CN102912432A - 一种800kg以上大硅锭铸锭炉及铸锭工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种800kg以上大硅锭铸锭炉，包括炉腔以及位于所述炉腔内的隔热笼、加热器、定向固化块、坩埚和隔热层，所述隔热笼能够上下升降，所述坩埚、定向固化块和隔热层从上而下依次布置，所述隔热笼的底部设有容纳所述隔热层的下开口，所述隔热层和隔热笼一起包围所述坩埚和定向固化块，所述加热器从所述坩埚周围和顶部进行加热。该铸锭炉能够铸造重量为800千克、可开方三十六块以上的大硅锭，从而显著提高硅锭出材率，降低单位能耗和成本。本发明还公开了利用上述800kg以上大硅锭铸锭炉进行铸锭的工艺。

Description

一种800kg以上大硅锭铸锭炉及铸锭工艺

技术领域

本发明涉及多晶硅生产设备技术领域，特别是用于制造大尺寸多晶硅铸锭的铸锭炉。本发明还涉及大硅锭铸锭工艺。

背景技术

太阳能发电最主要的手段是利用硅电池将太阳能转换为电能，而多晶硅铸锭是整个光伏产业的基础工艺。

多晶硅铸锭炉是用于制造大型多晶硅铸锭的设备，它是将硅料熔融后通过定向凝固冷凝结晶，使其形成晶相一致的硅锭，从而达到太阳能电池生产对硅片品质的要求。

其工作原理：将多晶硅料装入有涂层的坩埚内，放在定向固化块上，关闭炉膛后抽真空，加热待硅料完全熔化后，隔热笼缓慢往上提升，通过定向固化块将硅料结晶时释放的热量辐射到下炉膛内壁上，使硅料中形成一个竖直温度梯度。

这个温度梯度使坩埚内的硅液从底部开始凝固，从熔体底部向顶部生长，硅料凝固后，硅锭经过退火、冷却后出炉完成整个铸锭过程。

热场是指多晶硅铸锭炉加热系统中的温度分布，它对多晶硅晶体的生长至关重要：晶体的冷却过程、固液界面的形状、晶体中的热应力分布等都是由生长过程中晶体中的温度场和温度梯度分布所决定的，因此多晶硅铸锭炉热场的结构设计显得尤为重要。

虽然太阳能电池的成本在不断下降，但随着市场竞争的加剧，为了提高竞争力，不断降低成本仍是光伏行业追求的目标。

现有多晶硅铸锭炉的热场可生产的硅锭主要有以下几种类型：第一种是重量为240千克，可开方十六块硅块（156mm×156mm）的硅锭；第二种是重量为400千克，可开方二十五块硅块的硅锭，即G5硅锭；第三种是通过纵向发展、增加高度铸造而成的重量为650千克的硅锭。

由于以上铸锭重量小，所以出材率低，单位耗能高，成本高。

因此，如何利用多晶硅铸锭炉铸造出重量更大的硅锭，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种800kg以上大硅锭铸锭炉。该铸锭炉能够铸造重量为800千克、可开方三十六块以上的大硅锭，从而显著提高硅锭出材率，降低单位能耗和成本。

本发明的第二目的是提供一种800kg以上大硅锭铸造工艺。

为了实现上述第一目的，本发明提供一种800kg以上大硅锭铸锭炉，包括炉腔以及位于所述炉腔内的隔热笼、加热器、定向固化块、坩埚和隔热层，所述隔热笼能够上下升降，所述坩埚、定向固化块和隔热层从上而下依次布置，所述隔热笼的底部设有容纳所述隔热层的下开口，所述隔热层和隔热笼一起包围所述坩埚和定向固化块，所述加热器从所述坩埚周围和顶部进行加热。

优选地，所述隔热笼的容积能够容纳长度为1100mm、宽度为1100mm、高度为650mm以内的物体在隔热笼内加热。

优选地，所述隔热笼的内径为1100mm-1200mm；所述定向固化块的长度为1000mm-1100mm、宽度为1000mm-1100mm、厚度为140mm-160mm；所述坩埚加装石墨支撑板后的长度为1000mm-1200mm、宽度为1000mm-1200mm。

优选地，所述隔热笼的内径为1160mm；所述定向固化块的长度为1050mm、宽度为1050mm、厚度为150mm；所述坩埚加装石墨支撑板后的长度为1100mm、宽度为1100mm。

优选地，所述炉腔分为上下两部分，其中上部分固定，下部分能够通过丝杠进行升降。

优选地，所述隔热笼为不锈钢隔热笼，其内部设有碳素隔热层。

优选地，所述隔热笼底部设有圆角。

优选地，所述炉腔的壁内为水冷夹层。

为实现上述第二目的，本发明提供一种800kg以上大硅锭铸造工艺，利用上述任一项所述的大硅锭铸锭炉进行铸锭，包括以下步骤：

步骤1：放料，在坩埚内放入铸造800千克以上硅锭所需的硅料；

步骤2：加热，利用加热器对坩埚及坩埚内的硅料进行加热，其加热时间为16小时-18小时；

步骤3：熔化，控制坩埚内硅料的熔化温度为1555度-1565度；

步骤4：长晶，长晶阶段的长晶时间为34小时-38小时，并且在长晶第一阶段即开启隔热笼4mm-6mm；

步骤5：退火，设定退火时间为11小时-13小时；

步骤6：冷却。

优选地，所述步骤（2）中的加热时间为17小时；所述步骤（3）中的熔化温度为1560度；所述步骤（4）中的长晶时间为36小时，并且在长晶第一阶段即开启隔热笼5mm；所述步骤（5）中的退火时间为12小时。

本发明所提供的大硅锭铸锭炉的热场能够铸造重量达800千克以上的大硅锭，以800千克硅锭为例，其规格为1000mm×1000mm×350mm，可以出三十六块硅块，其边料和硅块的块数之比是24:36，即4:6；而可以出二十五块硅块的400千克硅锭的边料和硅块的块数之比是20:25，即4:5，可见，有四分之一的边料变成了可以利用的硅块，显著提高了硅锭的出材率。

此外，由于能够铸造G6（800千克）以上的硅锭，因此一次投料量可以是现有技术的两倍甚至更过，单台设备产能增大，降低了单位能耗，集中规模生产可显著降低铸造成本。

在一种优选方案中，所述隔热笼的容积能够容纳长度为1100mm、宽度为1100mm、高度为650mm以内的物体在隔热笼内加热。通过横向增大热场，使其满足800千克硅锭的生长要求，可以铸造1000mm×1000mm×360mm的大硅锭，从而增加可开方的块数。

在另一种优选方案中，所述隔热笼经过圆角设计，具有更大的笼内容积，进一步满足大硅锭的铸造需要。

本发明所提供的大硅锭铸造工艺，利用上述大硅锭铸锭炉进行铸锭，严格控制加热段、熔化段、长晶段、退火段和冷却段的各项参数，尤其是垂直方向上的温度梯度，从而获得理想的凝固速度，使固液界面尽量平直，更有利于晶体生长，并能够生长出取向更好的大硅锭，使其电学性能均匀一致，提高了硅锭质量。

附图说明

图1为本发明所提供800kg以上大硅锭铸锭炉的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为图1所示大硅锭铸锭炉在隔热笼处于升起状态时的结构示意图。

图中：

1.炉腔   2.隔热笼   3.加热器   4.定向固化块   5.坩埚   6.隔热层

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1、图2，图1为本发明所提供800kg以上大硅锭铸锭炉的一种具体实施方式的结构示意图；图2为图1所示大硅锭铸锭炉在隔热笼处于升起状态时的结构示意图。

在一种具体实施方式中，本发明所提供的800kg以上大硅锭铸锭炉主要由炉腔以及位于炉腔1内部的隔热笼2、加热器3、定向固化块4、坩埚5和隔热层6等构成。

炉腔1为钟罩式结构，分为上下两部分，其中上部分固定，下部分能够通过丝杠进行升降，壁内是水冷夹层，以保证操作人员所处的工作环境温度不会升高，炉腔内形成热场。

隔热笼2为不锈钢隔热笼，能够上下升降，其内部设有碳素隔热层，以隔绝热量向外扩散，隔热笼2底部设有圆角，具有更大的笼内容积，可满足大硅锭的铸造需要。

坩埚5为石英材质，用于盛放硅料，定向固化块4为放置在热场内承托坩埚5的石墨件，坩埚5、定向固化块4和隔热层6从上而下依次布置，隔热笼2的底部设有容纳隔热层6的下开口，隔热层6和隔热笼2一起包围坩埚5和定向固化块4，加热器3从周围和顶部对坩埚5进行加热。

本发明通过加大隔热笼2、定向固化块4、隔热层6等部件的方式来加大热场，使隔热笼2的容积能够容纳长度为1100mm、宽度为1100mm、高度为650mm以内的物体在隔热笼内加热。

具体地，隔热笼2的内径为1100mm-1200mm；定向固化4块的长度为1000mm-1100mm、宽度为1000mm-1100mm、厚度为140mm-160mm；坩埚5加装石墨支撑板后的长度为1000mm-1200mm、宽度为1000mm-1200mm。

作为一种优选，隔热笼2的内径为1160mm；定向固化块4的长度为1050mm、宽度为1050mm、厚度为150mm；坩埚5加装石墨支撑板后的长度为1100mm、宽度为1100mm。

当然，上述大硅锭铸锭炉仅是一种优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

除了上述大硅锭铸锭炉之外，本发明还提供一种800kg以上大硅锭铸造工艺，利用上文所述的大硅锭铸锭炉进行铸锭，包括以下步骤：

步骤1：放料，在坩埚内放入铸造800千克以上硅锭所需的硅料，放料是铸造硅锭的第一阶段，要注意不要碰触坩埚的内表面，以免污染和损伤内表面涂层，并小心、慢慢地铺平硅料，防止划破涂层。

结束放料后的工序为抽真空，装满硅料的坩埚置于铸锭炉内定向固化块上后，炉腔的上下两部分密闭，真空泵系统启动，以抽出坩埚和硅料所吸附的潮气、油酯等，保持炉腔处于低真空状态。

步骤2：加热，利用加热器对坩埚及坩埚内的硅料进行加热，其加热时间为16小时-18小时，在最短的时间内将硅料加热到尽可能高的温度，并将热量传递给硅熔体，使熔化温度达到转化温度。

步骤3：熔化，控制坩埚内硅料的熔化温度为1555度-1565度，使硅料完全熔化，同时，定向固化块温度稳定，达到平衡状态，熔化结束时，所有硅料达到熔点，在此过程中，若温度过高，会使石英坩埚应熔化而破裂，若温度过低，会使熔料时间变长，提高成本，同时也达不到熔硅的目的。

步骤4：长晶，熔化结束后，温度稍微降低，隔热笼缓慢往上提升，露出定向固化块的下表面，由于坩埚底部的熔硅处于“过冷”状态，在坩埚底部快速生长出一层晶粒，这样就从熔体底部到顶部形成了一个温度梯度，进入晶体生长阶段，控制长晶时间为34小时-38小时，并且在长晶第一阶段即开启隔热笼4mm-6mm。

步骤5：退火，当硅锭完全凝固时，从硅锭的底部到顶部存在一个明显的温度梯度，这个温度梯度会在硅锭内部产生应力或者极小的应力裂纹。因此，必须消除硅锭的内部应力，设定合适的退火温度，退火时间控制在11小时-13小时，以增加退火效果，此时还应关闭隔热笼，使硅锭内部温度均匀，直至应力消除。

步骤6：冷却，开启隔热笼，排出气体，继续冷却铸锭炉直到底部热电偶测量的温度就是转换到冷却结束时的温度，炉内压力上升到常压，准备出锭，完成一个长晶循环。

作为一种优选，步骤（2）中的加热时间为17小时；步骤（3）中的熔化温度为1560度；步骤（4）中的长晶时间为36小时，并且在长晶第一阶段即开启隔热笼5mm；步骤（5）中的退火时间为12小时。

以上对本发明所提供的800kg以上大硅锭铸锭炉及铸锭工艺进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种800kg以上大硅锭铸锭炉，包括炉腔以及位于所述炉腔内的隔热笼、加热器、定向固化块、坩埚和隔热层，其特征在于，所述隔热笼能够上下升降，所述坩埚、定向固化块和隔热层从上而下依次布置，所述隔热笼的底部设有容纳所述隔热层的下开口，所述隔热层和隔热笼一起包围所述坩埚和定向固化块，所述加热器从所述坩埚周围和顶部进行加热。

2.根据权利要求1所述的800kg以上大硅锭铸锭炉，其特征在于，所述隔热笼的容积能够容纳长度为1100mm、宽度为1100mm、高度为650mm以内的物体在隔热笼内加热。

3.根据权利要求2所述的800kg以上大硅锭铸锭炉，其特征在于，所述隔热笼的内径为1100mm-1200mm；所述定向固化块的长度为1000mm-1100mm、宽度为1000mm-1100mm、厚度为140mm-160mm；所述坩埚加装石墨支撑板后的长度为1000mm-1200mm、宽度为1000mm-1200mm。

4.根据权利要求3所述的800kg以上大硅锭铸锭炉，其特征在于，所述隔热笼的内径为1160mm；所述定向固化块的长度为1050mm、宽度为1050mm、厚度为150mm；所述坩埚加装石墨支撑板后的长度为1100mm、宽度为1100mm。

5.根据权利要求1至4任一项所述的800kg以上大硅锭铸锭炉，其特征在于，所述炉腔分为上下两部分，其中上部分固定，下部分能够通过丝杠进行升降。

6.根据权利要求1至4任一项所述的800kg以上大硅锭铸锭炉，其特征在于，所述隔热笼为不锈钢隔热笼，其内部设有碳素隔热层。

7.根据权利要求1至4任一项所述的800kg以上大硅锭铸锭炉，其特征在于，所述隔热笼底部设有圆角。

8.根据权利要求1至4任一项所述的800kg以上大硅锭铸锭炉，其特征在于，所述炉腔的壁内为水冷夹层。

9.一种800kg以上大硅锭铸造工艺，其特征在于，利用上述权利要求1至8任一项所述的800kg以上大硅锭铸锭炉进行铸锭，包括以下步骤：

步骤1：放料，在坩埚内放入铸造800千克以上硅锭所需的硅料；

步骤2：加热，利用加热器对坩埚及坩埚内的硅料进行加热，其加热时间为16小时-18小时；

步骤3：熔化，控制坩埚内硅料的熔化温度为1555度-1565度；

步骤4：长晶，长晶阶段的长晶时间为34小时-38小时，并且在长晶第一阶段即开启隔热笼4mm-6mm；

步骤5：退火，设定退火时间为11小时-13小时；

步骤6：冷却。

10.根据权利要求9所述的800kg以上大硅锭铸造工艺，其特征在于，所述步骤（2）中的加热时间为17小时；所述步骤（3）中的熔化温度为1560度；所述步骤（4）中的长晶时间为36小时，并且在长晶第一阶段即开启隔热笼5mm；所述步骤（5）中的退火时间为12小时。

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