内部分割成网格状独立的生长隔区的内隔板，每个生长隔区底部安装籽晶，在籽晶上方覆盖有多晶硅原料；内隔板将坩埚内部的底部进行分割，使一定面积的籽晶之间相互独立，生长过程中互不干扰，降低从籽晶缝隙间生成多晶硅的概率。