[发明专利]从超高纯石英材料冶炼并直接铸锭的设备及至切片制取太阳能级硅片的工艺

说明书

本发明涉及一种低成本生产多晶硅锭切片太阳能电池材料的新方法及其专用设备。

传统的即目前在国际上普遍采用的多晶硅太阳能电池材料的切片是由集成电路用单晶硅的头尾废料或由一般纯度甚至高纯的石英砂在经过电(弧)炉的冶炼之前或后采用一系列复杂的化学的或/和物理的处理过程后制得多晶硅块，然后再经过铸锭炉熔化铸成多晶硅锭，脱模取出进行脱模切片。

而本方法的出现是由于最近几年在我国发现了超高纯的天然石英砂，其纯度比一般高纯石英砂经过一系列化学的或/和物理的处理过程后的高纯石英砂的纯度还要高得多，即杂质含量还要低得多，特别是硼、磷的含量特别低。(参考数据：硼为0.006～0.02；磷为0.002～0.2，单位是ppm)是适合本方法的首选原材料。可惜至今这些优质宝贵的石英砂却往往被大材小用，如被用作制造普通玻璃的原料。还有在直拉法制备单晶硅棒后必废弃一个石英坩锅，上面还粘有直拉单晶后剩的硅，在其纯度保证符合上述要求的情况下，也可用作本方法的原材料。由此可见，适用本工艺方法的前提是拥有大量达到如此高纯的超高纯天然石英砂或同等纯度的石英制品废料等。

所说的新方法的特征是：以超高纯石英材料(石英砂或/和石英制品废料，化学名称为二氧化硅)和超高纯(成团化处理过的)碳黑作为原料，经过电炉冶炼获得的熔硅直接进行铸锭并定向凝固成无开裂多晶硅锭，脱模取出后，先把周边余量切掉并切到标准尺寸后再进行切片，以作为生产太阳能电池的硅片材料。所说的电炉即(a)电弧炉的两个(1)电极是用超高纯石墨棒制成并采用超高纯陶瓷(2)绝缘材料进行绝缘，其(3)炉衬也采用超高纯石墨或其它超高纯材料制成，其冶炼获得的熔硅的出口可以是单一的，也可以由多个出口组成，填加原料前，每一出口用一个(4)多晶硅片(块)作为堵头，并以(5)专用连接法兰盘固紧，所说的专用连接法兰盘内沿的下端嵌有用超高纯材料制的(6)熔硅导槽，其上部安装有超高纯材料制的(8)熔硅限流板，以作为把电(弧)炉中的原料冶炼成熔硅后流出时输导到(b)铸锭炉中以供直接进行铸锭之用。

所说的直接进行铸锭是由多个(特例为一个)同时或相继通过所说的专用连接法兰盘对准电(弧)炉的(7)熔硅出口的铸锭炉等设备的协调动作配合完成的，所说的每一个铸锭炉的上半部都有一个(9)可升降的钟罩形炉腔外壁，在此钟罩形炉腔外壁上除了有一(10)窥视镜外，还有一个和电(弧)炉熔硅出口专用法兰盘对接的法兰盘(11)对接口，在此法兰盘对接口内沿下端有一个略微下斜的嵌有超高纯材料制的(12)熔硅导槽，以保证熔硅直接流入铸锭炉的(13)石墨模具中，在所说的铸锭炉的下半部的固定部分的炉腔内，都设有熔硅(14)保温加热系统、横截面为方形的且内壁涂有供多晶硅锭脱模用的脱模剂的高纯(13)石墨模具及其(15)支撑升降系统、抽真空系统、以及氩气输入输出和测温控温系统等；所说的定向凝固成无开裂多晶硅锭的过程即由此种铸锭炉单独完成的。当电(弧)炉和铸锭炉按上述要求完成对接后，进行抽真空，然后输入氩气至一个大气压；另一方面，在电(弧)炉中装入按预定比例混合的超高纯石英材料和经过成团处理过的超高纯碳黑等原料后，启动电弧炉进行冶炼，当原料几乎全部耗尽而冶炼成熔硅时，每一熔硅出口处的(4)多晶硅片(块)堵头被熔通，当熔硅几乎全部流出并被分配到相应的铸锭炉中的石墨模具中后，该石墨模具的底部在不断输入氩气的同时随其支撑升降系统缓慢下降，使多晶硅从底部开始凝固，逐渐向上以形成无开裂多晶硅锭。

上述电(弧)炉和铸锭炉的组合即为本发明所说的新方法的专用设备，如说明书附图所示。

所说的多晶硅锭的横截面边长为正方形单片太阳能电池最终产品的边长(一般统一标准定为10公分)长度或其边长的两倍长度再加上该长度的1～10％的周边余量。在进行切片之前，先用切边机切掉周边余量后，再用切片机把正方形边长为标准尺寸的多晶硅块切成约0.4毫米厚度的多晶硅片。

所说的“超高纯”的概念的含义是指在所用原料中所允许的杂质含量的标准是以保证采用本方法所制备的可以进一步制造成太阳能电池的多晶硅片的P型电阻率值在0.9～10.1(欧姆-厘米)的范围为宜。所说的超高纯石英材料可以是天然超高纯石英砂，也可以是把具有一定高纯度的石英砂或石英制品废料经过简单的化学或/和物理工序处理过后达到所说的“超高纯”的标准的石英材料。

显然，本发明提出的是一种低成本生产多晶硅太阳能电池材料的新方法，但必要条件是须拥有大量达到上述标准的高纯度的超高纯天然石英砂或同等纯度的石英制品废料，就可以大大降低生产多晶硅太阳电池的成本，或者采用此项新方法来获得专业生产多晶硅片的较高利润，另一方面也是一种大大提高天然超高纯石英砂的利用价值的途径，对于更高的特高纯天然石英砂，是否可以直接冶炼成电子纯多晶硅，今后也不妨试探讨一下。