用于生產太陽能電池的晶態硅襯底的裝置的制作方法

專利名稱：用于生產太陽能電池的晶態硅襯底的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于生產太陽能電池的晶態硅襯底(crystallized siliconbody)的裝置，尤其涉及一種生產如下的晶態硅襯底的裝置，其在熔化階段能夠解 除隔熱以使熱轉移率最大和增加熔化率，在結晶階段能夠對硅容器的側面隔熱，但是對硅 容器的下部解除隔熱，以在以一個方向實施冷卻并且在結晶后期打開隔熱空間，以縮短冷 卻時間并促進下一生產循環。
背景技術：
一般來說，太陽能電池的多晶硅鑄塊通過如下方式進行生產，即在石英或石墨爐內裝滿硅原料，將所述硅原料融化成硅液體并且直接將硅液體固化成多晶硅鑄塊。由于太 陽能電池的需求每年以百分之幾十的速度急增，因此用于生產太陽能電池的多晶硅鑄塊的 需求在近些年也急劇增長。日本專利申請號11-101706公開了一種典型的傳統多晶硅的生產裝置，其在圖1 中示出。參考圖1，所述多晶硅生產裝置1包括具有雙壁2a的反應器2，在所述雙壁之間限 定一個冷卻劑通道，通過所述冷卻劑通道可以循環冷卻劑；設置在反應器2內的硅容器4， 在該硅容器內容納硅原料3a ；冷卻板5，其設置在硅容器4下部，并從反應器2的外部提供 冷卻劑以用于冷卻包含在硅容器4內的硅液體3 ；包圍單元6，其設有多個隔熱部件，用于包 圍硅容器4和冷卻板5 ；用于包圍硅容器4外圍的容器隔熱部件4a，以隔熱硅容器4 ；上部 加熱器7a，其設置在所述包圍單元6內的硅容器4的上部，用于加熱放入硅容器4內的硅 原料3a ；下部加熱器7b，其設置在所述包圍單元6內的硅容器4的下部，用于加熱放入硅容 器4內的硅原料3a;氣體入口 8，通過所述氣體入口 8可以將惰性氣體引入反應器2內；隔 熱部件移動單元9，用于移動行成為包圍單元6—部分的可移動隔熱部件6a;以及分隔部件 6d，其圍繞冷卻板5設置，用于將包圍單元6的內部空間分成上部空間6b和下部空間6c。采用上述結構的多晶硅生產裝置1，硅原料3a放入硅容器4內，并且通過上部加熱 器7a和下部加熱器7b加熱成硅液體3。然后，通過遠離包圍單元6移動可移動隔熱部件 6a，將冷卻的惰性氣體引入到下部空間6c并且通過冷卻板5循環冷卻劑，來使硅液體3冷 卻并結晶。這可以以增長的冷卻速度冷卻硅容器4和硅液體3。但是，在傳統的裝置中，所述容器隔熱部件固定在某一位置，以便與硅容器永久隔 熱。在加熱硅原料的過程中，上部加熱器的熱量通過隔熱部件被阻斷，不能傳遞到硅容器的 側面。這就減小了硅原料的熔化速度。而且，傳統的裝置結構復雜，難以操作，因為冷卻劑需要供應到具有特殊設計的冷 卻劑供應單元的冷卻板上。由于在結晶完成之后，只有硅容器的下部冷卻，因此傳統的裝置受到冷卻速度減 小，為下一生產循環而需要長時間等待的困擾。這就導致生產率減小。在這些情況下，急需要存在一種用于生產太陽能電池的晶態硅襯底的裝置，其能夠通過增加熱傳遞面積增強熔化效率，并且通過在結晶階段后期快速冷卻硅液體，也能夠縮短為下一生產循環等待的時間。

發明內容
鑒于現有技術中的上述和其他內在的問題，本發明的一個目的是提供一種用于生 產太陽能電池的晶態硅襯底的如下的裝置，其在熔化階段能夠解除隔熱以增加熔化率，在 結晶階段實施隔熱，并且在結晶階段之后打開隔熱空間，以快速實施冷卻。本發明的另一目的是提供一種生產太陽能電池的晶態硅襯底的如下的裝置，其能 夠使用一部分側部隔熱部件作為容器隔熱部件，從而不需要使用另外的隔熱部件來對硅容 器的側面進行隔熱，同時確保硅晶體的單向增長。本發明的另一目的是提供一種生產太陽能電池的晶態硅襯底的如下的裝置，其在 硅晶體生長的后期能夠打開隔熱空間，從而快速冷卻硅容器并且快速進入下一生產循環。本發明的又一目的是提供一種生產太陽能電池的晶態硅襯底的如下的裝置，其 中，用于對硅容器的側面進行隔熱的可移動隔熱部件在其移動過程中通過工作臺支撐，從 而可以阻止可移動隔熱部件偏轉或變形。根據本發明，提供一種用于生產太陽能電池的結晶硅襯底的裝置，其包括反應器； 設置在反應器內的硅容器，其用于在其內容納硅原料；設置在硅容器上部的上部加熱器，其 用于加熱容納在硅容器內的硅原料；設置在硅容器下部的下部加熱器，其用于加熱容納在 硅容器內的硅原料；以及設置在反應器內部的隔熱體單元，其用于包圍硅容器、上部加熱器 和下部加熱器，其中所述隔熱體單元包括側部隔熱體，其具有頂部和底部開口，上部隔熱 體，其結合到所述側部隔熱體的頂部開口，以及下部隔熱體，其結合到側部隔熱體的底部開 口，其中，所述側部隔熱體包括側部固定隔熱部件，與側部固定隔熱部件結合并相對于硅容 器移動的多個側部可移動隔熱部件，以及多個側部驅動器，其可操作地連接到側部可移動 隔熱部件上，用于朝向或遠離硅容器移動側部可移動隔熱部件。在上述的裝置中，所述上部隔熱體包括具有一個孔的上部固定隔熱部件，固定到 上部固定隔熱部件的孔上的上部可移動隔熱部件，以及相對于上部固定隔熱部件移動上部 可移動隔熱部件的上部驅動器，以打開和關閉上部固定隔熱部件的孔。在上述的裝置中，下部隔熱體包括具有一個孔的下部固定隔熱部件，固定到下部 固定隔熱部件的孔上的下部可移動隔熱部件，以及相對于下部固定隔熱部件移動下部可移 動隔熱部件的下部驅動器，以打開和關閉下部固定隔熱部件的孔。上述的裝置還包括用于支撐硅容器的工作臺，當側部可移動隔熱部件朝向或遠離 硅容器移動時，所述工作臺設置成支撐側部隔熱體的側部可移動隔熱部件。在上述的裝置中，隔熱體單元可以具有一個由側部隔熱體、上部隔熱體和下部隔 熱體限定的內部隔熱空間，所述內部隔熱空間可以由工作臺分成用于容納硅容器和上部加 熱器的上部隔熱空間和用于容納下部加熱器的下部隔熱空間。采用上述的本發明的結構，可以提供如下優點，即在熔化階段能夠解除隔熱，以增 加熔化效率，在結晶階段實施隔熱，并在結晶階段之后打開隔熱空間，以快速實施冷卻。本發明用于生產太陽能電池的結晶硅襯底的裝置的另一優點在于能夠使用一部 分側部隔熱部件作為容器隔熱部件，從而不需要使用另外的隔熱部件來隔熱硅容器的側面，同時確保硅晶體的單向增長。本發明的用于生產太陽能電池的晶態硅襯底的裝置另一優點在于在硅晶體生長 的后期能夠打開隔熱空間，從而快速冷卻硅容器和快速進入下一生產循環。本發明的另一優點在于用于隔熱硅容器的側面的可移動隔熱部件在其移動過程 中通過工作臺支撐，從而可以阻止可移動隔熱部件偏轉或變形。


本發明的上述和其他目的和特征通過優選實施例的下面描述以及附圖的結合更 加明確，其中圖1是示出了傳統的晶態硅襯底生產裝置的垂直剖視圖；圖2是根據本發明的生產太陽能電池的晶態硅襯底的裝置的垂直剖視圖；圖3是示出了本發明裝置的熔化操作的垂直剖視圖，通過所述熔化操作可以熔化 固態的硅原料；圖4是示出了本發明裝置的冷卻操作的垂直剖視圖，通過所述冷卻操作可以結晶 硅液體；圖5是示出了本發明裝置的快速冷卻操作的垂直剖視圖，通過所述快速冷卻操作 可以快速冷卻晶態硅襯底；以及圖6示出了在生產晶態硅襯底的過程中溫度和時間之間的相互關系的曲線圖。 具體實施例本發明的一個優選實施例將結合附圖在下面進行詳細地描述。首先，參考圖2和圖3，根據本發明，用于生產太陽能電池的晶態硅襯底的裝置100 包括具有氣體入口 11的反應器10，通過所述氣體入口 11可以將惰性氣體引入反應器10 內；設置在反應器10內的硅容器20，用于在其內容納硅原料22 ；工作臺21，用于支撐放置 在其上的硅容器20 ；設置在硅容器20上部的上部加熱器30，其用于加熱容納在硅容器20 內的硅原料22 ；設置在硅容器20下部的下部加熱器40，其用于加熱容納在硅容器20內的 硅原料；以及設置在反應器10內部的隔熱體單元50，其用于包圍硅容器20、上部加熱器30 和下部加熱器40。所述隔熱體單元50包括具有頂部開口和底部開口的側部隔熱體51，結合到所述 側部隔熱體51的頂部開口的上部隔熱體52，以及結合到側部隔熱體51的底部開口的下部 隔熱體53。所述側部隔熱體51、上部隔熱體52和下部隔熱體53在它們之間共同限定隔熱 空間。所述工作臺21設置在隔熱體單元50內，以便能支撐硅容器20。所述側部隔熱體51包括如大致矩形管狀的側部固定隔熱部件51a，與側部固定 隔熱部件51a結合的多個側部可移動隔熱部件51b以及多個側部驅動器51c，所述側部驅動 器51c可操作地連接到側部可移動隔熱部件51b，用于朝向或遠離硅容器20水平移動側部 可移動隔熱部件51b。在移動過程中，側部可移動隔熱部件51b通過工作臺21支撐并沿工 作臺21滑動。所述上部隔熱體52包括具有一個孔的上部固定隔熱部件52a，固定到上部固定 隔熱部件52a的孔上的上部可移動隔熱部件52b，以及相對于上部固定隔熱部件52a垂直移動上部可移動隔熱部件52b的上部驅動器52c，以打開和關閉上部固定隔熱部件52a的孔。類似地，下部隔熱體53包括具有一個孔的下部固定隔熱部件53a，固定到下部固定隔熱部件53a的孔上的下部可移動隔熱部件53b，以及相對于下部固定隔熱部件53a垂直 移動下部可移動隔熱部件53b的下部驅動器53c，以打開和關閉下部固定隔熱部件53a的 孔。所述側部驅動器51c，上部驅動器52c和下部驅動器53c可以形成例如空氣氣缸。所述反應器10包括外壁12和內壁13，兩個壁彼此分隔以限定冷卻劑流動路徑 IOa0冷卻劑通過冷卻劑流動路徑IOa流動。所述側部隔熱體51的側部固定隔熱部件51a 通過多個連接器57連接到反應器10的內壁13上。所述硅容器20充當儲蓄器的作用，其用于容納通過熔化硅原料22獲得的硅液體 23。上部加熱器30和下部加熱器40以有效地加熱硅容器20的方式設置在隔熱空間內。延 伸通過反應器10的外壁12和內壁13的上部電極31和隔熱體單元50的上部隔熱體52連 接到上部加熱器30上。同樣，延伸通過反應器10的外壁12和內壁13的下部電極41和隔 熱體單元50的下部隔熱體53連接到下部加熱器40上。用于感測上部加熱器30的溫度的 熱電偶32連接到上部加熱器30上。隔熱體單元50的隔熱空間由工作臺21分成用于容納上部加熱器30和硅容器20 的上部隔熱空間50a和用于容納下部加熱器40的下部隔熱空間50b。在硅原料22熔化成硅液體23的熔化階段，側部隔熱體51的側部可移動隔熱部件 51b保持遠離硅容器20移動，然而上部隔熱體52的上部可移動隔熱部件52b和下部隔熱體 53的下部可移動隔熱部件53b保持與上部固定隔熱部件52a和下部固定隔熱部件53a結 合。在硅液體23經過晶體成長的結晶階段，側部可移動隔熱部件51b朝向硅容器20移動， 以與其側面接觸，下部可移動隔熱部件53b遠離下部固定隔熱部件53a移動，以打開下部隔 熱空間50b，從而允許硅液體23以一個方向固化。在結晶階段的后期，側部可移動隔熱部 件51b遠離硅容器20移動，以解除其隔熱，上部可移動隔熱部件52b遠離上部固定隔熱部 件52a移動，以打開上部隔熱空間50a，從而允許硅容器20快速冷卻。接下來，詳細描述本發明的裝置100的操作。打開反應器10的門(未示出)，在設置于工作臺21的硅容器20內放入硅原料22， 如圖3所示。關閉所述門，存在于反應器10內的空氣通過真空泵(未示出)排出，以使反 應器10抽空成真空狀態(未示出)。通過反應器10上的氣體入口 11將惰性氣體引入反應 器10內。然后，上部加熱器30和下部加熱器40開始加熱上部隔熱空間50a和下部隔熱空 間50b。加熱溫度設定成比1410°C高一點，因為硅原料22在1410°C開始熔化。容納在硅容 器20內的硅原料22完全在此加熱溫度熔化。上部加熱器30直接加熱硅容器20的上部， 同時，下部加熱器40通過工作臺21間接加熱硅容器20的底部。這時，操作側部驅動器51c以遠離硅容器20移動側部可移動隔熱部件51b，從而 解除硅容器20的側面的隔熱，以便熱量能夠直接傳遞到硅容器20的側面。上部可移動隔 熱部件52b和下部可移動隔熱部件53b保持與上部固定隔熱部件52a和下部固定隔熱部件 53a的孔結合，從而關閉上部隔熱空間50a和下部隔熱空間50b。當實施加熱操作時，硅原 料22熔化成硅液體23。一旦通過加熱操作獲得硅液體23時，如圖4和圖6所示，下部加熱器40關閉，同時保持上部加熱器30打開。操作側部驅動器51c以朝向硅容器20移動側部可移動隔熱部件51b，從而硅容器20的側面通過側部可移動隔熱部件51b隔熱。同時，操作下部驅動器 53c以遠離下部固定隔熱部件53a移動下部可移動隔熱部件53b，以便反應器10的內部空 間IOb能夠通過下部固定隔熱部件53a的孔與下部隔熱空間50b相通。因此，由循環通過 冷卻劑流動路徑IOa的冷卻劑冷卻的惰性氣體引入下部隔熱空間50b，以逐漸冷卻含有硅 液體23的硅容器20的底部。通過調節上部加熱器30的熱產生量和下部可移動隔熱部件 53b的打開程度，硅液體23的冷卻速度以這種方式控制，即硅液體23能夠逐漸從其底部固 化，并同時保持硅液體23的上部熔化。側部可移動隔熱部件51b用于阻止熱從硅容器20的側面散發或者阻止熱作用到 硅容器20的側面，以便沒有水平溫度梯度出現在硅容器20內。假定硅容器20的側面比其 中心的溫度高，那么晶體成長方向或雜質濃度可以變得不規則。這就減小了晶態硅襯底的
質量和其生產率。通過控制硅液體23的冷卻速度，也就是，控制上部加熱器30的熱生產量和下部可 移動隔熱部件53b的打開程度，在硅液體23固化成晶態硅襯底24之后，晶態硅襯底24在 大約1200°C經過退火，以除去保留在其內的溫度應力。在退火的后期階段，關閉上部加熱器30，側部可移動隔熱部件51b遠離硅容器20 移動，如圖5和圖6所示。同時，操作上部驅動器52c以遠離上部固定隔熱部件52a移動上 部可移動隔熱部件52b，從而打開后者的孔。因此，由循環通過冷卻劑流動路徑IOa的冷卻 劑冷卻的惰性氣體引入上部隔熱空間50a，以快速冷卻硅容器20和包含在其內的晶態硅襯 底24。同時，下部可移動隔熱部件53b保持打開狀態。如果硅容器20和反應器10充分冷卻，那么上部可移動隔熱部件52b和下部可移 動隔熱部件53b移入原始位置，以關閉上隔熱空間50a和下隔熱空間50b。此后，反應器10 的門打開，以取出晶態硅襯底24，從而終止晶態硅襯底24的生產周期。如上所述，當側部可移動隔熱部件51b朝向硅容器20移動或遠離硅容器20移動 時，它們通過工作臺21支撐并沿所述工作臺21移動。這就減小了由側部驅動器51c承受 的負載，并阻止了側部驅動器51c的活塞桿偏轉或變形。因此，側部驅動器51c能夠在結構 上以穩定的狀態進行操作。在熔化硅原料22的熔化階段，側部可移動隔熱部件51b遠離硅容器20移動，以便 上部加熱器30和下部加熱器40的熱量能夠作用到硅容器20的側面。這有助于增加熔化效率。在結晶硅液體23的結晶階段，側部可移動隔熱部件51b與硅容器20的側面接觸， 從而使水平溫度梯度最小。另外，下部可移動隔熱部件53b遠離上部固定隔熱部件52a移 動，以打開下部隔熱空間50b。然后，充入反應器10的內部空間IOb的冷卻惰性氣體引入到 下部隔熱空間50b內，以確保硅晶體的單向增長。這就可以產生具有高質量和增加生產率 的晶態硅襯底24。在結晶的后期階段，側部可移動隔熱部件51b遠離硅容器20移動，上部可移動隔 熱部件52b遠離上部固定隔熱部件52a移動，以允許上部隔熱空間50a與反應器10的內部 空間IOb相通。因此，冷卻的惰性氣體引入上部隔熱空間50a內，以快速冷卻硅容器20和 晶態硅襯底24。此時，下部可移動隔熱部件53b保持與下部固定隔熱部件53a遠離，以便下部隔熱空間50b能夠與反應器10的內部空間IOb相通。這就減小了進入下一生產周期所 需要的時間。通過使用側部可移動隔熱部件51b，上部可移動隔熱部件52b和下部可移動隔熱 部件53b，可以增加熔化速度和冷卻速度同時確保硅晶體的單向增長。這有助于徹底增加晶 態硅襯底24的生產率。雖然本發明的某些實施例在上面已經進行了描述，但是本發明并不限于此。本領 域技術人員可以理解的是，可以作出多種改變和修改而不脫離本發明權利要求書限定的范圍。
權利要求
一種用于生產太陽能電池的晶態硅襯底的裝置，其包括反應器；設置在反應器內的硅容器，該硅容器用于在其內容納硅原料；設置在硅容器上部的上部加熱器，該上部加熱器用于加熱容納在硅容器內的硅原料；設置在硅容器下部的下部加熱器，該下部加熱器用于加熱容納在硅容器內的硅原料；以及設置在反應器內部的隔熱體單元，該隔熱體單元用于包圍硅容器、上部加熱器和下部加熱器，其中所述隔熱體單元包括具有頂部開口和底部開口的側部隔熱體，結合到所述側部隔熱體的頂部開口的上部隔熱體，以及結合到側部隔熱體的底部開口的下部隔熱體，其中，所述側部隔熱體包括側部固定隔熱部件；與側部固定隔熱部件結合并相對于硅容器移動的多個側部可移動隔熱部件；以及多個側部驅動器，其可操作地連接到側部可移動隔熱部件上，用于朝向或遠離硅容器移動側部可移動隔熱部件。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述上部隔熱體包括具有一個孔的上部固 定隔熱部件；固定到所述上部固定隔熱部件的孔上的上部可移動隔熱部件；以及相對于所 述上部固定隔熱部件移動所述上部可移動隔熱部件的上部驅動器，以打開和關閉所述上部 固定隔熱部件的孔。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述下部隔熱體包括具有一個孔的下部固 定隔熱部件；固定到所述下部固定隔熱部件的孔上的下部可移動隔熱部件；以及相對于所 述下部固定隔熱部件移動下部可移動隔熱部件的下部驅動器，以打開和關閉所述下部固定 隔熱部件的孔。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括用于支撐硅容器的工作臺，當所述側 部可移動隔熱部件朝向或遠離所述硅容器移動時，所述工作臺設置成支撐所述側部隔熱體 的所述側部可移動隔熱部件。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述隔熱體單元可以具有一個由所述側部 隔熱體、所述上部隔熱體和所述下部隔熱體限定的內部隔熱空間，所述內部隔熱空間可以 由所述工作臺分成用于容納所述硅容器和所述上部加熱器的上部隔熱體空間和用于容納 所述下部加熱器的下部隔熱空間。
全文摘要
一種用于生產太陽能電池的晶態硅襯底的裝置。所述裝置包括反應器；設置在反應器內的硅容器，用于在其內容納硅原料；設置在硅容器上部的上部加熱器，其用于加熱容納在硅容器內的硅原料；設置在硅容器下部的下部加熱器，其用于加熱容納在硅容器內的硅原料；以及設置在反應器內部的隔熱體單元，其用于包圍硅容器、上部加熱器和下部加熱器。所述隔熱體單元設有一個側部隔熱體，所述側部隔熱體包括固定的側部隔熱部件，與固定的側部隔熱部件結合的多個可移動側部隔熱部件，以及多個側部驅動器，其可操作地連接到可移動側部隔熱部件上，用于朝向或遠離硅容器移動可移動側部隔熱部件。
文檔編號C30B29/06GK101805924SQ20101000122
公開日2010年8月18日 申請日期2010年1月8日 優先權日2009年2月17日
發明者崔仁錫 申請人:盛百克機械有限公司