铸造单晶硅用隔热底板、铸造单晶硅生长设备及铸造单晶硅的制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池用晶体硅制备领域，涉及一种铸造单晶硅用隔热底板、铸造单晶硅生长设备及铸造单晶硅的制备方法。
背景技术
在太阳能光伏领域，普遍采用定向凝固的方法生产多晶硅铸锭，随着铸锭技术的发展和光伏市场需求的变化，采用定向凝固的方法生产铸造单晶硅已经成为新一代的技术。铸造单晶硅结合了多晶硅铸锭和直拉单晶硅的优点，具有低成本、高效率的优势。常规铸造单晶硅的制备方法是在坩埚底部铺设多块（100）晶面的单晶硅块籽晶，通过控制熔化过程使籽晶部分熔化，进而以未熔化的籽晶为基体，生长出单晶硅锭。然而，常规铸造单晶硅的制备技术存在的主要问题有：（1）普通多晶硅铸锭炉热场尺寸较大，热场的均匀性难以控制，靠近坩埚边缘的籽晶不易保留；（2）单晶硅籽晶是从直拉单晶圆棒经过加工得到，加工过程损耗较大，且易造成籽晶的损伤；（3）在坩埚底部铺设多块单晶硅籽晶，原料用量大，原料成本高，且铺设多块单晶硅籽晶时容易导致拼缝不严密、籽晶间侧边接触面的晶向存在偏差，从而造成铸造单晶硅具有较高的位错密度和孪晶界，导致晶体出现大量的位错和栾晶，相比直拉单晶硅的质量存在较大的差距；（4）在定向凝固生长过程中，坩埚侧壁形核、热场不均和异质成核，容易导致硅锭的单晶部分面积较小，从而造成单晶率低。上述问题的存在严重影响了单晶硅锭的产品质量，严重限制其推广应用。
中国专利文献（公开号为CN 103628127 A）公开了一种定向凝固法准单晶硅生长炉及准单晶硅的生长方法。在石英坩埚内底部开若干籽晶凹槽，在DS块上开氩气冷却孔和氩气流道，针对熔料、生长和收尾的不同阶段，控制底部氩气冷却进口管的氩气流量，从而控制籽晶的熔接、固液界面保持水平并略凸以及晶体硅和熔体硅的轴向温度梯度，但是该专利技术对石英坩埚强度要求过高、技术操作难度大。中国专利文献（公开号为CN 103160918 A）公开了一种准单晶硅的制备炉及制备方法，该制备炉包括：炉体、夹持机构、支撑杆、冷却管路、坩埚、石墨块、升降机构、加热装置和保温壁；其中，坩埚设置在炉体内的底部，坩埚底部通过石墨块设置在伸出至炉体外的所述升降机构上；坩埚外周设置加热装置，加热装置与炉体内壁之间设置保温壁；夹持机构通过支撑杆设置在坩埚上方的炉体内，夹持机构与伸出至炉体外的冷却管路连接，但是该专利中类似单晶硅生长炉的装置缺少必要的温度监控，坩埚旋转和熔体旋转，很难生长低密度位错的单晶硅。由此可见，现有单晶硅生长设备中还存在对石英坩埚强度要求过高、技术操作难度大、难以降低位错密度等问题，这些问题的存在也使得现有单晶硅生长设备难以被广泛使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单、可控性强的铸造单晶硅用隔热底板，以及一种基于该铸造单晶硅用隔热底板的具有操作简单、热场均匀性可控、长晶质量可控的铸造单晶硅生长设备，还提供了一种工艺简单、易操作、成本低廉、单晶硅籽晶用量小、单晶率高、位错率低的铸造单晶硅的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种铸造单晶硅用隔热底板，所述隔热底板包括隔热板基板和设于隔热板基板上的活动式隔热板。
上述的铸造单晶硅用隔热底板，进一步改进的，所述活动式隔热板设为上下移动的环形隔热板、旋转移动的方形隔热板或旋转移动的圆形隔热板。
上述的铸造单晶硅用隔热底板，进一步改进的，所述活动式隔热板包括至少一个环形隔热板；或，所述活动式隔热板包括至少一个方形隔热板；或，所述活动式隔热板由至少包括两个弧形的圆形隔热板组成。
上述的铸造单晶硅用隔热底板，进一步改进的，所述隔热板基板设为固定式或活动式。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种铸造单晶硅生长设备，包括炉体和设于炉体内的隔热笼、顶部加热器、侧部加热器、石墨护板、石英坩埚、石墨底板、热交换台，所述顶部加热器设于石墨护板和隔热笼的顶壁之间，所述侧部加热器设于石墨护板和隔热笼的侧壁之间，所述石墨护板设于石墨底板上，所述石英坩埚设于石墨护板和石墨底板之间，所述热交换台设于石墨底板下，所述铸造单晶硅生长设备还包括上述的铸造单晶硅用隔热底板，所述铸造单晶硅用隔热底板设于隔热笼下，所述热交换台下设有用于调节温度的活动式隔热板。
上述的铸造单晶硅生长设备，进一步改进的，所述石英坩埚底部中心的导热系数低于底部四周的导热系数；所述热交换台中设有用于调节温度的通道，通过将冷气或冷水通入到通道调节热交换台的温度。
上述的铸造单晶硅生长设备，进一步改进的，所述隔热笼的底部与隔热板基板之间设有保温条；所述热交换台的侧面以及底部四周区域设有保温条。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种铸造单晶硅的制备方法，利用上述的铸造单晶硅生长设备制备铸造单晶硅。
上述的制备方法，进一步改进的，包括以下步骤：
S1、在石英坩埚底部中心放置一块单晶硅籽晶，装入硅原料和母合金；
S2、利用顶部加热器和侧部加热器对步骤S1中的单晶硅籽晶、硅原料和母合金进行加热，使硅原料和母合金完全熔化，同时在单晶硅籽晶熔化时降低石英坩埚底部中心的温度，使单晶硅籽晶部分熔化，进入长晶阶段；
S3、进入长晶阶段后通过控制硅熔体的横向温度梯度和纵向温度梯度，使晶体从单晶硅籽晶和硅熔体的接触面四周及向上生长，得到铸造单晶硅锭。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S1中，所述单晶硅籽晶的（001）晶向朝上；所述单晶硅籽晶的径向尺寸为100mm～1000mm；所述单晶硅籽晶的高度为10mm～200mm；所述单晶硅籽晶的形状为长方体、正方体或圆柱体。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S2中，所述单晶硅籽晶熔化时采用以下任意一种方式降低石英坩埚底部中心的温度：方式一为调节活动式隔热板上下移动或旋转移动；方式二为将冷水或冷气通入到热交换台用于调节温度的通道中；所述单晶硅籽晶的未熔化部分的高度为1mm～190mm。
上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S3中，所述长晶过程中，通过加大侧面加热器的功率，形成横向温度梯度，同时通过调节活动式隔热板稳定横向温度梯度，使晶体向四周定向生长，通过加大顶部加热器的功率，形成纵向温度梯度，使晶体向四上定向生长。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明中提供了一种铸造单晶硅用隔热底板，包括隔热板基板和设于隔热板基板上的活动式隔热板。本发明中，活动式隔热板具有移动功能，可实现上下移动和旋转移动，通过活动式隔热板的移动有效控制隔热板的隔热和散热效果，如在籽晶熔化时，活动式隔热板向下移动或旋转打开，可以降低石英坩埚底部中心的温度，从而达到保留籽晶的目的，又如在晶体生长阶段，通过控制活动式隔热板移动速率和移动位移，逐步打开活动式隔热板，可以维持一定的横向温度梯度，从而达到从中心源籽晶向四周生长的目的。本发明铸造单晶硅用隔热底板，能够实现对温度的有效控制，具有操作简单、可控性强等优点。
（2）本发明中提供了一种铸造单晶硅生长设备，该铸造单晶硅生长设备包括铸造单晶硅用隔热底板，通过对隔热底板进行改进，能够提高籽晶熔化的可控性，使得未熔化的籽晶能够更好的满足设计需要，从而在利用该铸造单晶硅生长设备制备铸造单晶硅时获得质量可控的铸造单晶硅。本发明铸造单晶硅生长设备具有操作简单、热场均匀性可控、长晶质量可控等优点，有着很好的应用价值和应用前景。
（3）本发明铸造单晶硅生长设备中，所用石英坩埚底部中心的导热系数低于底部四周的导热系数，好处在于：在籽晶熔化时，能够保持石英坩埚底部中心的温度较低，保证籽晶保护熔化，同时也可以加大坩埚径向的温度梯度，防止坩埚底部和侧壁形核生长，提高单晶硅锭的成品率。
（4）本发明铸造单晶硅生长设备中，在隔热笼底部与隔热板基板之间、在热交换台侧面和底部四周区域均设有保温条，这些保温条的设置有助于减少坩埚四周的热量散失，提高坩埚壁的温度，由此获得较大的横向温度梯度，达到增加硅熔体横向温度梯度的要求，能够较好的保留单晶硅籽晶以及确保中心源籽晶能够定向生长，同时也能防止坩埚底部和侧壁形核生长，提高单晶硅锭的成品率。
（5）本发明中提供了一种铸造单晶硅的制备方法，采用上述铸造单晶硅生长设备制备铸造单晶硅，将单晶硅籽晶放置于石英坩埚底部中心，以此中心源籽晶为晶种向四周及向上生长得到铸造单晶硅。本发明中，仅需一块单晶硅籽晶作为晶种，能够避免出现拼缝不严密、籽晶间侧边接触面的晶向存在偏差等问题，从而有效降低位错率，使晶体的位错率低，同时通过减少单晶硅籽晶的使用量，大幅降低了生产成本。本发明中，通过控制顶部加热器和侧部加热器进行加热，能够使多晶硅料和母合金快速熔化，同时在籽晶熔化时通过调节活动式隔热板上下移动或旋转移动，或将冷水或冷气通入到热交换台用于调节温度的通道中，能够有效降低石英坩埚底部中心的温度，达到保留籽晶的目的。在长晶初始阶段，通过加大侧面加热器的功率，形成横向温度梯度，通过调节活动式隔热板稳定横向温度梯度，使晶体向四周定向生长；在长晶后期，通过加大顶部加热器的功率，形成纵向温度梯度，使晶体向四上定向生长；且由于铸造单晶硅生长设备中设有保温条，能够减少坩埚四周的热量散失，提高坩埚壁的温度，由此获得较大的横向温度梯度，达到增加硅熔体横向温度梯度的要求，能够较好的保留单晶硅籽晶以及确保中心源籽晶能够定向生长，同时也能防止坩埚底部和侧壁形核生长，提高单晶硅锭的成品率。本发明制备方法具有工艺简单、易操作、成本低廉、单晶硅籽晶用量小、单晶率高、位错率低等优点，适合于大规模制备，利用工业化生产，有着很好的应用价值和应用前景。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为本发明实施例1中铸造单晶硅用隔热底板的俯视图。
图2为本发明实施例2中铸造单晶硅用隔热底板的俯视图。
图3为本发明实施例3中铸造单晶硅用隔热底板的俯视图。
图4为本发明实施例4中铸造单晶硅生长设备的结构示意图。
图5为本发明实施例1中铸造单晶硅生长设备中热交换台的结构示意图。
图例说明：
1、炉体；2、隔热笼；3、顶部加热器；4、侧部加热器；5、石墨护板；6、石英坩埚；7、进气管；8、硅熔体；9、籽晶；10、石墨底板；11、热交换台；12、隔热底板；121、隔热板基板；122、活动式隔热板。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下本发明实施例中，若无特别说明，所采用的材料和仪器均为市售，所采用工艺为常规工艺，所采用设备为常规设备，且所得数据均是三次以上重复实验的平均值。
实施例1
一种铸造单晶硅用隔热底板，如图1所示，该隔热底板12包括隔热板基板121和设于隔热板基板121上的活动式隔热板122，其中活动式隔热板122由四个环形隔热板构成，各个环形隔热板可以通过运动装置（该装置能够实现活动式隔热板122的运动功能即可）实现上下移动功能。如，在籽晶熔化时，根据需要将1个或多个环形隔热板向下移动，实现活动式隔热板122下降打开，降低石英坩埚底部中心的温度，达到保留籽晶的目的。在进入晶体生长阶段时，按照一定速率逐步打开多个环形隔热板，维持一定的横向温度梯度，达到从中心源籽晶向四周生长的目的。本发明铸造单晶硅用隔热底板，能够实现对温度的有效控制，具有操作简单、温度可控性强等优点。
本实施例中，隔热板基板121为固定式。
实施例2
一种铸造单晶硅用隔热底板，如图2所示，该隔热底板12包括隔热板基板121和设于隔热板基板121上的活动式隔热板122，其中活动式隔热板122由四个长方形隔热板构成，各个长方形隔热板可以通过运动装置（该装置能够实现活动式隔热板122的运动功能即可）实现旋转移动功能。如，在籽晶熔化时，根据需要将1个或多个长方形隔热板旋转打开，降低石英坩埚底部中心的温度，达到保留籽晶的目的。在进入晶体生长阶段时，按照一定速率逐步旋转打开多个长方形隔热板，维持一定的横向温度梯度，达到从中心源籽晶向四周生长的目的。本发明铸造单晶硅用隔热底板，能够实现对温度的有效控制，具有操作简单、温度可控性强等优点。
本实施例中，隔热板基板121为固定式。
实施例3
一种铸造单晶硅用隔热底板，如图3所示，该隔热底板12包括隔热板基板121和设于隔热板基板121上的活动式隔热板122，其中活动式隔热板122为圆形隔热板，该圆形隔热板由两个弧形隔热板构成，各个弧形隔热板可以通过运动装置（该装置能够实现活动式隔热板122的运动功能即可）实现旋转移动功能。如，在籽晶熔化时，根据需要将1个或两个弧形隔热板旋转打开，降低石英坩埚底部中心的温度，达到保留籽晶的目的。在进入晶体生长阶段时，按照一定速率逐步旋转打开弧形隔热板，维持一定的横向温度梯度，达到从中心源籽晶向四周生长的目的。本发明铸造单晶硅用隔热底板，能够实现对温度的有效控制，具有操作简单、温度可控性强等优点。
本实施例中，隔热板基板121为固定式。
实施例4
一种铸造单晶硅生长设备，如图4所示，包括炉体1和设于炉体1内的隔热笼2、顶部加热器3、侧部加热器4、石墨护板5、石英坩埚6、进气管7、石墨底板10、热交换台11、铸造单晶硅用隔热底板12，其中顶部加热器3设于石墨护板5和隔热笼2的顶壁之间，侧部加热器4设于石墨护板5和隔热笼2的侧壁之间，石墨护板5设于石墨底板10上，石英坩埚6设于石墨护板5和石墨底板10之间，石英坩埚6中装有硅熔体8和籽晶9，热交换台11设于石墨底板10下，铸造单晶硅用隔热底板12设于隔热笼2下，热交换台11下设有用于调节温度的活动式隔热板122。本实施例铸造单晶硅生长设备具有操作简单、热场均匀性可控、长晶质量可控等优点，有着很好的应用价值和应用前景。
应用到具体实施例，活动式隔热板122可以是由四个环形隔热板构成，各个环形隔热板可以通过运动装置实现上下移动功能，如图1所示；也可以是由四个长方形隔热板构成，各个长方形隔热板可以通过运动装置实现旋转移动功能，如图2所示；同时还可以是圆形隔热板，该圆形隔热板由两个弧形隔热板构成，各个弧形隔热板可以通过运动装置实现旋转移动功能，如图3所示。本发明铸造单晶硅生长设备中，通过对隔热底板进行改进，能够提高籽晶熔化的可控性，使得未熔化的籽晶能够更好的满足设计需要，从而在利用该铸造单晶硅生长设备制备铸造单晶硅时获得质量可控的铸造单晶硅。
本实施例中，进一步改进的，石英坩埚6底部中心的导热系数低于底部四周的导热系数，好处在于：在籽晶熔化时，能够保持石英坩埚底部中心的温度较低，保证籽晶保护熔化，同时也可以加大坩埚径向的温度梯度，防止坩埚底部和侧壁形核生长，提高单晶硅锭的成品率。
本实施例中，进一步改进的，热交换台11中设有用于调节温度的通道，通过将冷气或冷水通入到通道调节热交换台11的温度，如图5所示，好处在于：将冷水或冷气通入到热交换台用于调节温度的通道中，能够有效降低石英坩埚底部中心的温度，达到保留籽晶的目的。
本实施例中，进一步改进的，隔热笼2的底部与隔热板基板121之间设有保温条，热交换台11的侧面以及底部四周区域设有保温条，好处在于：有助于减少坩埚四周的热量散失，提高坩埚壁的温度，由此获得较大的横向温度梯度，达到增加硅熔体横向温度梯度的要求，能够较好的保留单晶硅籽晶以及确保中心源籽晶能够定向生长，同时也能防止坩埚底部和侧壁形核生长，提高单晶硅锭的成品率。
本实施例中，进一步改进的，铸造单晶硅生长设备中还设有安装在进气管7的上方的石英棒，可以通过进气管7插入到熔体中，用于辅助测试熔化阶段单晶硅籽晶的保留情况。
实施例5
一种铸造单晶硅的制备方法，采用实施例4中的铸造单晶硅生长设备制备铸造单晶硅，包括以下步骤：
（1）选用G7石英坩埚，该石英坩埚底部中心的导热系数低于坩埚四周的导热系数；对石英坩埚进行常规氮化硅涂层制作。
（2）在石英坩埚底部中心放置一块单晶方棒（长方体），其中单晶方棒为单晶硅籽晶，由单晶硅棒加工制得，单晶方棒的尺寸（长×宽×高）为100mm×1000mm×100mm。
（3）在单晶方棒上表面放置边皮硅料对单晶方棒进行保护，防止对籽晶进行二次损伤，然后往石英坩埚中装填硅原料和硼硅母合金，其中单晶方棒、硅原料和硼硅母合金的总重量为1200kg（单晶方棒23.3kg，多晶硅原生料700kg，多晶铸锭边皮料200kg，头尾料100kg和提纯锭176.7kg）。本实施例中铸造单晶硅的目标电阻率设为1.3Ω·cm。
（4）将步骤（3）中装有单晶硅籽晶、硅原料和硼硅母合金的石英坩埚送入实施例4中的铸造单晶硅生长设备（用于多晶硅锭G7的双电源控制加热器铸锭炉，该铸锭炉有六面加热器、双温控系统和热交换台气冷系统）内，抽真空后进行化料，首先利用顶部加热器和侧部加热器对单晶硅籽晶、硅原料和硼硅母合金进行加热，使硅原料和硼硅母合金熔化，利用石英棒，用于辅助测试单晶硅籽晶的保留情况，在籽晶熔化时调节活动式隔热板，使活动式隔热板上下移动或旋转移动，同时将冷水或冷气通入到热交换台用于调节温度的通道中，由此降低石英坩埚底部中心的温度，使单晶硅籽晶部分熔化。当单晶硅籽晶的剩余高度为10mm时，进入长晶阶段。
（5）进入长晶阶段后，以未熔化的单晶硅籽晶为形核点，在长晶初始阶段，加大侧面加热器的功率，形成较大的横向温度梯度，同时调节活动式隔热板，通过调节活动式隔热板的上下移动或旋转移动稳定横向温度梯度，使晶体向四周定向生长；在长晶后期，加大顶部加热器的功率，形成较大的纵向温度梯度，使晶体向四上定向生长，长晶结束后，得到铸造单晶硅锭。
将实施例5中制得的铸造单晶硅锭经过开方、检验、截断、平磨、倒角、切片等环节得到铸造单晶硅片。其中，全单晶硅片占硅片总数的80%，缺陷密度较低，仅为1×104个/cm2。将这些单晶硅片制作成电池片，测得其平均效率达到21.7%以上，比铸造多晶硅电池效率高2%。另外，本发明铸造单晶硅的制备方法具有工艺简单、易操作、成本低廉、单晶硅籽晶用量小、单晶率高、位错率低等优点，适合于大规模制备，利用工业化生产，有着很好的应用价值和应用前景。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
