一种偏心的直拉硅单晶炉及其拉晶工艺的制作方法

1.本发明涉及太阳能电池生产领域，特别涉及直拉硅单晶炉领域。


背景技术：

2.太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。目前，以光伏效应工作的晶硅太阳能电池为主流，晶硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。
3.单晶硅太阳能电池发电效率高于多晶硅太阳能电池，单晶硅太阳能电池得到越来越广泛的应用。单晶硅片的质量决定单晶硅太阳能电池的质量，因此，提高单晶硅片的质量至关重要。单晶硅片由单晶硅棒去皮后切割而成，在拉制单晶硅棒的过程中，主要的原生缺陷，根据不同的检测方法可将其命名为：晶体原生缺陷(crystal originated particle，简称cop)、流动图案缺陷(flowpattern defect，简称fpd)、或者激光散射层析缺陷(laser scattering topography defect，简称lstd)。晶体原生缺陷形成主要是由空位和自间隙硅原子的过饱和度引起的，可以通过减少熔融硅中的杂质以及保持熔融硅内部温度的均匀性来减少晶体原生缺陷。此外空洞型缺陷的形成通常经过两个过程，首先是少量空位的聚集形核，然后形成核心吸收大量的空位从而形成空洞型缺陷。其中空洞型缺陷快速形核的温度区间tn大致为1040℃～1120℃之间，这个过程主要决定缺陷尺寸大小。当单晶硅棒温度小于tn后，空洞型缺陷开始生长，这个过程中温度的降低，主要是增加缺陷的密度，而缺陷的尺寸不会有太大的变化。因此，为了让生产的单晶硅棒中缺陷的尺寸变小，密度变大，需要让单晶硅棒尽可能快速的通过缺陷形核的温度区间，到达缺陷生长的温度区间。
4.熔融硅中的杂质去除上，在当前已经达到了一个极限，进一步消除熔融硅中的杂质往往成本过高。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：如何进一步减少单晶硅电池片中的杂质，同时更进一步消除单晶硅结晶过程的晶体原生缺陷。
6.本发明所采用的技术方案是：一种偏心的直拉硅单晶炉，包括炉体、坩埚、籽晶杆，坩埚安装在炉体内部，坩埚内部装有熔融硅液，坩埚偏离坩埚轴中心线自转转动；籽晶杆安装在炉体内部，籽晶杆沿着自身轴中心线自转转动，籽晶杆沿着自身轴向相对所述坩埚可升降。
7.坩埚转动的中心线与籽晶杆转动的中心线重合。
8.该直拉硅单晶炉还包括进气管和分流挡板，分流挡板为固定在罩体上的栅栏状环形板，进气管处于分流挡板上方。
9.坩埚安装在第一电机的输出轴上，并通过支撑架将坩埚底部稳定固定在第一电机的输出轴上，第一电机的输出轴中心线与坩埚轴中心线不重合。
10.该直拉硅单晶炉还包括罩体、升降装置，籽晶杆位于罩体内，籽晶杆通过连接绳连
接升降装置。
11.升降装置包括螺柱、齿轮、第二电机，螺柱有多根并且都啮合在齿轮的周侧，多根螺柱在同一个水平面的投影处于一个圆上，多根螺柱中一根螺柱的上端安装在第三电机的输出轴上，其它螺柱的上端都直接固定在炉体内侧顶部，第三电机的底座固定在炉体内侧顶部，第三电机转动时，带动齿轮转动，齿轮在转动过程中上升或者下降，齿轮在上升或者下降过程中带动第三电机上升或者下降，第三电机的输出轴连接籽晶杆，从而实现籽晶杆沿着自身轴中心线自转转动，且可以实现沿着自身轴向相对所述坩埚上升或者下降。
12.一种偏心的直拉硅单晶炉进行拉晶的工艺，籽晶杆带着硅棒缓慢上升的同时，熔融硅液中的籽晶或硅片下部在结晶，籽晶杆每缓慢上升1-2厘米后，籽晶杆在1-2秒钟时间内下降2-3厘米，然后再在1-2秒钟时间内上升2-3厘米，然后再在1-2秒钟时间内缓慢上升1-2厘米进而使刚刚完成结晶的硅棒底部重结晶，减少原生缺陷。
13.坩埚偏离坩埚轴中心线自转转动同时，熔融硅液中的籽晶或硅片下部在结晶，由于坩埚转动的中心线偏离坩埚轴中心线，进而使杂质处于距离坩埚转动的中心线最远的坩埚壁处，减少了熔融硅液中的籽晶或硅片下部对应位置的杂质。
14.本发明的有益效果是：本发明的偏心的直拉硅单晶炉坩埚偏离坩埚轴中心线自转转动，坩埚内部的熔融硅液随着坩埚转动；本领域技术人员知晓，坩埚口径越大，杂质分离效果越好，但是成本越高，包括加热投入和散热损失等等；在坩埚偏离坩埚轴中心线自转相当于增大了坩埚口径，因此对杂质的分离效果大于不偏心的坩埚。另外由于坩埚壁表面张力作用，表面张力会牵引杂质向偏移旋转中心的坩埚壁转移，因此通过坩埚偏离坩埚轴中心线自转，能够有效减少结晶硅棒上的杂质。
15.另外，籽晶杆底部在结晶时，现有技术往往是一层接一层的直接结晶，单晶硅中会存在较多的空位，在冷却后，构成较为严重的空洞型缺陷。本专利中，在籽晶杆下部完成初次结晶后，会缓慢下降浸入熔融硅液中，刚刚结晶的单晶硅会处于半结晶和半溶解状态，在再次提升离开熔融硅液时，会进行二次结晶，二次结晶在外层一次结晶的包层中进行结晶，部分空位会消除，进而减少了空洞型缺陷。
附图说明
16.图1是本发明偏心的直拉硅单晶炉结构示意图；图2是本发明升降装置结构示意图；其中，1、升降装置，2、分流挡板，3、进气管，4、罩体，5、坩埚，6、熔融硅液，7、支撑架，8、坩埚轴中心线，9、坩埚转动的中心线与籽晶杆转动的中心线，10、籽晶杆和结晶中的硅棒，11、螺柱，12、齿轮，13、第二电机，14、连接绳。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
18.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明中，对上述术语的示意性表述不必须
针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任意一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。并且，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
20.如图1所示，一种偏心的直拉硅单晶炉，包括炉体、坩埚5、籽晶杆10，坩埚5安装在炉体内部，坩埚5内部装有熔融硅液，坩埚5偏离坩埚轴中心线8自转转动；籽晶杆10安装在炉体内部，籽晶杆10沿着自身轴中心线自转转动，籽晶杆10沿着自身轴向相对所述坩埚5可升降。坩埚转动的中心线与籽晶杆转动的中心线重合。
21.一个实施例中，该直拉硅单晶炉还包括进气管和分流挡板，分流挡板为固定在罩体上的栅栏状环形板，进气管处于分流挡板上方。
22.一个实施例中，进气管3有多根，如3、4、5、6根，进气管3在炉体中成直角弯曲，进气管3出口对着分流挡板2，分流挡板2为环状，分流挡板2的外沿固定在罩体4上。分流挡板2可以使进气管3进入的冷却气体集中在籽晶杆和晶体的外周，并且从上到下冷却，上层的晶体已经初步冷却，冷却气体对齐影响不大，下层时，冷却气体已经被上层硅棒加热，有效的避免单晶硅产生较大尺寸的空洞型缺陷，影响单晶硅的质量。
23.一个实施例中，坩埚安装在第一电机的输出轴上，并通过支撑架将坩埚底部稳定固定在第一电机的输出轴上，第一电机的输出轴中心线与坩埚轴中心线不重合。第一电机的输出轴转动带动埚底5做偏心转动。这里的偏心转动是指坩埚偏离坩埚轴中心线自转转动。
24.一个实施例中，该直拉硅单晶炉还包括罩体、升降装置，籽晶杆位于罩体内，籽晶杆通过连接绳连接升降装置。
25.一个实施例中，升降装置包括螺柱、齿轮、第二电机，螺柱有多根并且都啮合在齿轮的周侧，本实施例中螺柱有四根，四根螺柱在同一个水平面的投影处于一个圆上，四根螺柱中一根螺柱的上端安装在第三电机的输出轴上，其它螺柱的上端都直接固定在炉体内侧顶部，第三电机的底座固定在炉体内侧顶部，第三电机转动时，带动齿轮转动，齿轮在转动过程中上升或者下降，齿轮在上升或者下降过程中带动第三电机上升或者下降，第三电机的输出轴连接籽晶杆，从而实现籽晶杆沿着自身轴中心线自转转动，且可以实现沿着自身轴向相对所述坩埚上升或者下降。第三电机为步进转动电机。
26.本实施例中的升降装置在第三电机作用下，实现上下步进升降。同时带动第二电机进行步进升降。
27.一个实施例中，籽晶杆带着硅棒缓慢上升的同时，熔融硅液中的籽晶或硅片下部在结晶，籽晶杆每缓慢上升1-2厘米后，籽晶杆在1-2秒钟时间内下降2-3厘米，然后再在1-2
秒钟时间内上升2-3厘米，然后再在1-2秒钟时间内缓慢上升1-2厘米进而使刚刚完成结晶的硅棒底部重结晶，减少原生缺陷。所述缓慢上升是指在1-2秒钟时间内上升1-2厘米。
28.籽晶杆底部（硅棒底部）在结晶时，现有技术往往是一层接一层的直接结晶，单晶硅中会存在较多的空位，在冷却后，构成较为严重的空洞型缺陷。本实施例中，在籽晶杆下部完成初次结晶后，会缓慢下降浸入熔融硅液中，刚刚结晶的单晶硅会处于半结晶和半溶解状态，在再次提升离开熔融硅液时，会进行二次结晶，二次结晶在外层一次结晶的包层中进行结晶，部分空位会消除，进而减少了空洞型缺陷。
29.一个实施例中，坩埚偏离坩埚轴中心线自转转动同时，熔融硅液中的籽晶或硅片下部在结晶，由于坩埚转动的中心线偏离坩埚轴中心线，进而使杂质处于距离坩埚转动的中心线最远的坩埚壁处，减少了熔融硅液中的籽晶或硅片下部对应位置的杂质。偏心的直拉硅单晶炉坩埚偏离坩埚轴中心线自转转动，坩埚内部的熔融硅液随着坩埚转动；本领域技术人员知晓，坩埚口径越大，杂质分离效果越好，但是成本越高，包括加热投入和散热损失等等；在坩埚偏离坩埚轴中心线自转相当于增大了坩埚口径，因此对杂质的分离效果大于不偏心的坩埚。另外由于坩埚壁表面张力作用，表面张力会牵引杂质向偏移旋转中心的坩埚壁转移，因此通过坩埚偏离坩埚轴中心线自转，能够有效减少结晶硅棒上的杂质。
30.以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。