Dispositivo de realización de un bloque de material cristalino (20) a partir de un baño de material fundido (19),

que comprende un crisol (2) que tiene un fondo (3), medios de extracción del calor (9) dispuestos bajo el crisol (2) y medios de modulación de la conductividad térmica (7) interpuestos entre el fondo (3) del crisol y los medios de extracción del calor (9), dispositivo caracterizado porque los medios de modulación de la conductividad térmica (7) comprenden una pluralidad de placas (10), de material térmicamente conductor y de baja emisividad, paralelas al fondo (3) del crisol y medios de acercamiento y de alejamiento de dichas placas (10) unas con respecto a otras y con respecto al fondo del crisol (2), presentando las placas una emisividad inferior a 0,5.

Dispositivo de fabricación de un bloque de material cristalino con modulación de la conductividad térmica

Campo técnico de la invención

La invención se refiere a un dispositivo de realización de un bloque de material cristalino a partir de un baño de material fundido, que comprende un crisol que tiene un fondo, medios de extracción del calor dispuestos bajo el crisol y medios de modulación de la conductividad térmica interpuestos entre el fondo del crisol y los medios de extracción del calor

Estado de la técnica

Hoy en día, la producción de células fotovoltaicas se realiza mayoritariamente a partir de silicio, siendo el propio silicio cristalizado mayoritariamente en hornos de tipo Czochralski o Bridgman.

En una configuración de tipo Bridgman, el calor es aportado al crisol por la parte superior o por los lados y su extracción se realiza por la parte inferior. El calentamiento del horno puede realizarse según varios enfoques y particularmente ajustando la potencia de calentamiento a medida que avanza el procedimiento de cristalización para hacer avanzar el frente de cristalización del silicio en la fase líquida.

Un horno de tipo Bridgman está particularmente adaptado a la realización de silicio para la industria solar, ya que permite particularmente la realización de lingotes multicristalinos con granos columnares perpendiculares al frente de cristalización.

Un horno de tipo Bridgman también permite controlar el flujo de calor extraído del crisol durante tres fases del procedimiento de elaboración:

- fusión del silicio en el crisol

- inicio del crecimiento

- cristalización del lingote

Un horno de tipo Bridgman permite también purificar el material utilizado mediante segregación de las impurezas, que son rechazadas a continuación en la fase líquida. Sin embargo, para purificar el material a solidificar, es necesario controlar el flujo de calor a extraer para permanecer en condiciones de estabilidad morfológica del frente de solidificación, lo que puede limitar la velocidad de solidificación.

Por otro lado, durante el inicio del crecimiento del silicio cristalino, también es necesario aumentar de forma progresiva el flujo de calor extraído. En caso contrario, tiene lugar una desestabilización del frente de crecimiento e impide la correcta segregación de las impurezas en el silicio. Además, el inicio del crecimiento, o bien la recogida del germen, también requiere el control de la velocidad de solidificación y, por lo tanto, del flujo de calor, para asegurar una buena estructura de granos.

Aunque los dispositivos de tipo Bridgman tienen numerosos aspectos positivos, estos presentan sin embargo cierto número de inconvenientes particularmente en lo que concierne al control preciso de la temperatura y de los intercambios caloríficos durante todo un ciclo de cristalización del silicio fundido.

La patente europea n° 141999 propone retirar una parte aislante situada bajo el crisol, presente durante la fusión del silicio, para disminuir el aislamiento térmico en el crisol. De este modo, mientras se conserva una potencia de calentamiento constante, tiene lugar una disminución de la temperatura por medio de una mayor liberación de calor por radiación y se realiza entonces la solidificación. En esta realización, la extracción de calor, por radiación, no está realmente controlada, ya que la parte aislante bajo el crisol está presente o se ha retirado.

El documento JP-A-2001048696 también describe un enfriamiento del silicio fundido retirando de forma progresiva el aislamiento situado bajo el crisol. En este documento, la modulación de la temperatura tiene lugar mediante el control de la radiación. Sin embargo, esta realización no permite controlar finamente la variación del flujo de calor.

De este modo, dado que la extracción del flujo térmico del material fundido en el crisol por radiación presenta numerosos inconvenientes, generalmente se prefiere la extracción del flujo térmico por conducción.

El documento GB-A-2041236 describe la utilización de un tapón de grafito, colocado bajo el fondo del crisol, que permite aumentar la conductividad térmica del conjunto y, por lo tanto, incrementar la extracción de calor por conducción. Sin embargo, dado que este tapón de grafito está situado en el centro del fondo del crisol, enfría de manera importante la parte central del cristal. Por lo tanto, esta realización no se aplica a la fabricación de lingotes de silicio de tamaño consecuente, ya que la cantidad de calor que es preciso extraer varía según la resistencia térmica del silicio sólido, es decir el grosor de silicio, a atravesar.

El documento EP-A-0889148 describe un dispositivo con una placa aislante que puede estar en forma de varias placas deslizantes.

El documento WO-A-2004094704 describe la utilización de un crisol que tiene principalmente una extracción de calor por radiación pero cuyo dispositivo utiliza también una modulación de la extracción de calor por conducción, por medio de la compresión de un fieltro de grafito situado bajo el crisol.

El documento DE-A-3323896 describe un dispositivo con un intercambiador de calor en forma de apilamiento vertical de las placas de grafito.

Objeto de la invención

El objeto de la invención consiste en realizar un dispositivo de fabricación de bloque de material cristalino según la reivindicación 1 que module finamente la extracción de calor por conducción y que sea fácil de implementar.

Según la invención, este objetivo se alcanza con un dispositivo de fabricación según las reivindicaciones adjuntas y, más particularmente, debido a que los medios de modulación de la conductividad térmica comprenden una pluralidad de placas, de material térmicamente conductor y de baja emisividad, paralelas al fondo del crisol y medios de acercamiento y de alejamiento de dichas placas unas con respecto a las otras y con respecto al fondo del crisol.

Breve descripción de los dibujos

Otras ventajas y características serán más claramente evidentes a partir de la siguiente descripción de una realización particular de la invención que se da como ejemplo no limitante y representada en los dibujos adjuntos, en los que:

- las figuras 1 y 2 representan una vista esquemática, en corte, de una realización del dispositivo según la invención respectivamente durante la fase de fusión y durante la fase de cristalización,

- la figura 3 representa una vista esquemática, en corte, de una placa (10) con un sobreespesor en el centro,

- la figura 4 representa una vista esquemática, en corte, de una variante de realización del dispositivo.

Descripción de una realización preferente de la invención

Como se ilustra en la figura 1, el dispositivo 1 de fabricación de bloques de material cristalino de tipo Bridgman comprende un crisol 2, que comprende, a su vez, un fondo 3 y paredes laterales 4. Los materiales que constituyen el crisol 2 se seleccionan de forma que la parte esencial del flujo de calor que sale del crisol 2 lo haga por el fondo 3. De este modo, el material del fondo 3 es, preferentemente, un buen conductor térmico en comparación con los otros materiales que constituyen el crisol 2 para poder extraer por él la parte esencial del flujo de calor. Las paredes laterales 4 del crisol 2 son, por ejemplo, de sílice, mientras que el fondo 3 del crisol 2 es de grafito. El grosor del fondo del crisol es, típicamente, de varios centímetros, por ejemplo 5 cm. El fondo 3 del crisol está, al menos parcialmente, ligeramente hendido en su cara externa (en una parte de su grosor) . La hendidura, aunque conserva la estanqueidad del fondo del crisol, permite evitar el acoplamiento inductivo en esta parte del crisol, evitando un sobrecalentamiento del fondo del crisol que podría ser perjudicial para el germen.

Para favorecer una evacuación del calor por conducción, la cara externa del fondo 3 del crisol 2 está ventajosamente recubierta con o unida a una capa de material de conducción 5. Este material de conducción 5 presenta una baja emisividad, preferentemente inferior o igual a 0, 5, una conductividad térmica importante, preferentemente superior a 10 W.m-1.K-1, y es resistente a altas temperaturas, típicamente una temperatura superior a la temperatura de fusión del material a solidificar y aún más típicamente superior a 1400 ºC. La capa de material de conducción 5 está, porejemplo, constituida por una película de molibdeno, por... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de realización de un bloque de material cristalino (20) a partir de un baño de material fundido (19) , que comprende un crisol (2) que tiene un fondo (3) , medios de extracción del calor (9) dispuestos bajo el crisol (2) y medios de modulación de la conductividad térmica (7) interpuestos entre el fondo (3) del crisol y los medios de extracción del calor (9) , dispositivo caracterizado porque los medios de modulación de la conductividad térmica (7) comprenden una pluralidad de placas (10) , de material térmicamente conductor y de baja emisividad, paralelas al fondo (3) del crisol y medios de acercamiento y de alejamiento de dichas placas (10) unas con respecto a otras y con respecto al fondo del crisol (2) , presentando las placas una emisividad inferior a 0, 5.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque las placas (10) presentan una conductividad térmica superior o igual a 10 W/m.K.

3. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque las placas (10) son de un material a base de molibdeno.

4. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque las placas (10) presentan un sobreespesor.

5. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los medios de modulación de la conductividad térmica (7) comprenden una atmósfera controlada que comprende al menos un gas que tiene una conductividad térmica superior o igual a 0, 01 W/m.K.

6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado porque la atmósfera controlada comprende helio

o argón.

7. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los medios de modulación de la conductividad térmica comprenden una capa de conducción (5) unida al fondo del crisol y que presenta una emisividad inferior a 0, 5.

8. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la capa de conducción (5) presenta una conductividad térmica superior o igual a 10 W/m.K.

9. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque las placas (10) están provistas de salientes 12 que constituyen separadores.

10. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque comprende, entre las placas (10) , elementos (21) térmicamente aislantes de tipo resorte.

11. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque los medios de acercamiento y de alejamiento comprenden una varilla de control (8) unida a los medios de extracción del calor (9) .