專利名稱：一種制備大晶粒鑄造多晶硅的新型石墨底板的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及大晶粒多晶娃的制備設備，具體是指一種制備大晶粒鑄造多晶娃的新型石墨底板，通過對石墨底板進行改進，使得石英坩堝底部不同區(qū)域的散熱強度不同，從而改善多晶娃初始形核的條件，為大晶粒的生長提供條件。
背景技術：
多晶硅是目前最主要的光伏材料，通過定向凝固工藝獲得的鑄造多晶硅，具有結晶取向一致、晶粒粗大均一等特點，該方法目前被多晶硅產(chǎn)業(yè)界廣泛采用。相對于直拉單晶硅，鑄造多晶硅太陽電池的效率要小1_2%。其主要原因是由于鑄造多晶硅中存在大量的晶界和位錯，它們能在硅禁帶中引入深能級，成為光生少數(shù)載流子的有效復合中心，降低電池 的光電轉換效率。因此，減少鑄造多晶硅中的晶界密度、提高硅電池光轉換效率是目前業(yè)界最主要的目標。鑄造多晶硅中的晶界主要來源于晶體生長階段。因此，生長高質(zhì)量的大晶粒鑄造多晶硅，降低晶界密度一直是光伏界研究的熱點。目前鑄造多晶硅主要是利用定向凝固的鑄造技術，在方形石英陶瓷坩堝中生長多晶硅鑄錠，但由于形核區(qū)域的面積較大，成核數(shù)目多，生長出的多晶硅晶粒細小，晶界密度高，影響了鑄造多晶硅太陽電池的轉換效率。因此，尋找一種能夠減少成核數(shù)目的新型法對于低成本、高效率的鑄造多晶硅太陽電池的開發(fā)和應用具有重要的意義。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種制備大晶粒鑄造多晶硅的新型石墨底板，通過對石墨底板進行改進，使得石英坩堝底部不同區(qū)域的散熱強度不同，從而改善多晶硅初始形核的條件，為大晶粒的生長提供條件。本實用新型的實現(xiàn)方案如下一種制備大晶粒鑄造多晶硅的新型石墨底板，包括貼附在石英坩堝底部的石墨底板，所述石墨底板內(nèi)鑲嵌有若干均勻分布的冷源塊，所述冷源塊為點冷源塊或\和棱冷源塊。所述冷源塊的厚度與石墨底板的厚度相等，且冷源塊的兩端面分別與石墨底板的上端面和下端面齊平，上端面為石墨底板靠近石英坩堝的一面，下端面為與上端面對稱的面。所述冷源塊的一端面與石墨底板的上端面齊平，上端面為石墨底板靠近石英坩堝的一面。所述冷源塊的一端面高于石墨底板的上端面，上端面為石墨底板靠近石英坩堝的一面。冷源塊為柱狀形的點冷源塊時，其橫切面呈圓形或多邊形。冷源塊為棱冷源塊時，其俯視方向的投影與縱橫交叉連接的網(wǎng)格結構的俯視方向
投影一致。冷源塊為棱冷源塊時，其俯視方向的投影與小圓外套大圓的俯視方向投影一致。[0012]冷源塊為棱冷源塊時，其俯視方向的投影與小矩形外套大矩形的俯視方向投影一致。點冷源塊或者棱冷源塊在其俯視方向的投影面積占整個石墨底板面積的30%_70%現(xiàn)有技術的技術方案為目如生廣多晶娃鑄淀所應用的石墨底板，將多晶娃原料放置在石英陶瓷坩堝中，石英陶瓷坩堝放置在由石墨底護板及側護板構成的“石墨坩堝”中，放置在熱場系統(tǒng)中，加熱使得硅料完全融化。然后，熱場底部開啟，熱量從坩堝底部釋放，溫度降低，坩堝的底部將逐漸冷卻到硅材料的結晶點溫度。然后硅溶液在坩堝底部開始結晶，逐漸向上凝固，形成自下而上的柱狀晶體結構。現(xiàn)有技術的缺點為由于傳統(tǒng)的坩堝底護板為平板結構，其弊端是石英陶瓷坩堝的底面與底護板完全接觸，因而對于坩堝底部來說，散熱強度基本一致。從而在長晶初期，整個石英坩堝底面上溫度分布基本一致，成核機會也一致，從而形成大量的晶核。使得晶體中的晶粒較小，在多晶體內(nèi)的晶界密度及晶體缺陷密度較高，影響鑄錠多晶晶體的質(zhì)量，利·用其制作的太陽能電池轉換效率也會受到影響。本實用新型提供了一種柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的制備方法，通過對石墨底板進行改進，是石英坩堝底部不同區(qū)域的散熱強度不同，從而改善多晶硅初始形核的條件，為大晶粒的生長提供條件。本實用新型涉及新型蓋板的設計簡單、成本低廉，與現(xiàn)有的鑄錠爐的兼容性好，適合產(chǎn)工業(yè)化生產(chǎn)的大范圍推廣。本實用新型設計的新型石墨底板可以采用點冷的方式和棱冷的方式。點冷源的排列方式不但可以變化，而且點冷源的形狀和大小也可以變化，棱冷的方式中，棱的大小和間距也是可以調(diào)整的。點冷源塊和棱冷源塊的材料是導熱系數(shù)大于石墨的材料制備而成的，同時還具有較高的熔點，一般采用高純金屬鑰或者鎢。點冷源塊和棱冷源塊的厚度與石墨底板的厚度一致，大約在20至30毫米作用，整個點冷源塊和棱冷源塊是貫穿石墨底板上下兩個平面的。本實用新型首先將石墨底板按照不同的設計方案加工成帶有圖案的底板，然后將高純金屬加工成與底板上的圖形相匹配的點冷源塊或\和棱冷源塊，然后將其放入到石墨底板上，然后將石英陶瓷坩堝放在整個石墨底板上即可，整個復合式的石墨底板的安裝過程十分方便。經(jīng)過上述改造后石英坩堝底部的散熱方式由平面變?yōu)榉稚⒌狞c冷與棱冷。從而改變了初始形核階段石英坩堝底部的散熱方式。在點冷或棱冷的條件下，石英坩堝底部的硅液體在形核的初期由于散熱條件的不用，不同部位的硅液體處于不用的冷卻條件下，因此形核數(shù)量以及生長速度都會發(fā)生變化，在有點冷源塊或棱冷源塊的位置處，由于散熱較快，因此形核速度快，同時點冷源塊和棱冷源塊還產(chǎn)生了徑向的溫度梯度，形核后的硅晶體會橫向生長，而在無冷源的位置處，由于散熱較慢，因此形核速度較慢，而且不會發(fā)生橫向生長，由于石英坩堝底部不同位置的散熱條件發(fā)生變化，因此可以有效地改善坩堝底部硅熔體的形核與生長條件，點冷或棱冷處的成核速度較快，生長速度也較快，同時還能夠發(fā)生橫向生長，隨著生長的進行能夠淘汰臨近位置無冷源處的晶體，因此再生長過程中占據(jù)主導地位，這樣生長出的晶體的晶粒尺寸明顯得到了增大。本實用新型的有益效果是，減少在鑄錠多晶結晶初期的成核數(shù)量，并且在結晶初期控制晶粒橫向長大后再向上生長，從而獲得具有較大橫截面積的柱狀多晶硅晶錠。降低鑄淀多晶娃體內(nèi)晶界及缺陷密度，提聞晶體質(zhì)量，從而提聞光伏電池的轉換效率。
圖I為棱冷與點冷新型石墨底板傳熱示意圖。圖2為點冷時石墨底板示意圖。圖3為棱冷時石墨底板示意圖一。圖4為棱冷時石墨底板示意圖二。圖5為棱冷時石墨底板示意圖三。圖6為傳統(tǒng)鑄錠爐中石墨底板的傳熱示意圖。圖中的標號分別表不為1、石英樹禍；2、娃溶體；3、石墨底板；4、冷源塊。
具體實施方式
實施例一如圖I所不。一種制備大晶粒鑄造多晶娃的新型石墨底板，包括貼附在石英樹禍I底部的石墨底板3，所述石墨底板3內(nèi)鑲嵌有若干均勻分布的冷源塊4，所述冷源塊4為點冷源塊或\和棱冷源塊。冷源塊4與石墨底板的鍵接關系為冷源塊4的厚度與石墨底板3的厚度相等,且冷源塊的兩端面分別與石墨底板的上端面和下端面齊平，上端面為石墨底板3靠近石英坩堝I的一面，下端面為與上端面對稱的面?；蛘呃湓磯K4與石墨底板的鑲接關系為冷源塊4的一端面與石墨底板3的上端面齊平，上端面為石墨底板3靠近石英坩堝I的一面?；蛘呃湓磯K4與石墨底板的鑲接關系為冷源塊4的一端面高于石墨底板3的上端面，上端面為石墨底板3靠近石英坩堝I的一面。如圖2所示，冷源塊4為柱狀形的點冷源塊時，其橫切面呈圓形或多邊形。如圖3所示，冷源塊4為棱冷源塊時，其俯視方向的投影與縱橫交叉連接的網(wǎng)格結構的俯視方向投影一致。如圖4所示，冷源塊4為棱冷源塊時，其俯視方向的投影與小圓外套大圓的俯視方
向投影一致。如圖5所示，冷源塊4為棱冷源塊時，其俯視方向的投影與小矩形外套大矩形的俯視方向投影一致。如圖6所不,現(xiàn)有技術的技術方案為目如生廣多晶娃鑄淀所應用的石墨底板，將多晶硅原料放置在石英陶瓷坩堝中，石英陶瓷坩堝放置在由石墨底護板及側護板構成的“石墨坩堝”中，放置在熱場系統(tǒng)中，加熱使得硅料完全融化。然后，熱場底部開啟，熱量從坩堝底部釋放，溫度降低，坩堝的底部將逐漸冷卻到硅材料的結晶點溫度。然后硅溶液在坩堝底部開始結晶，逐漸向上凝固，形成自下而上的柱狀晶體結構?，F(xiàn)有技術的缺點為由于傳統(tǒng)的坩堝底護板為平板結構，其弊端是石英陶瓷坩堝的底面與底護板完全接觸，因而對于坩堝底部來說，散熱強度基本一致。從而在長晶初期，整個石英坩堝底面上溫度分布基本一致，成核機會也一致，從而形成大量的晶核。使得晶體中的晶粒較小，在多晶體內(nèi)的晶界密度及晶體缺陷密度較高，影響鑄錠多晶晶體的質(zhì)量，利用其制作的太陽能電池轉換效率也會受到影響。[0038]本實用新型提供了一種柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的制備方法，通過對石墨底板進行改進，是石英坩堝底部不同區(qū)域的散熱強度不同，從而改善多晶硅初始形核的條件，為大晶粒的生長提供條件。本實用新型涉及新型蓋板的設計簡單、成本低廉，與現(xiàn)有的鑄錠爐的兼容性好，適合產(chǎn)工業(yè)化生產(chǎn)的大范圍推廣。本實用新型設計的新型石墨底板可以采用點冷的方式和棱冷的方式。點冷源的排列方式不但可以變化，而且點冷源的形狀和大小也可以變化，棱冷的方式中，棱的大小和間距也是可以調(diào)整的。點冷源塊和棱冷源塊的材料是導熱系數(shù)大于石墨的材料制備而成的，同時還具有較高的熔點，一般采用高純金屬鑰或者鎢。點冷源塊和棱冷源塊的厚度與石墨底板的厚度一致，大約在20至30毫米作用，整個點冷源塊和棱冷源塊是貫穿石墨底板上下兩個平面的。本實用新型首先將石墨底板按照不同的設計方案加工成帶有圖案的底板，然后將高純金屬加工成與底板上的圖形相匹配的點冷源塊或\和棱冷源塊，然后將其放入到石墨底板上，然后將石英陶瓷坩堝放在整個石墨底板上即可，整個復合式的石墨底板的安裝過 程十分方便。經(jīng)過上述改造后石英坩堝底部的散熱方式由平面變?yōu)榉稚⒌狞c冷與棱冷。從而改變了初始形核階段石英坩堝底部的散熱方式。在點冷或棱冷的條件下，石英坩堝底部的硅液體在形核的初期由于散熱條件的不用，不同部位的硅液體處于不用的冷卻條件下，因此形核數(shù)量以及生長速度都會發(fā)生變化，在有點冷源塊或棱冷源塊的位置處，由于散熱較快，因此形核速度快，同時點冷源塊和棱冷源塊還產(chǎn)生了徑向的溫度梯度，形核后的硅晶體會橫向生長，而在無冷源的位置處，由于散熱較慢，因此形核速度較慢，而且不會發(fā)生橫向生長，由于石英坩堝底部不同位置的散熱條件發(fā)生變化，因此可以有效地改善坩堝底部硅熔體的形核與生長條件，點冷或棱冷處的成核速度較快，生長速度也較快，同時還能夠發(fā)生橫向生長，隨著生長的進行能夠淘汰臨近位置無冷源處的晶體，因此再生長過程中占據(jù)主導地位，這樣生長出的晶體的晶粒尺寸明顯得到了增大。本實用新型由于采取以上技術方案(1)相比較常規(guī)的石墨底板而言，本實用新型的新型石墨底板可以有效地改善石英坩堝中硅熔體的初始形核條件，在石英坩堝底部不同的位置產(chǎn)生不同的形核與生長條件，新型石墨蓋板不但可以蓋上形核與生長條件，同時冷源位置處的晶體在生長過程中的速度較快，可以淘汰臨近位置無冷源晶體的生長，因此可以得到具有大尺寸晶粒的多晶硅鑄錠。(2)本實用新型的石墨蓋板上的點冷源塊與棱冷源塊采用的材料為高純的鑰或者鎢，他們的大小以及排列方式都可以靈活的變化。(3)本實用新型使用的新型石墨底板與傳統(tǒng)的鑄錠爐設備相兼容，不需要增加設備，工藝成本較低，產(chǎn)能較大，具有非常好的產(chǎn)業(yè)前景。其中本實用新型所涉及新型石墨底板較為重要的方面有(1)石墨底板上的點冷與棱冷的大小和形狀是可以調(diào)整的，同時點冷源與棱冷源的分布要求對稱性；(2)點冷源與棱冷源貫穿整個石墨底板，其厚度可以隨著石墨底板的厚度的變化而變化。(3)點冷源與棱冷源所采用的材料要求傳熱系數(shù)要大于石墨底板，同時還要具有較高的熔點。如上所述，則能很好的實現(xiàn)本實用新型。
權利要求1.一種制備大晶粒鑄造多晶硅的新型石墨底板，包括貼附在石英坩堝(I)底部的石墨底板(3)，其特征在于所述石墨底板(3)內(nèi)鑲嵌有若干均勻分布的冷源塊(4)，所述冷源塊(4)為點冷源塊或\和棱冷源塊。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種制備大晶粒鑄造多晶硅的新型石墨底板，其特征在于所述冷源塊(4)的厚度與石墨底板(3)的厚度相等，且冷源塊的兩端面分別與石墨底板的上端面和下端面齊平，上端面為石墨底板(3)靠近石英坩堝(I)的一面，下端面為與上端面對稱的面。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種制備大晶粒鑄造多 晶硅的新型石墨底板，其特征在于所述冷源塊(4)的一端面與石墨底板(3)的上端面齊平，上端面為石墨底板(3)靠近石英坩堝(I)的一面。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種制備大晶粒鑄造多晶硅的新型石墨底板，其特征在于所述冷源塊(4)的一端面高于石墨底板(3)的上端面，上端面為石墨底板(3)靠近石英坩堝(I)的一面。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種制備大晶粒鑄造多晶硅的新型石墨底板，其特征在于冷源塊(4)為柱狀形的點冷源塊時，其橫切面呈圓形或多邊形。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種制備大晶粒鑄造多晶硅的新型石墨底板，其特征在于冷源塊(4)為棱冷源塊時，其俯視方向的投影與縱橫交叉連接的網(wǎng)格結構的俯視方向投影—致。
7.根據(jù)權利要求I所述的一種制備大晶粒鑄造多晶硅的新型石墨底板，其特征在于冷源塊(4)為棱冷源塊時，其俯視方向的投影與小圓外套大圓的俯視方向投影一致。
8.根據(jù)權利要求I所述的一種制備大晶粒鑄造多晶硅的新型石墨底板，其特征在于冷源塊(4)為棱冷源塊時，其俯視方向的投影與小矩形外套大矩形的俯視方向投影一致。
專利摘要本實用新型公開了一種制備大晶粒鑄造多晶硅的新型石墨底板，包括貼附在石英坩堝底部的石墨底板，所述石墨底板內(nèi)鑲嵌有若干均勻分布的冷源塊，所述冷源塊為點冷源塊或\和棱冷源塊。本實用新型的有益效果是，減少在鑄錠多晶結晶初期的成核數(shù)量，并且在結晶初期控制晶粒橫向長大后再向上生長，從而獲得具有較大橫截面積的柱狀多晶硅晶錠。降低鑄錠多晶硅體內(nèi)晶界及缺陷密度，提高晶體質(zhì)量，從而提高光伏電池的轉換效率。
文檔編號C30B28/06GK202730303SQ20122043209
公開日2013年2月13日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權日2012年8月29日
發(fā)明者羅大偉, 王臨水, 路忠林, 林洪峰, 張鳳鳴 申請人:天威新能源控股有限公司