專利名稱：從超高純石英材料冶煉并直接鑄錠的設(shè)備及至切片制取太陽(yáng)能級(jí)硅片的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低成本生產(chǎn)多晶硅錠切片太陽(yáng)能電池材料的新方法及其專用設(shè)備。
傳統(tǒng)的即目前在國(guó)際上普遍采用的多晶硅太陽(yáng)能電池材料的切片是由集成電路用單晶硅的頭尾廢料或由一般純度甚至高純的石英砂在經(jīng)過(guò)電(弧)爐的冶煉之前或后采用一系列復(fù)雜的化學(xué)的或/和物理的處理過(guò)程后制得多晶硅塊，然后再經(jīng)過(guò)鑄錠爐熔化鑄成多晶硅錠，脫模取出進(jìn)行脫模切片。
而本方法的出現(xiàn)是由于最近幾年在我國(guó)發(fā)現(xiàn)了超高純的天然石英砂，其純度比一般高純石英砂經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)的或/和物理的處理過(guò)程后的高純石英砂的純度還要高得多，即雜質(zhì)含量還要低得多，特別是硼、磷的含量特別低。(參考數(shù)據(jù)硼為0.006～0.02；磷為0.002～0.2，單位是ppm)是適合本方法的首選原材料?？上е两襁@些優(yōu)質(zhì)寶貴的石英砂卻往往被大材小用，如被用作制造普通玻璃的原料。還有在直拉法制備單晶硅棒后必廢棄一個(gè)石英坩鍋，上面還粘有直拉單晶后剩的硅，在其純度保證符合上述要求的情況下，也可用作本方法的原材料。由此可見，適用本工藝方法的前提是擁有大量達(dá)到如此高純的超高純天然石英砂或同等純度的石英制品廢料等。
所說(shuō)的新方法的特征是以超高純石英材料(石英砂或/和石英制品廢料，化學(xué)名稱為二氧化硅)和超高純(成團(tuán)化處理過(guò)的)碳黑作為原料，經(jīng)過(guò)電爐冶煉獲得的熔硅直接進(jìn)行鑄錠并定向凝固成無(wú)開裂多晶硅錠，脫模取出后，先把周邊余量切掉并切到標(biāo)準(zhǔn)尺寸后再進(jìn)行切片，以作為生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的硅片材料。所說(shuō)的電爐即(a)電弧爐的兩個(gè)(1)電極是用超高純石墨棒制成并采用超高純陶瓷(2)絕緣材料進(jìn)行絕緣，其(3)爐襯也采用超高純石墨或其它超高純材料制成，其冶煉獲得的熔硅的出口可以是單一的，也可以由多個(gè)出口組成，填加原料前，每一出口用一個(gè)(4)多晶硅片(塊)作為堵頭，并以(5)專用連接法蘭盤固緊，所說(shuō)的專用連接法蘭盤內(nèi)沿的下端嵌有用超高純材料制的(6)熔硅導(dǎo)槽，其上部安裝有超高純材料制的(8)熔硅限流板，以作為把電(弧)爐中的原料冶煉成熔硅后流出時(shí)輸導(dǎo)到(b)鑄錠爐中以供直接進(jìn)行鑄錠之用。
所說(shuō)的直接進(jìn)行鑄錠是由多個(gè)(特例為一個(gè))同時(shí)或相繼通過(guò)所說(shuō)的專用連接法蘭盤對(duì)準(zhǔn)電(弧)爐的(7)熔硅出口的鑄錠爐等設(shè)備的協(xié)調(diào)動(dòng)作配合完成的，所說(shuō)的每一個(gè)鑄錠爐的上半部都有一個(gè)(9)可升降的鐘罩形爐腔外壁，在此鐘罩形爐腔外壁上除了有一(10)窺視鏡外，還有一個(gè)和電(弧)爐熔硅出口專用法蘭盤對(duì)接的法蘭盤(11)對(duì)接口，在此法蘭盤對(duì)接口內(nèi)沿下端有一個(gè)略微下斜的嵌有超高純材料制的(12)熔硅導(dǎo)槽，以保證熔硅直接流入鑄錠爐的(13)石墨模具中，在所說(shuō)的鑄錠爐的下半部的固定部分的爐腔內(nèi)，都設(shè)有熔硅(14)保溫加熱系統(tǒng)、橫截面為方形的且內(nèi)壁涂有供多晶硅錠脫模用的脫模劑的高純(13)石墨模具及其(15)支撐升降系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、以及氬氣輸入輸出和測(cè)溫控溫系統(tǒng)等；所說(shuō)的定向凝固成無(wú)開裂多晶硅錠的過(guò)程即由此種鑄錠爐單獨(dú)完成的。當(dāng)電(弧)爐和鑄錠爐按上述要求完成對(duì)接后，進(jìn)行抽真空，然后輸入氬氣至一個(gè)大氣壓；另一方面，在電(弧)爐中裝入按預(yù)定比例混合的超高純石英材料和經(jīng)過(guò)成團(tuán)處理過(guò)的超高純碳黑等原料后，啟動(dòng)電弧爐進(jìn)行冶煉，當(dāng)原料幾乎全部耗盡而冶煉成熔硅時(shí)，每一熔硅出口處的(4)多晶硅片(塊)堵頭被熔通，當(dāng)熔硅幾乎全部流出并被分配到相應(yīng)的鑄錠爐中的石墨模具中后，該石墨模具的底部在不斷輸入氬氣的同時(shí)隨其支撐升降系統(tǒng)緩慢下降，使多晶硅從底部開始凝固，逐漸向上以形成無(wú)開裂多晶硅錠。
上述電(弧)爐和鑄錠爐的組合即為本發(fā)明所說(shuō)的新方法的專用設(shè)備，如說(shuō)明書附圖
所示。
所說(shuō)的多晶硅錠的橫截面邊長(zhǎng)為正方形單片太陽(yáng)能電池最終產(chǎn)品的邊長(zhǎng)(一般統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)定為10公分)長(zhǎng)度或其邊長(zhǎng)的兩倍長(zhǎng)度再加上該長(zhǎng)度的1～10％的周邊余量。在進(jìn)行切片之前，先用切邊機(jī)切掉周邊余量后，再用切片機(jī)把正方形邊長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的多晶硅塊切成約0.4毫米厚度的多晶硅片。
所說(shuō)的“超高純”的概念的含義是指在所用原料中所允許的雜質(zhì)含量的標(biāo)準(zhǔn)是以保證采用本方法所制備的可以進(jìn)一步制造成太陽(yáng)能電池的多晶硅片的P型電阻率值在0.9～10.1(歐姆-厘米)的范圍為宜。所說(shuō)的超高純石英材料可以是天然超高純石英砂，也可以是把具有一定高純度的石英砂或石英制品廢料經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)或/和物理工序處理過(guò)后達(dá)到所說(shuō)的“超高純”的標(biāo)準(zhǔn)的石英材料。
顯然，本發(fā)明提出的是一種低成本生產(chǎn)多晶硅太陽(yáng)能電池材料的新方法，但必要條件是須擁有大量達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)的高純度的超高純天然石英砂或同等純度的石英制品廢料，就可以大大降低生產(chǎn)多晶硅太陽(yáng)電池的成本，或者采用此項(xiàng)新方法來(lái)獲得專業(yè)生產(chǎn)多晶硅片的較高利潤(rùn)，另一方面也是一種大大提高天然超高純石英砂的利用價(jià)值的途徑，對(duì)于更高的特高純天然石英砂，是否可以直接冶煉成電子純多晶硅，今后也不妨試探討一下。
權(quán)利要求
1.一種低成本生產(chǎn)多晶硅鑄錠切片法太陽(yáng)能電池材料的新方法及其專用設(shè)備。所說(shuō)的新方法的特征是以超高純石英材料(石英砂或/和石英制品廢料，化學(xué)名稱為二氧化硅)和超高純碳黑作為原料，經(jīng)過(guò)電爐冶煉獲得的熔硅直接進(jìn)行鑄錠并定向凝固成無(wú)開裂多晶硅錠，脫模取出制成多晶硅錠后，先把周邊余量切到或分塊切到標(biāo)準(zhǔn)尺寸再進(jìn)行切片，以作為生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的硅片材料。所說(shuō)的電爐即(a)電弧爐的兩個(gè)(1)電極是用超高純石墨棒制成并采用(2)超高純陶瓷絕緣材料進(jìn)行絕緣，其(3)爐襯也采用超高純石墨或其它超高純材料制成，其冶煉獲得的熔硅的出口可以是單一的，也可以由多個(gè)出口組成，填加原料前，每一出口用一個(gè)(4)多晶硅片(塊)作為堵頭，并以(5)專用連接法蘭盤固緊，所說(shuō)的專用連接法蘭盤的內(nèi)沿的下端嵌有用超高純材料制的(6)熔硅導(dǎo)槽，其上部安裝有超高純材料制的(8)熔硅限流板，以作為把電(弧)爐中的原料冶煉成熔硅后流出時(shí)輸導(dǎo)到(b)鑄錠爐中以供直接進(jìn)行鑄錠之用。
2.在權(quán)利要求1中所說(shuō)的直接進(jìn)行鑄錠是由多個(gè)(特例為一個(gè))同時(shí)或相繼通過(guò)所說(shuō)的專用連接法蘭盤對(duì)準(zhǔn)電(弧)爐的(7)熔硅出口的鑄錠爐等設(shè)備的協(xié)調(diào)動(dòng)作配合完成的，所說(shuō)的每一個(gè)鑄錠爐的上半部都有一個(gè)(9)可升降的鐘罩形爐腔外壁，在此鐘罩形爐腔外壁上除了有一(10)窺視鏡外，還有一個(gè)和電(弧)爐熔硅出口專用法蘭盤對(duì)接的法蘭盤(11)對(duì)接口，在此法蘭盤對(duì)接口內(nèi)沿下端有一個(gè)略微下斜的嵌有超高純材料制的(12)熔硅導(dǎo)槽，以保證熔硅直接流入鑄錠爐的(13)石墨模具中，在所說(shuō)的鑄錠爐的下半部的固定部分的爐腔內(nèi)，都設(shè)有熔硅(14)保溫加熱系統(tǒng)、橫截面為方形的且內(nèi)壁涂有供多晶硅錠脫模用的脫模劑的超高純(13)石墨模具及其(15)支撐升降系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、以及氬氣輸入輸出和測(cè)溫控溫系統(tǒng)等。所說(shuō)的定向凝固成無(wú)開裂多晶硅錠的過(guò)程即由此種鑄錠爐單獨(dú)完成的。當(dāng)電(弧)爐和鑄錠爐按上述要求完成對(duì)接后，進(jìn)行抽真空，然后輸入氬氣至一個(gè)大氣壓；另一方面，在電(弧)爐中裝入按預(yù)定比例混合的超高純石英材料和經(jīng)過(guò)成團(tuán)處理過(guò)的超高純碳黑原料后，啟動(dòng)電(弧)爐進(jìn)行冶煉，當(dāng)原料幾乎全部耗盡而冶煉成熔硅時(shí)，每一熔硅出口處的多晶硅片(塊)堵頭被熔通，當(dāng)熔硅幾乎全部流出并被分配到相應(yīng)的鑄錠爐中的石墨模具中后，該石墨模具的底部在不斷輸入氬氣的同時(shí)隨其支撐升降系統(tǒng)緩慢下降，使多晶硅從底部開始凝固，逐漸向上以形成無(wú)開裂多晶硅錠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所說(shuō)的(a)電(弧)爐和(b)鑄錠爐的組合為本發(fā)明所說(shuō)的新方法的專用設(shè)備，以及上述的用此設(shè)備進(jìn)行的從超高純石英材料冶煉直至取出多晶硅錠的工藝。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所說(shuō)的多晶硅錠的橫截面邊長(zhǎng)為正方形單片太陽(yáng)能電池最終產(chǎn)品的邊長(zhǎng)(一般統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)定為10公分)長(zhǎng)度或其邊長(zhǎng)的兩倍長(zhǎng)度再加上其長(zhǎng)度的1～10％的周邊余量。以及當(dāng)用切邊機(jī)切掉周邊余量后，再用切片機(jī)把正方形邊長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的多晶硅塊切成約0.4毫米厚度的多晶硅片的工藝。
5.權(quán)利要求1、2、3中所說(shuō)的“超高純”的概念的含義是指在所用原料中所允許的雜質(zhì)含量的標(biāo)準(zhǔn)是以保證采用本方法所制備的可以進(jìn)一步制造成太陽(yáng)能電池的多晶硅片的P型電阻率值在0.9～10.1(歐姆-厘米)的范圍為宜。所說(shuō)的超高純石英材料可以是天然超高純石英砂，也可以是把具有一定高純度的石英砂或石英制品廢料經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)或/和物理工序(如酸洗、清洗、烘干)處理過(guò)后達(dá)到所說(shuō)的“超高純”的標(biāo)準(zhǔn)的石英材料。
全文摘要
從超高純石英材料(石英砂或/和石英制品廢料)經(jīng)過(guò)電爐冶煉獲得的熔硅直接進(jìn)行鑄錠定向凝固成無(wú)開裂多晶硅錠的設(shè)備及至脫模取出硅錠后直接切片的工藝,以作為生產(chǎn)多晶硅太陽(yáng)能電池的硅片材料。這是一種低成本生產(chǎn)多晶硅太陽(yáng)能電池材料的新方法,可以大大降低生產(chǎn)多晶硅太陽(yáng)電池的成本,或者采用此項(xiàng)新方法來(lái)獲得專業(yè)生產(chǎn)多晶硅片的較高利潤(rùn),另一方面也可以成為大大提高天然超高純石英砂以及某些石英制品廢料的利用價(jià)值的途徑。
文檔編號(hào)C30B11/00GK1176319SQ96113018
公開日1998年3月18日 申請(qǐng)日期1996年9月9日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月9日
發(fā)明者解青華 申請(qǐng)人:解青華