專利名稱：通過感應方法生產多晶硅錠的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及通過感應方法生產多晶硅錠的裝置和其能夠用在從多晶硅制造太陽能電池中。
背景技術：
從太陽光線產生電能的太陽能電池是由晶體硅構成的，單晶硅和多晶硅，即含有大晶體的多結晶硅，兩者均可。對于多晶硅的興趣一直在增長，因為多晶硅太陽能電池的效率接近于單晶硅太陽能電池的效率，而多晶硅生長設備的生產率是單晶硅生長設備的生產率的許多倍。也就是說，多晶硅的生長比單晶硅生長要更容易。本領域現有一種通過感應方法生產多晶硅錠的裝置，該裝置包括腔室，其安裝在由感應器包圍的、具有可活動底部和四個壁的冷卻坩堝內，該四個壁包括由縱向延伸狹縫分隔開的部分。還有一套用于錠控制冷卻的加熱裝置(歐洲專利號17M806，
公開日2007 年02月21日，國際專利分類號S30B11/00)[1]。同樣地，該設備安裝有分離的分隔裝置， 該裝置能夠安裝在冷卻坩堝的熔化容積內的結晶錠上，并進一步加熱加入的塊狀硅料，在分隔裝置頂部位置的上面進行熔化和鑄造。該現有裝置的缺點在于多晶硅的生產率低且獲得的多晶硅質量不好。多晶硅在晶體結構上具有大量缺陷。與本發明相近的一種通過感應方法生產多晶硅錠的裝置，該裝置包括外殼，其包括啟動加熱硅的裝置；由感應器包圍的、具有可活動底部和四個壁的冷卻坩堝，該四個壁包括由縱向延伸狹縫分隔開的部分；用于移動可活動底部的裝置，和設在冷卻坩堝下面的控制冷卻隔室，其中在冷卻坩堝的里面界定有正方形或長方形橫截面的熔化腔室，冷卻坩堝的壁至少從感應器朝向冷卻坩堝的最低部分向外延伸，從而擴張了熔化腔室(歐洲專利號 0349904，
公開日1990年01月10日，國際專利分類號B22D11/10) [2]。熔化腔室擴張的角度從0.4°到2°。該現有裝置的缺點在于，由于頻繁的硅熔體的溢出，使得多晶硅錠的質量降低且生產多晶硅錠的生產率下降。
發明內容
本發明的目的在于提供了一種通過感應方法生產多晶硅錠的改進裝置，在該裝置中，通過提出的結構上的改變，減少了硅熔體溢出，從而得到具有較好質量的多晶硅，且提高了多晶硅的生產率。這個目標是通過提供一種利用感應方法生產多晶硅錠的裝置實現的，該裝置包括外殼，該外殼包括啟動加熱硅的裝置；由感應器包圍的、具有可活動底部和四個壁的冷卻坩堝，該四個壁包括由縱向延伸狹縫分隔開的部分；用于移動可活動底部的裝置；和設在冷卻坩堝下面的控制冷卻隔室，其中在冷卻坩堝的內面界定有正方形或長方形橫截面的熔化腔室，且冷卻坩堝的壁至少從感應器朝向冷卻坩堝的最低部分向外延伸，以擴張熔化腔室。 根據本發明，冷卻坩堝的每一個壁都具有中央部分，該中央部分在熔化腔室側的中間沒有縱向延伸狹縫，且熔化腔室擴張的β角通過如下方程式限定β = arctg[2 · (k_l. 35 · 1(Γ3 · b)/d],其中，d是熔化腔室在感應器的水平上的長方形橫截面的較小邊或正方形橫截面的邊的長度，b是熔化腔室在感應器的水平上的橫截面的相鄰邊的長度，k是經驗系數，在1. 5到2之間。當正在生長的錠的周長很長時，系數k取最大值。冷卻坩堝的每一個壁的中央部分的寬為熔化腔室邊長度的1/6到1。通過感應熔化在帶有活動壁的冷卻坩堝底部內進行硅熔化和鑄造過程中，其中該活動壁設計為導電或導熱材料的水冷卻的垂直面，部分熔體形成的彎面，由來自于坩堝內表面的電磁力壓出，且通過它的流體靜壓達到平衡。在原料連續供應下，平衡被打破，較低水平的彎面周期性地流向冷卻坩堝的內表面，在冷卻坩堝的內表面熔體進行結晶，并在冷卻坩堝的周界上形成爐壁結瘤，以容納硅熔體并防止其與熔爐接觸。隨著熔化工藝的繼續和錠向下運動，爐壁結瘤變得更厚。當爐壁結瘤內表面的溫度與硅的熔點相同時，結在坩堝上的爐壁結瘤的外表面的溫度低于硅的熔點，且該溫度取決于它的導熱性和到坩堝壁的熱傳遞。所形成的爐壁結瘤在橫截面上和在熔池高度上均具有溫度梯度。在通過感應熔化生產多晶硅錠中，由于多種因素，熔體溢出到爐壁結瘤和冷卻坩堝之間的空隙中。因素之一是與在爐壁結瘤上的溫度的橫向梯度相關。由于溫度梯度，出現了爐壁結瘤的熱收縮。另外，在比硅流動溫度高的900°C到 1050°C的溫度下，爐壁結瘤發生塑性變形。爐壁結瘤的熱收縮的幅度取決于溫度梯度和由冷卻坩堝形成的熔化腔室的尺寸和形狀。高于允許值的任何過量熱收縮，導致不足的爐壁結瘤冷卻，它過熱，熔化，并溢出到爐壁結瘤和冷卻坩堝內壁之間的空隙中。導致硅溢出到爐壁結瘤和冷卻坩堝內壁之間的空隙的另一個因素是，當爐壁結瘤粘結在冷卻坩堝的內壁上時，爐壁結瘤會破碎。當在冷卻坩堝的內壁表面上沒有缺陷時，液態硅不能潤濕冷卻坩堝壁的里面且不能粘結到壁上。冷卻坩堝內壁表面的主要缺陷是在壁部分之間的縱向狹縫，該狹縫對于感應器的電磁場滲透到硅熔體內并對其加熱是必要的。在實驗上已經確定，由縱向狹縫分隔開的壁部分，其排列成長方形或正方形的外周，形成四個壁，每一壁具有中央部分，該中央部分在相應的冷卻坩堝壁的中間沒有縱向狹縫，且當熔化腔室擴張時，通過冷卻坩堝的壁形成的熔化腔室的大小被考慮進去，穩定了由于爐壁結瘤在硅感應熔化中的熱收縮導致的空隙形成，這使得減少了硅熔體溢出。此外，大體上該裝置設置成有利于除去粘結在冷卻坩堝壁表面上的爐壁結瘤，包括在爐壁結瘤和冷卻坩堝壁表面之間的最小空隙的區域，且考慮了熱收縮和得到的多晶硅錠的橫截面長度。因此，硅熔體溢出顯著減少且硅在穩定的條件下以恒定的速度結晶。熔化及結晶過程穩定性的提高，導致能產生多晶硅的大結晶的形成。此外，結晶過程的穩定消除了在晶體結構上的缺陷，使得可以提供從其獲得的合格產品，也就是，太陽能電池。因此，提出的生產多晶硅錠的裝置的構思，提供了適用于太陽能電池生產的較高產量的多晶硅。
下圖用于進一步作為參考描述本發明，然而不限于下圖的描述，其中圖1 通過感應熔化生產多晶硅錠裝置的縱向切面圖；圖2 含有熔體的冷卻坩堝的縱向切面圖；圖3 表明熔化腔室的冷卻坩堝的橫切面圖。
具體實施例方式一種通過感應熔化生產多晶硅錠的裝置(圖1)，包括與進料斗2相連的外殼1。在外殼1內，設有用于啟動加熱硅的裝置3，由感應器5包圍的冷卻坩堝4，和設置在冷卻坩堝 4的下面的控制冷卻隔室6。冷卻坩堝4由可活動底部7和部分8和中央部分9圍成(圖 3)，部分8和中央部分9由縱向狹縫10分隔開。可活動底部7與部件11關聯，用于在控制冷卻隔室6內進行相同的縱向移動。由縱向狹縫10分隔開的部分8和中央部分9，形成了四個互相垂直的爐壁12，13，14和15。冷卻坩堝4的內表面界定有正方形或長方形橫截面的熔化腔室16，塊狀的硅原料17加入其中。冷卻坩堝4的每一個壁12，13，14和15的中央部分9，在熔化腔室16側的中間沒有縱向狹縫。冷卻坩堝4的壁12，13，14和15的部分8 和中央部分9(圖幻，通過向外傾斜，至少從感應器5朝向冷卻坩堝4的最低部分或底部擴張熔化腔室16，且熔化腔室擴張的β角通過如下方程式限定β = arctg[2 · (k_l. 35 · 1(Γ3 · b)/d]其中，d是熔化腔室16在感應器5的水平上的長方形橫截面的較小邊或正方形橫截面的邊的長度，b是熔化腔室16在感應器5的水平上的橫截面的相鄰邊的長度，k是經驗系數，在1. 5到2之間。冷卻坩堝4的每一個壁12，13，14和15的中央部分9 (圖3)的寬為熔化腔室16 邊長度的1/6到1。冷卻坩堝4的壁12，13，14和15分別與集合管18相連。集合管18提供冷卻液體 (水)的供應、分配和分布。冷卻坩堝4的壁12，13，14和15是由銅或以銅為基礎的合金制成的，用于啟動加熱硅的裝置3和可活動底部7由導電材料例如石墨制成。本發明的裝置工作如下。在外殼1內，產生了控制氣氛。可活動底部7移動到冷卻坩堝4的頂部，從而從下部限制了熔化容積16。塊狀硅原料17從進料斗2加入到熔化腔室16內，且用于啟動加熱硅的裝置3被打開。通過感應器5產生高頻率電磁場。可活動的底部7和用于啟動加熱硅的裝置3在感應器5的電磁場中加熱，且由于在熔化腔室16內的熱傳導使塊狀硅原料17加熱。當溫度達到700-800°C時，裝料受到感應加熱并熔化。用于啟動加熱硅的裝置3從感應器5的電磁場中移出，并在熔化腔室16內，依據其橫截面的形式，形成硅熔池(圖2，圖3)。由于熱傳遞的結果，硅熔體進行結晶，并在靠近冷卻坩堝4的壁，在熔池外圍形成了爐壁結瘤19。這使熔體不會從熔化容積16中溢出，并防止了熔化的硅與冷卻坩堝4的壁12，13，14和15間相互作用。由于感應器5的電磁場， 上部的熔池從冷卻坩堝4的壁12，13，14和15中擠出并形成彎面，塊狀硅原料17從進料斗 2連續地給料到彎面表面上。塊狀硅原料17熔化，從而增加了彎面的流體靜壓。周期性地， 當壓力平衡被打破，熔體超過爐壁結瘤的上端向冷卻坩堝4的壁12，13，14和15溢出，熔體的外層進行結晶，并且爐壁結瘤19繼續生長。可活動的底部7從感應器5區域向下移動，且隨著熔化工藝和錠向下移動的進行，硅熔體在其下部連續結晶，形成多晶錠20。多晶錠20 連續向下移動至控制冷卻隔室6。多晶錠20以如下這樣的速度移開，該速度可以使熔池在感應器5和冷卻坩堝4的水平上保持相對恒定，且使熔體在熔池底部連續結晶形成錠。在控制冷卻隔室6內，錠在控制的條件下冷卻，且移去熱應力。本發明的裝置中得到的多晶錠，具有340X340mm2和340X530mm2的橫截面尺寸。橫截面尺寸為340X340mm2的錠，是在正方形橫截面的熔化腔室中得到的，該正方形橫截面的熔化腔室在感應器的水平上，邊長為:342mm。冷卻坩堝的中央部分的寬度是 60mm，所以在熔化腔室面的中間沒有縱向狹縫。且熔化腔室擴張的β角是β = arctg[2 · (1. 5-1. 35 · 1(Γ3 · 342)/342] = 0. 35°。在多晶硅錠的生產中，熔體溢出遠低于現有技術的數據。發生的溢出在短距離內停止。因此，所生產的多晶硅錠有大面積的無缺陷單晶硅。多晶硅生產能力增加了 12%。
權利要求
1.一種通過感應方法生產多晶硅錠的裝置，該裝置包括外殼，該外殼包括啟動加熱硅的裝置；由感應器包圍的、具有可活動底部和四個壁的冷卻坩堝，該四個壁包括由縱向延伸狹縫分隔開的部分；用于移動可活動底部的裝置；和設在冷卻坩堝下面的控制冷卻隔室； 其中在冷卻坩堝的內面界定有正方形或長方形橫截面的熔化腔室，且冷卻坩堝的壁至少從感應器朝向冷卻坩堝的最低部分向外延伸，以擴張熔化腔室，其特征在于，冷卻坩堝的每一個壁都具有中央部分，該中央部分在熔化腔室側的中間沒有縱向延伸狹縫，且熔化腔室擴張的β角通過如下方程式限定β = arctg [2 · (k-1. 35 · 1(Γ3 · b) /d]， 其中，d是熔化腔室在感應器的水平上的長方形橫截面的較小邊或正方形橫截面的邊的長度，b是熔化腔室在感應器的水平上的橫截面的相鄰邊的長度， k是經驗系數，在1.5到2之間。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，冷卻坩堝的每一個壁的中央部分的寬為熔化腔室邊長度的1/6到1。
全文摘要
一種通過感應方法生產多晶硅錠的裝置，包括外殼，該外殼包括啟動加熱硅的裝置；和由感應器包圍的冷卻坩堝。該坩堝具有可活動底部和四個壁，該四個壁包括由縱向延伸狹縫分隔開的部分；用于移動可活動底部的裝置，和設在冷卻坩堝下面的控制冷卻隔室。在坩堝的內面界定有正方形或長方形橫截面的熔化腔室。冷卻坩堝的壁至少從感應器朝向冷卻坩堝的最低部分向外延伸，以擴張熔化室，且熔化腔室擴張的β角通過方程式β＝arctg[2·(k-1.35·10-3·b)/d]限定，其中，d是熔化腔室在感應器的水平上的長方形橫截面的較小邊或正方形橫截面的邊的長度，b是熔化腔室在感應器的水平上的橫截面的相鄰邊的長度，k是經驗系數，在1.5到2之間。該裝置使降低硅熔體溢出和提高所生產的多晶硅質量成為可能。
文檔編號C30B29/06GK102471924SQ201080032345
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月19日 優先權日2009年7月20日
發明者A·斯庫爾科夫, B·切普爾諾伊, S·波辛剛, S·白令戈夫, S·馬切科, V·奧尼先科, Y·沙爾帕克 申請人:Tesys有限公司, 皮拉股份公司, 硅太陽能電池公司