定向凝固系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及定向凝固系统和方法。本发明专利技术涉及一种使用快速定向凝固而提纯材料的装置和方法。所示的设备和方法提供了对在定向凝固过程中的温度梯度和冷却速率的控制，这产生更高纯度的材料。本发明专利技术的装置和方法可用于制备用于诸如太阳能电池的太阳能应用的硅材料。模具(801)通过壁结构(802)和基底(804)限定。系统(800)还包括顶部加热器(820)用以控制熔融硅(801)的热梯度和冷却速度。壁结构(801)包括从模具(801)的边缘到与底部(804)面接的界面的厚度渐缩。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请号为201280044634.6，申请日为2012年9月14日，专利技术名称为“定向凝固系统和方法”的中国专利申请的分案申请。优先权要求本申请要求2011年9月16日提交的美国专利申请No.13/234,960的优先权的权益，所述申请以全文引用方式并入本文。
本专利技术涉及一种定向凝固系统和方法，更具体涉及用于硅的定向凝固系统和方法。
技术介绍
太阳能电池可为一种可行的能源，利用它们的能力以将阳光转化为电能。硅为半导体材料和在太阳能电池制造中所用的原料。电池的电性质(即转化效率)关键取决于硅的纯度。已使用数种技术来提纯硅。最公知的技术称为‘西门子法’。该技术允许几乎去除存在于硅内的每一种杂质。然而，该技术需要将硅制备为气相，并再沉积为固相，以去除杂质。在本专利中描述的技术使用称为‘定向凝固’的技术，通过将硅熔融成液相并凝固所述硅，从而允许极有效地去除杂质。尽管该技术极为公知，但本专利集中于一种使用定向凝固的新的方式，其允许显著降低该工序的成本。用于制备用于太阳能电池的经提纯的硅晶体的技术是已知的。这些技术中的大多数基于如下原理操作：当硅晶体从熔融硅溶液中凝固时，不希望的杂质保持在熔融溶液中。第一示例技术(浮区技术)可用于通过如下方式制备单晶硅块：使用移动液体以将杂质向模具边缘驱动而去除。另一示例技术(Czochralski技术)可用于通过如下方式制备单晶硅块：使用从熔融溶液缓慢取出的晶种，从而允许形成硅的单晶柱并同时将杂质留在溶液中。另外的示例技术(如Bridgeman或
换热器技术)可用于通过如下方式制备多晶硅块：使用受控的冷却速率产生温度梯度，从而产生定向凝固。
技术实现思路
用于制备用于太阳能电池的硅晶体的各种技术在熔融制造阶段过程中使用模具来容纳硅。多晶块的定向凝固的一个挑战是，从模具的底部到顶部保持液-固界面的一致的前进，所述液-固界面具有平坦形状或具有小的挠曲的凹面。如果不控制液-固界面的前进，则杂质可能变为被密封于块中，大量的凝固硅可能因此最终具有更低的性能或不可接受的性能。本专利技术的模具、模具系统和相关的方法提供了使用定向凝固提纯硅的方式。所述模具、模具系统和相关的方法允许在定向结晶过程中控制温度梯度，这可产生用于太阳能电池中的更高纯度的硅。模具可包括外夹套、给所述外夹套的底部作内衬的基底，和给所述外夹套的壁作内衬的壁绝缘结构。所述基底可包括导热材料。所述壁绝缘结构的厚度可从具有第一厚度的模具的顶部到具有比所述第一厚度更薄的第二厚度的模具底部渐缩。所述壁绝缘结构可包括暴露层、耐火砖、陶瓷纤维和微孔耐火层中的一种或多种。为了更好地说明本文公开的模具、模具系统和相关的方法，现在提供实施例的非限制性的列举：在实施例1中，一种用于定向凝固的系统包括外夹套、给所述外夹套的底部作内衬的基底，和给所述外夹套的壁作内衬的壁绝缘结构，所述基底包括导热材料；所述壁绝缘结构的厚度从具有第一厚度的模具边缘到具有比所述第一厚度更薄的第二厚度的模具底部渐缩。在实施例2中，实施例2的系统任选地构造为使得所述壁绝缘结构的厚度从模具边缘到与基底面接的底部界面渐缩。在实施例3中，实施例1-2中任一者或实施例1-2的任意组合的系统任选地构造为使得所述第二厚度比所述第一厚度薄大约25％。在实施例4中，实施例1-3中任一者或实施例1-3的任意组合的系统任选地构造为使得所述壁绝缘结构包括耐火砖的层和基本上连续的耐火材料的暴露层。在实施例5中，实施例1-4中任一者或实施例1-4的任意组合的系统任选地构造为使得所述暴露层包括Al2O3的层。在实施例6中，实施例1-5中任一者或实施例1-5的任意组合的系统任选地构造为使得所述暴露层为纯度大于约98％的Al2O3。在实施例7中，实施例1-6中任一者或实施例1-6的任意组合的系统任选地构造为使得所述耐火砖的层评级为大约1540℃至1430℃之间。在实施例8中，实施例1-7中任一者或实施例1-7的任意组合的系统任选地构造为使得所述暴露层的厚度从模具边缘的宽的部分到与所述基底面接的底部界面的较薄部分渐缩，且所述耐火砖的层的厚度从模具边缘的宽的部分到与所述基底面接的底部界面的较薄部分渐缩。在实施例9中，实施例1-8中任一者或实施例1-8的任意组合的系统任选地构造为使得所述壁绝缘结构还包括微孔耐火层。在实施例10中，实施例1-9中任一者或实施例1-9的任意组合的系统任选地构造为使得所述微孔耐火层具有均匀厚度。在实施例11中，实施例1-10中任一者或实施例1-10的任意组合的系统任选地构造为使得所述微孔耐火层沿着所述外夹套的壁和所述外夹套的底部的至少部分提供基本上均匀的厚度。在实施例12中，实施例1-11中任一者或实施例1-11的任意组合的系统任选地构造为使得所述壁绝缘结构还包括在所述微孔耐火层与所述耐火砖的层之间的陶瓷纤维层。在实施例13中，实施例1-12中任一者或实施例1-12的任意组合的系统任选地构造为使得所述壁绝缘结构还包括在所述微孔耐火层与所述外夹套之间的陶瓷纤维层。在实施例14中，实施例1-13中任一者或实施例1-13的任意组合的系统任选地构造为使得所述基底包括碳化硅的层。在实施例15中，实施例1-14中任一者或实施例1-14的任意组合的系统任选地构造为使得所述系统还包括顶部加热器。在实施例16中，实施例1-15中任一者或实施例1-15的任意组合的系统任选地构造为使得所述顶部加热器包括12个加热元件。在实施例17中，实施例1-16中任一者或实施例1-16的任意组合
的系统任选地构造为使得所述加热元件在大约54英寸的距离上等距间隔。在实施例18中，实施例1-17中任一者或实施例1-17的任意组合的系统任选地构造为使得所述加热元件的下边缘被设置为在熔体表面之上间隔大约1.9英寸的距离。在实施例19中，实施例1-18中任一者或实施例1-18的任意组合的系统任选地构造为使得所述加热元件包括碳化硅加热元件。在实施例20中，实施例1-19中任一者或实施例1-19的任意组合的系统任选地构造为使得所述系统还包括在所述顶部加热器中的通气孔。在实施例21中，实施例1-20中任一者或实施例1-20的任意组合的系统任选地构造为使得所述通气孔包括在所述顶部加热器的中心中的大约1英寸直径的孔，且在所述顶部加热器中仅存在单个通气孔。在实施例22中，一种用于定向凝固的模具包括基本上矩形的壁结构、导热基底，所述基本上矩形的壁结构包括长边和短边，所述导热基底联接至所述基本上矩形的壁结构，且其中所述基本上矩形的壁定尺寸为提供用于给定量的熔融硅的壁接触面积，所述用于给定量的熔融硅的壁接触面积小于用于直径基本上等于所述模具的短边的长度的圆柱形模具的壁接触面积。在实施例23中，实施例22的模具任选地构造为使得所述矩形壁结构在壁交叉点处包括圆形轮廓。在实施例24中，实施例22-23中任一者或实施例22-23的任意组合的系统任选地构造为使得所述矩形壁结构和所述底部的交叉点包括圆形轮廓。在实施例25中，一种用于硅的定向凝固的系统，其包括模具、支撑结构、一个或多个流动通路和一个或多个阀门，所述模具用以容纳一定体积的熔融硅，并包括热绝缘壁结构和导热基底；所述支撑结构在地板表面之上隔开所述模具，并限定所述模具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于定向凝固的系统，其包括：模具，所述模具包括：外夹套；基底，所述基底设置为与熔融材料直接接触，所述基底给所述外夹套的底部作内衬；和壁绝缘结构，所述壁绝缘结构设置为与熔融材料直接接触，所述壁绝缘结构给所述外夹套的壁作内衬，所述壁绝缘结构的厚度从具有第一厚度的模具边缘到具有比所述第一厚度更薄的第二厚度的模具底部渐缩；用于模具的顶盖，其包括通风孔；以及真空泵，其联接至所述通气孔以在冷却操作过程中从硅表面去除气体。

【技术特征摘要】
2011.09.16 US 13/234,9601.一种用于定向凝固的系统，其包括：模具，所述模具包括：外夹套；基底，所述基底设置为与熔融材料直接接触，所述基底给所述外夹套的底部作内衬；和壁绝缘结构，所述壁绝缘结构设置为与熔融材料直接接触，所述壁绝缘结构给所述外夹套的壁作内衬，所述壁绝缘结构的厚度从具有第一厚度的模具边缘到具有比所述第一厚度更薄的第二厚度的模具底部渐缩；用于模具的顶盖，其包括通风孔；以及真空泵，其联接至所述通气孔以在冷却操作过程中从硅表面去除气体。2.根据权利要求1所述的用于定向凝固的系统，其中所述顶盖包括一个或多个加热元件。3.根据权利要求1所述的用于定向凝固的系统，其中所述壁绝缘结构的厚度从模具边缘到基底面接的底部界面渐缩。4.根据权利要求3所述的用于定向凝固的系统，其中所述第二厚度比所述第一厚度薄25％。5.根据权利要求1所述的用于定向凝固的系统，其中所述壁绝缘结构包括耐火砖的层和基本上连续的耐火材料的暴露层。6.根据权利要求5所述的用于定向凝固的系统，其中所述暴露层包括Al2O3的层。7.根据权利要求6所述的用于定向凝固的系统，其中所述暴露层
\t为纯度大于约98％的Al2O3。8.一种用于定向凝固的模具，其包括：基本上矩形的壁结构，所述基本上矩形的壁结构包括长边和短边；导热基底，所述导热基底设置为与熔融材料直接接触，基底包括热导率比壁材料高的...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·努里，K·欧纳杰拉，
申请(专利权)人：思利科材料有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US