Apparat for fremstilling av multikrystallinske støpeblokker av silisium ved induksjonsmetoden

Transkript

1 1 Apparat for fremstilling av multikrystallinske støpeblokker av silisium ved induksjonsmetoden Teknisk område [0001] Denne oppfinnelse vedrører et apparat for fremstilling av multikrystallinske silisium støpeblokker ved induksjonsmetoden og kan anvendes ved fremstilling av solceller fra multikrystallinsk silisium. Teknikkens stand [0002] Solceller som produserer elektrisitet fra solstråler er bygget av krystallinsk silisium, både monokrystallinske og multikrystallinske, idet polykrystallinsk silisium består av store krystaller [0003] Interessen for multikrystallinske silisium har blitt stadig voksende fordi effektiviteten til multikrystallinske silisium solceller er nær effektiviteten til monokrystallinske silisium solceller, mens produktiviteten til utstyr for dyrking av multikrystallinsk silisium er flere ganger så høy som produktiviteten til utstyr for dyrking av monokrystallinsk silisium. Dessuten er dyrking av multikrystallinsk silisium enklere enn dyrking av monokrystallinske silisium. [0004] Et apparat for fremstilling av multikrystallinske silisium støpeblokker ved induksjonsmetoden er kjent innen faget, idet apparatet omfatter et kammer hvori er montert en avkjølt digel omsluttet av en induktor idet kammeret har en bevegelig bunn og fire vegger som består av seksjoner som er innbyrdes adskilt av vertikalt forløpende slisser. Det er også kjent et sett av oppvarmingsinnretninger for kontrollert kjøling av støpeblokken (EP nr , publisert , klasse SB 11/00 [1]. Videre er anordningen utstyrt med en separat inndelingsinnretning i stand til å bli installert på den krystalliserte støpeblokken i smelteflate av den avkjølte digelen og videre oppvarming av den klumpformede silisiumtilførsel, som smelter og støper over toppnivået av inndelingsinnretningen. [000] En ulempe ved den kjente anordning ligger i lav produktivitet av det multikrystallinske silisium og at den oppnådde multikrystallinske silisium ikke har tilstrekkelig kvalitet. Multikrystallinsk silisium har et stort antall defekter i krystallstrukturen. [0006] Et apparat for fremstilling av multikrystallinske silisium støpeblokker ved induksjonsmetoden som har mye felles med foreliggende oppfinnelse, omfatter en kapsling, som omfatter midler for initiell oppvarming av silisium, en avkjølt digel omsluttet av en induktor og som har en bevegelig bunn og fire vegger som består av seksjoner adskilte fra hverandre med vertikalt forløpende slisser, midler for å bevege den bevegelige bunn, og et regulert kjølerom anordnet under den avkjølte digelen, idet den indre flate av denne avgrenser et smeltekammer med et rektangulært eller kvadratisk tverrsnitt, samt at veggene av den kjølte digelen strekker seg utover i det minste fra induktoren mot den laveste del av den avkjølte digelen for derved å utvide smeltekammeret, (EP publisert , klasse B22D 11/ [2]. Vinkelen for å utvide smeltekammeret er 0,4 til 2. [0007] En ulempe ved den kjente anordning består i en redusert kvalitet av multikrystallinske silisium støpeblokk, og en reduksjon i produktivitet av fremstilling av multikrystallinske silisium støpeblokker som følge av hyppig spill av silisiumsmelte. Foreliggende oppfinnelse [0008]Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å tilveiebringe en forbedret anordning for fremstilling av multikrystallinske silisium støpeblokker ved induksjonsmetoden, hvor søl av silisiumsmelten søl

2 2 etter foreslåtte strukturendringer blir redusert, for derved å oppnå multikrystallinsk silisium av bedre kvalitet og for å forbedre produktiviteten multikrystallinsk silisium [0009] Dette formål er oppnådd ved å tilveiebringe en anordning for å produsere multikrystallinske silisium støpeblokker ved induksjonsmetoden, omfattende en kapsling, som omfatter midler for oppstart oppvarming av silisium, en avkjølt digel omsluttet av en induktor og som har en bevegelig bunn og fire vegger som består av seksjoner er innbyrdes adskilt ved vertikalt forløpende slisser, midler for å bevege den bevegelige bunn, og et regulerbart kjølerom anordnet under det avkjølte digelen, idet den innvendige overflaten av denne avgrenser et smeltekammer i et rektangulært eller kvadratisk tverrsnitt, mens veggene i den kjølte digelen strekker seg utover i det minste fra induktoren mot den laveste del av den avkjølte digelen for derved å utvide smeltekammeret. I henhold til oppfinnelsen har hver vegg av den avkjølte digelen et midtparti som ikke omfatter en vertikalt forløpende slisse på midten av en side av smeltekammeret, og vinkelen β for utvidelse smeltekammeret er definert ved likningen: β = arctg [2 (k 1,3-3 b) / d] hvor: d er dimensjonen av den mindre side av rektangelet eller en side av kvadratet av tverrsnittet av smeltekammeret på induktorens nivå, b er dimensjonen av den tilstøtende side av tverrsnittet av smeltekammeret induktorens nivå, b er dimensjonen av den tilstøtende side av tverrsnittet av smeltekammeret ved induktornivået. k er en empirisk koeffisient, som er 1, til 2. [00] Koeffisienten k har de største verdier hvor omkretsen av støpeblokken som blir dyrket er lang. [0011] Bredden på den sentrale del av hver vegg av kjøledigelen er fra 1/6 til 1 av dimensjonen av smeltekammerets side. [0012] I prosessen av silisiumsmelting og støping ved induksjons smelting i den avkjølte digelbunnen med bevegelige vegger utformet som vannkjølte vertikale seksjoner av elektrisk ledende og varmeledende materiale, blir menisken dannet av en del av smelten presset ut av elektromagnetiske krefter fra digelens indre overflate og blir balansert av det hydrostatiske trykk. Med en kontinuerlig tilførsel av råmaterialet blir balansen ødelagt og det nedre nivået av menisken blir periodisk tømt mot den indre overflaten av den avkjølte digelen, hvor smelten krystalliserer og veggavsetninger dannes på omkretsen av den avkjølte digelen for å holde silisiumsmelte og hindre dens kontakt med digelen. [0013] Etter hvert som smelteprosessen forløper og støpeblokken beveger seg nedover, blir veggavsetningen tykkere. Temperaturen av den ytre overflate av veggavsetningen som bæres av digelen, er lavere enn silisiumsmeltepunktet og er avhengig av dens varmeledningsevne og varmeoverføring til veggene av digelen, samtidig som den indre overflaten av veggavsetningen har en temperatur som tilsvarer smeltepunktet for silisium. Veggavsetningen som dannes på denne måten har en temperaturgradient både i tverrsnitt og i høyden av smeltebadet. [0014] Ved fremstilling av multikrystallinske silisium støpeblokker ved induksjonssmelting, spilles smelten ned i mellomrommet mellom veggavsetningen og den avkjølte digelen på grunn av flere faktorer. [00] En av faktorene er forbundet med den tverrgående temperaturgradient gjennom veggavsetningen.

3 3 2 3 [0016] På grunn av temperaturgradienten oppstår en termisk krymping av veggavsetningen. Også, ved temperaturer fra 900 C til 0 C, som er høyere enn silisiumets strømningstemperatur, undergår veggavsetningen plastisk deformasjon. Omfanget av termisk krymping av veggavsetningen er avhengig av temperaturgradienten og størrelse og form av smeltekammeret dannet av den avkjølte digelen. Eventuelle overskytende varmekrymping over den akseptable verdi fører til utilstrekkelig kjøling av veggavsetningen, dens overoppheting, smelting og spill i mellomrommet mellom veggavsetningen og den indre vegg av den avkjølte digelen. [0017] En annen faktor som fører til silisiumspill inn i mellomrommet mellom veggavsetningen og den indre vegg av den avkjølte digelen skyldes brekkasje av veggavsetningen når den klebes på de indre vegger av den avkjølte digelen. Flytende silisium fukter ikke de indre vegger av den avkjølte digelen og klebes ikke til veggene når det ikke er noen defekter på overflaten. De alvorligeste defekter på overflaten av de indre vegger av den avkjølte digelen er vertikale slisser mellom veggseksjonene, hvilke slisser er nødvendige for at induktorens elektromagnetisk felt skal trenge inn i silisiumsmelten og å varme den. [0018] Det er eksperimentelt fastslått at veggseksjonene som er innbyrdes adskilt av vertikale slisser og anordnet på omkretsen av en rektangulær eller kvadratisk form for å danne fire vegger, som hver har et midtparti, som ikke har noen vertikal slisse i midten av den tilsvarende avkjølt digelveggen, samt at størrelsen av smeltekammeret dannet av veggene i den kjølte digelen blir tatt i betraktning mens smeltekammeret utvides, stabiliserer dannelsen av mellomrommet som et resultat av den termiske krymping av veggavsetningen ved induksjonssmelting av silisium, noe som fører til en reduksjon i spill av silisiumsmelte. [0019] Videre sørger anordningen beskrevet for eliminering av klebing av veggavsetningen på den avkjølte digelens veggoverflater, inkludert områder med minst avstand mellom veggavsetning og den avkjølte digelens veggflater, og gir mulighet for å ta hensyn til den termiske krymping og tverrdimensjoner av de oppnådde støpeblokker av multikrystallinsk silisium. Som et resultat blir spill av silisiumsmelte betydelig redusert og silisium krystalliseres under stabile betingelser med konstant hastighet. [00] Forbedringen av stabiliteten av smeltings- og krystalliseringsprosessen resulterer i dannelsen av store krystallitter som gir multikrystallinsk silisium. Videre eliminerer stabiliteten av krystalliseringsprosessen defekter i krystallstrukturene som fører til at kvalitetsprodukter kan oppnås derav, nemlig solceller. [0021] Således sørger den foreslåtte utforming av apparatet for fremstilling av multikrystallinske silisium støpeblokker for høyere utbytte av multikrystallinsk silisium egnet for solcelleproduksjon. Kort beskrivelse av tegningene [0022] Oppfinnelsen er i det følgende beskrevet med henvisning til, men ikke begrenset av, de følgende tegninger, hvor: 4 Fig. 1 er et lengdesnitt av et apparat for fremstilling av multikrystallinske silisium støpeblokker ved induksjonssmelting; Fig. 2 viser et lengdesnitt av en avkjølt digel som inneholder en smelte; 0 Fig. 3 er et tverrsnittsriss av den avkjølte digelen som illustrerer smeltekammeret.

4 4 Best Måte for utførelse av oppfinnelsen 2 3 [0023] Et apparat for fremstilling av multikrystallinske silisium støpeblokker ved induksjonssmelte (fig. 1) omfatter en kapsling 1 som kommuniserer med en matetrakt 2. I kapslingen 1 er det midler 3 for oppstarts-oppvarming av silisium, en avkjølt digel 4 som er omsluttet av en induktor og et regulert kjølerom 6 anordnet under den avkjølte digelen 4. Den avkjølte digelen 4 er avgrenset av en bevegelig bunn 7 og seksjonene 8 og midtseksjoner 9 (fig. 3) er adskilt av vertikale slisser. Den bevegelige bunn 7 er forbundet med midler 11 for å bevege den samme vertikalt inne i det regulerte kjølerommet 6. Seksjonene 8 og midtre seksjoner 9 som er adskilt av vertikale slisser danner fire innbyrdes vertikale vegger 12, 13, 14, og. Den indre overflaten av den avkjølte digelen 4 avgrenser et smeltekammer 16 med kvadratisk eller rektangulært tverrsnitt, til hvilket klumpformet silisiummateriale 17 blir matet. Den sentrale seksjon 9 av hver vegg 12, 13, 14, og i den avkjølte digelen 4 har ikke noen vertikal slisse i midten av siden av smeltekammeret 16. Seksjonene 8 og midtseksjonene 9 av veggene 12, 13, 14, og i den avkjølte digelen 4 (fig.2), heller utover og utvider smeltekammeret 16 i det minste fra induktoren mot det laveste parti, eller bunnen, av den avkjølte digelen 4, og vinkelen [beta] for utvidelse av smeltekammeret er definert ved ligningen: β = arctg [2 (k 1,3-3 b) / d] hvor: d er dimensjonen av den mindre side av det rektangulære eller av en side av det kvadratiske tverrsnittet av smeltekammeret 16 ved nivået av induktoren, b er dimensjonen av den tilstøtende side av tverrsnittet av smeltekammeret 16 ved nivået av induktornivået, k er en empirisk koeffisient, som er 1, til 2. [0024] Den sentrale seksjonen 9 av hver vegg 12, 13, 14 og av den avkjølte digelen 4 (fig. 3) har en bredde på fra 1/6 til 1 av dimensjonen av siden av smeltekammeret 16. [002] Veggene 12, 13, 14, og i den avkjølte digelen 4 er løsbart forbundet med en manifold 18. Manifolden 18 gir tilførsel, fordeling og utleveringen av en avkjølt væske (vann). [0026] Veggene 12, 13, 14, og i den avkjølte digelen 4 er laget av kobber eller en legering basert på kobber, midlene 3 for oppstarts-oppvarming av silisium og den bevegelige bunn 7 er laget av et elektrisk ledende materiale, så som grafitt. [0027] Apparatet ifølge oppfinnelsen virker som følger. 4 0 [0028] I kapslingen 1 opprettes en regulert atmosfære. Den bevegelige bunn 7 er flyttet til toppen av den avkjølte digelen 4 for å begrense smelterommet 16 fra undersiden. Til smeltekammeret 16, tilsettes en klump silisiummateriale 17 legges fra matetrakten 2 og midlene 3 for oppstartsoppvarming av silisium blir satt inn. Det høyfrekvente elektromagnetiske felt blir opprettet av induktoren. Den bevegelige bunn 7 og midlene 3 for oppstarts-oppvarming av silisium blir varmet opp i det elektromagnetiske felt av induktoren og det klumpformede silisiummaterialet 17 blir varmet opp på grunn av varmeoverføring i smeltekammeret 16. Når temperaturen når C, gjennomgår tilførselen induksjonsoppvarming og smelting. [0029] Midlene 3 for oppstarts-oppvarming av silisium flyttes fra det elektromagnetiske felt av induktoren, og et silisium smeltebad blir dannet i smeltekammeret 16 i samsvar med formen av kammerets tverrsnitt (fig. 2, fig.3). Som et resultat av varmeoverføring, krystalliseres silisiumsmelten og en veggavsetning 19 blir dannet på omkretsen av smeltebadet nær veggene av den avkjølte digelen 4. Den holder smelten fra å spilles fra smeltekammeret 16 og forhindrer

5 2 interaksjon av smeltet silisium med veggene 12, 13, 14 og av den avkjølte digelen 4. På grunn av det elektromagnetiske felt av induktoren blir det øvre smeltebad presset fra veggene 12, 13, 14, og i den avkjølte digelen 4 og en menisk dannes, idet ormet silisium materialet 17 blir kontinuerlig matet fra matetrakten 2 på meniskoverflaten. Det klumpformede silisiummaterialet 17 smeltes for å øke det hydrostatiske trykk av menisken. Med jevne mellomrom, når trykklikevekten blir forstyrret, spilles smelten over den øvre ende av veggavsetningen mot veggene 12, 13, 14 og av den avkjølte digelen 4 slik at det ytre laget av smelten krystalliserer, og veggavsetningen 19 kontinuerlig vokser. Den bevegelige bunn 7 beveges nedover fra induktorens sone, og silisiumsmelte krystalliserer kontinuerlig ved den nedre del av denne for å danne en multikrystallinsk støpeblokk idet smelteprosessen og støpeblokkens nedadgående bevegelse fortsetter. Den multikrystallinske støpeblokk beveger seg kontinuerlig nedover til det regulerte kjølerommet 6. Den multikrystallinske støpeblokk trekkes tilbake i en slik hastighet at smelten badet holder seg relativt konstant på nivået av induktoren, og den avkjølte digelen 4 og smelten krystalliserer kontinuerlig i den nedre del av badet for å danne støpeblokken. I det regulerte kjølerommet 6, blir støpeblokken avkjølt under kontrollerte forhold, og termiske spenninger blir fjernet. [00] Multikrystallinske blokker som ble oppnådd i apparatet ifølge oppfinnelsen hadde tverrsnittsstørrelser på 3 x 3 mm 2 og 3 x mm 2. [0031] Støpeblokker med tverrsnittsstørrelse på 3 x 3 mm 2 ble oppnådd i smeltekammeret med et kvadratisk tverrsnitt med sidedimensjon av 342 mm ved nivå til induktoren. Bredden av midtpartiet av den avkjølte digelen var 60 mm, slik at det var en vertikal slisse fraværende i midten av smeltekammeret side. Vinkelen β for utvidelse av smeltekammer var: β = arctg [2 (1, - 1, ) / 342] = 0,3. [0032] Ved produksjon av de multikrystallinske støpeblokker av silisium, er spillet av smelte langt mindre enn tallene fra de tidligere kjente metoder. Det spill som fant sted, stoppet ved korte avstander. Som et resultat fikk de multikrystallinske støpeblokker av silisium således produsert store områder av feilfri monokrystallinsk silisium. Produksjonskapasiteten for det multikrystallinske silisium økte med 12%.

6 6 Patentkrav Apparat for fremstilling av multikrystallinske støpeblokker av silisium ved induksjonsmetoden, omfattende en kapsling (1), som omfatter midler (3) for oppstarts-oppvarming av silisium, en avkjølt digel (4) omsluttet av en induktor () og som har en bevegelig bunn (7) og fire vegger (12, 13, 14, ) bestående av seksjoner (8,9) adskilt fra hverandre ved vertikalt forløpende slisser (), midler (11) for bevegelse av den bevegelige bunn, og et regulert kjølerom (6) anordnet under den kjølte digelen, idet den innvendige overflaten derav avgrenser et smeltekammer med et rektangulært eller kvadratisk tverrsnitt, samt at veggene i den kjølte digelen strekker seg utover i det minste fra induktoren mot det laveste parti av den avkjølte digelen slik at smeltekammeret derved utvides, karakterisert ved at hver vegg av den kjølte digelen har en sentral seksjon som oppviser fravær av en vertikalt forløpende slisse ved den midtre side av smeltekammeret og vinkelen betaβ for utvidelse av smeltekammeret er definert ved ligningen: β = arctg [2 (k - 1,3-3 b) / d ] hvor d er dimensjonen av den mindre side av det rektangulære eller av en side av det kvadratiske tverrsnittet av smeltekammeret ved nivået av induktoren, b er dimensjonen av den tilstøtende side av tverrsnittet av smeltekammeret ved nivået av induktoren, k er en empirisk koeffisient, som er 1, til Apparat i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at den sentrale seksjon av hver vegg av den kjølte digelen har en bredde fra 1/6 til 1 av dimensjonen av siden av smeltekammeret.

7 Sammendrag Et apparat for fremstilling av multikrystallinske silisium støpeblokker ved induksjonsmetoden, omfattende en kapsling som omfatter midler for oppstarts-oppvarming av silisium og en avkjølt digel omsluttet av en induktor. Digelen har en bevegelig bunn og fire vegger som består av seksjoner skilt fra hverandre med vertikalt forløpende slisser, midler for å bevege den bevegelige bunn, og et regulert kjølerom anordnet under den kjølte digelen. Den innvendige overflaten av digelen danner et smeltekammer med et rektangulært eller kvadratisk tverrsnitt. Veggene i den avkjølte digelen strekker seg utover i det minste fra induktoren mot det laveste parti av den avkjølte digelen for derved å utvide smeltekammeret, og vinkelen β for utvidelse av smeltekammeret er definert ved ligningen β= arctg [2 (k - 1,3 3-b) / d], hvor: d er dimensjonen av den mindre side av det rektangulære eller av en side av det kvadratiske tverrsnittet av smeltekammeret ved nivået av induktoren, b er dimensjonen av den tilstøtende side av tverrsnittet av smeltekammeret ved nivået av induktoren, k er en empirisk koeffisient, som er 1, til 2. Apparatet gjære det mulig å redusere spill av silisiumsmelte samt å øke kvaliteten av den fremstilte silisium.