CN102936748B - 一种铸锭炉的加热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铸锭炉的加热器，其具有第一电极、第二电极和位于第一电极和第二电极之间的热产生本体部，其中，热产生本体部与第一电极和第二电极分别电连接；第一电极和第二电极用于直接或间接地连接于电源以使在第一电极和第二电极之间的热产生本体部中形成电流；热产生本体部沿纵向和/或径向延伸以至少部分地包围坩埚的侧部和/或端部，其中，热产生本体部用于在纵向上和/或端部形成温度递变的热场。该加热器本身所占几何空间少，重量轻，能够产生梯度分布的温度场，能够提高长晶速度，此外，对于铸锭类单晶技术中保护籽晶及提供平面型固液界面从而扩大单晶区域均有良好的效果。

Description

一种铸锭炉的加热器

技术领域

本发明属于铸锭炉的设计制造技术领域，具体涉及一种铸锭炉的加热器。

背景技术

太阳能光伏发电是可持续能源利用的形式之一，近年来在各国都得到了迅速的发展。目前，应用最为普遍的是晶体硅太阳能电池，晶体硅太阳能电池主要由单晶硅片或多晶硅片制成。世界光伏产业中多晶硅片以产能高、能耗低、成本低占据太阳能电池的主导地位，铸锭炉正是生产多晶硅硅锭的核心制造设备。

中国专利申请CN101775641A公开了一种多晶硅铸锭炉的结构，其包括炉室、置于炉室内的坩埚、用于对坩埚加热的顶部加热器和侧部加热器、以及位于坩埚底部的热交换台，其中，顶部加热器和侧部加热器固定于电极上，炉室内设有侧面包围式的隔热笼，坩埚、顶部加热器、侧部加热器以及热交换台均置于隔热笼中，隔热笼的上端与提升装置相连；隔热笼上下分别设置有顶部保温板和下保温层，其中，顶部保温板固定悬挂于电极上，下保温层及热交换台均固定于支撑柱上，顶部保温板与隔热笼上端活动相接，下保温层与隔热笼下端活动相接；一个环形的随动隔热环通过数个连接装置固定隔热笼内部。在这种多晶硅铸锭炉中，其通过顶部加热器和侧部加热器对坩埚进行加热，然而，由于侧部加热器本身并没有额外的设计，故在长晶阶段时梯度热场的实现主要还是靠隔热笼的提升，因此，加热器本身对实现梯度热场的贡献不大。另外，随着热场的不断加高，原来仅通过提升隔热笼以实现长晶时期的温度梯度变得越来越困难，尤其随着硅锭高度的加大，导致长晶后期长晶速度越来越慢，甚至达到温度平衡而无法长晶。

另外，现有技术中的用于铸锭炉的电阻加热器大多数都是石墨加热器，为了降低能耗、提高产能以及降低成本的目的，多晶硅铸锭炉容积、热场高度及热场宽度均被设计得越来越大，这导致原有石墨加热器的体积也越来越大。然而，由于大型石墨加热器既难以加工又较为笨重，故寻找一种新型材料以加工制成加热器也是目前急需解决的技术问题。

近来，铸锭类单晶硅的生产也是太阳能行业发展的又一主要方向。铸锭类单晶硅的生产主要是通过以下方法：装料时在石英坩埚底部铺一层5～40mm单晶籽晶后再装填多晶硅原料，在熔化过程中保护底部籽晶不完全熔化，然后在未熔化籽晶的基础上进行单晶硅生长；该方法的主要困难在于熔化过程中保护籽晶不完全熔化，然而，以现有的铸锭炉生产时，在隔热笼关闭且原料处于熔化过程中时，热场内的温度分布较为均匀，无法较好地保护籽晶。另外，仅通过提升隔热笼的方式很难得到平坦的等温面，实践中多为凹固液界面，而这会导致准单晶区域逐渐变小。

发明内容

针对用于铸锭炉的石墨加热器的以上不足，本发明提出一种加热器。

本发明的其中一个目的是通过改进侧部加热器本身使其具有电阻梯度以在通电时获得热梯度。

本发明的另一个目的是在熔化阶段可以获得更好的热场的纵向梯度从而保护籽晶，同时，在长晶阶段不仅可以获得更好的热场的纵向梯度以便于定向凝固而且能得到平坦的等温面避免凹固液界面的出现。

本发明的其中一个目的是不仅可以在靠近坩埚的侧面即在纵向上获得热场梯度而且可以靠近坩埚的底面即在横向上获得热场梯度，这是通过在坩埚的侧面和底面分别设有本发明的侧部加热器和底部加热器，其中底部加热器和侧部加热器的原理相同。

本发明的另一个目的是将加热器的热产生本体部的材料由碳-碳复合材料制得，这样，加热器整体重量较轻，便于加工和安装，而且更节省空间。

另外，本发明的一个目的是将加热器用于多晶硅或类单晶硅的生产。

具体地，本发明提出了一种铸锭炉的加热器，其具有第一电极、第二电极和位于第一电极和第二电极之间的热产生本体部，其中，热产生本体部与第一电极和第二电极分别电连接；第一电极和第二电极用于直接或间接地连接于电源以使在第一电极和第二电极之间的热产生本体部中形成电流；热产生本体部沿纵向和/或径向延伸以至少部分地包围坩埚的侧部和/或端部，其中，热产生本体部用于沿纵向和/或径向形成温度递变的热场。具体地，热产生本体部由电阻材料形成。

在一种选择性的实施方式中，热产生本体部由电阻率大体相同的材料制成，其截面的截面积在纵向和/或径向是递变的。优选地，热产生本体部的截面为梯形。具体地，梯形的两平行边为上宽下窄，换言之，在纵向上，从上到下，截面积逐渐变小，这样，电阻从上到下却逐渐变大。在径向上，从外到内，截面积逐渐变小，这样，电阻从外到内逐渐变大。

在另一种选择性的实施方式中，热产生本体部的截面积在纵向和/或径向上是不变的，其电阻率在纵向和/或径向上逐渐递变的。优选地，对于纵向变化的电阻率来说，该逐渐递变的电阻率是从上到下逐渐变大的；对于径向上逐渐递变的电阻率来说，该逐渐递变的电阻率是从圆心向外逐渐变小的。与上一种实施方式相比，其不同之处仅在于，此种实施方式通过改变电阻率的方式而不是通过改变截面积的方式来实现从上到下的电阻阻值的递变。

可选择地，该电源可为直流电源。

优选地，该热产生本体部是由碳-碳复合材料制成的，因此加热器的整体重量轻。

优选地，该热产生本体部的电阻率为10-25μΩ.m。

可选择地，该电源为交流电源。

进一步地，热产生本体部为周向封闭的，其上还具有第三电极，第一电极、第二电极和第三电极之间形成三角形电路，交流电源的三相电源线分别与第一电极、第二电极和第三电极电连接。通过典型的三角形电路，第一电极和第二电极之间、第一电极和第三电极之间以及第二电极和第三电极之间均加有相同的电压，故会有电流通过两两电极之间的热产生本体部。

优选地，对于热产生本体部用于沿纵向形成温度递变的热场的技术方案来说，该加热器可以靠近所述铸锭炉中的坩埚的上侧部或下侧部以包围所述坩埚的方式设置。

本发明还提出了一种用于铸锭炉热场的加热器阵列，其具有至少两个加热器，加热器之间是串联的或并联的。当加热器之间是串联时，一个加热器的电极是通过另一个加热器间接地连接到电源上的。

本发明还提出了一种铸锭炉，其具有上述的加热器。

在外加电源的情况下，本发明所公开的加热器的热产生本体部的两端电压固定，但由于该热产生本体部的电阻阻值从上至下梯度增大，故流经其中的电流从上至下梯度减小，又由于电阻加热功率为电流与电压的乘积，因此，加热器的发热量从上至下梯度减少，从而获得由上至下梯度降温的温度场。

本发明优点在于，该加热器本身所占几何空间少，重量轻，能够产生梯度分布的温度场，能够提高长晶速度，此外，对于铸锭类单晶技术中保护籽晶及提供平面型固液界面从而扩大单晶区域均有良好的效果。

附图说明

图1是本发明的加热器的一种实施方式的结构示意图；

图2是本发明的加热器的加热块的示意图，其示出了加热块整体以及其截面；

图3是图1中的加热器的电路示意图；

图4是具有本发明的加热器的铸锭炉的结构示意图；

图5示出了应用现有技术的加热器和本发明的加热器分别形成的硅锭被纵向剖开后的剖面a和剖面b。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施方式，其对本发明的技术方案作进一步描述，但本发明并不限于这些实施方式。

图1示出了加热器100，该加热器为电阻加热器，其由多个加热块通过连接板连接并在其上加设电极而形成。具体地，四块加热块20通过连接板22连接在其一起，形成了周向闭合结构。其中，加热块20均由相同的碳-碳复合材料制成，连接板22由石墨或碳-碳复合材料制成。上述周向闭合结构安装有电极31、32和33并被它们分为三段电阻，即位于电极31和电极32之间的热产生本体部41、位于电极31和电极33之间的热产生本体部42以及位于电极32和电极33之间的热产生本体部43。结合图3，这三个电极分别连接到交流电源的A、B、C三相而形成三角形电路。

形成加热块20的电阻率大体上相同，而且，如图2可知，加热块20的截面呈上宽下窄的梯形。由此可知，该加热块20的电阻分布从上至下梯度增加，以电极31、32和33对加热器100加上三相交流电时，从上到下，热产生本体部所发出的热量梯度减少，从而形成梯度分布的温度场。

本领域的技术人员应当可以理解，将上述的在纵向上厚度递减的加热块20改为厚度不变的长方体，但可以在加工制作加热块20的过程中，以对加热块20掺杂的方式获得具有从上到下逐渐变大的电阻。例如，当掺入电阻率大于加热块基体的相同杂质时，在纵向上从上到下可以变化掺入量，即掺入量依次递增；再如，当掺入电阻率大于加热块基体的不同杂质但掺入量相同时，在纵向上从上到下，可以依照电阻率从小到大的顺序掺入；自然，也可以采用同时变更杂质和掺入量等其他方式。也可以在加工制作加热块20的过程中以不同种类的碳-碳复合材料进行加工以使加热块具有在从上到下逐渐增加的电阻率。

作为一种较优的实施方式，加热块20的侧面为长1054mm、宽300mm的长方形，厚度从上至下梯度减小，具体地，上端厚为8mm，底端厚为3mm，其电阻率从上至下为10-25μΩ.m，均匀递增。

将上述的加热器100装入到合适尺寸的铸锭炉热场内，按通常的类单晶硅或多晶硅铸锭工艺进行铸锭、出锭即可得到类单晶硅锭或多晶硅大锭。

具体地，如图4所示，其示出了一种具有本发明的加热器100的铸锭炉200，该铸锭炉200包括上炉体1，下炉体2，电极3，隔热笼4，顶隔热板5，下隔热板6，加热器100，提升杆7，石墨支柱8，热交换块9，环状隔热条10，坩埚护板11，坩埚12，辅助隔热板13，丝杆14。其中，在下炉体2内的中心位置处可转动地连接有丝杆14，下隔热板6和热交换块9以从下到上的顺序支撑在石墨支柱8上。丝杆14在炉体外的部分可以由驱动机构驱动进而使得辅助隔热板13相对下隔热板6上下运动，在丝杆14的作用下，辅助隔热板13具有这样的移动范围，即，向上与热交换块9接触以及与向下与下隔热板6接触。提升杆7的两端分别以丝杆滑块的形式连接于上炉体1和隔热笼4，使得隔热笼4通过提升杆7固定在上炉体1上，提升杆7可以被外接驱动机构所驱动进而带动隔热笼4上下运动以控制隔热笼4相对下隔热板6在炉体内的升降。从图1中可以看出，隔热笼4的底部具有与下隔热板6的顶部边缘相适配的形状，这样，在提升杆7的作用下，当隔热笼4处于最低位置时，隔热笼4和下隔热板6刚好配合在一起。顶隔热板5和加热器100通过电极3悬挂在上炉体1上并固定不动，顶隔热板5的中央设有气体导流筒15，经由该气体导流筒15，可以向炉内充入氩气。在隔热笼4、顶隔热板5和下隔热板6形成的容腔中，坩埚护板11的内壁紧贴着坩埚12的外壁并被承载于热交换块9上。其中，坩埚12内容纳有待加热的硅16，加热器100靠近坩埚12的侧部布置，另外，热交换块9的底部周边还固定有环状隔热条10。

上述铸锭炉200即可用于生产类单晶硅锭亦可生产多晶硅。在此以生产类单晶硅硅锭为例说明其操作过程，先在坩埚底部铺满5-40mm单晶籽晶后再填满多晶硅原料；然后，将坩埚装入热场内后抽真空；接着以加热器对热场加热，待坩埚上部温度至1550℃，并保持一段时间，此即加热熔化阶段；待坩埚底部温度升至1340-1400℃时，跳步进入定向凝固的长晶阶段；最后，长晶完毕后出锭。

在上述加热熔化阶段，隔热笼4、顶隔热板5和下隔热板6形成封闭的加热腔，由加热器100对坩埚12内的硅16进行加热，因为加热器100的电阻从上到下梯度增加，相应地，发热量必然从上到下梯度变小，所以实现了梯度加热，可以保护位于坩埚最下面的籽晶。

在上述长晶阶段，在提升杆7的作用下，隔热笼4向上运动使得在隔热笼4和下隔热板6之间出现了通往由上炉体1和下炉体2所形成的炉体的间隙，同时，辅助隔热板13在丝杆14的作用下向下打开，与下隔热板6接触。这样，可以加快坩埚12内的硅熔体从热交换块9中间散热。因为加热器100的电阻在纵向上从上到下梯度增加，相应地，发热量必然在纵向上从上到下梯度变小，且在横向上形成等温面，所以能够提供平面型固液界面从而对扩大单晶区域具有良好的效果。

经检测上述类单晶硅硅锭后，发现大锭底部剩余3-30mm未熔完籽晶，后续生长晶体顺延籽晶向上生长。中央均为准单晶区域，四周仅有距边缘3cm以内区域为明显非单晶区域。经后续加工，以上获得的电池片转换效率与直拉单晶硅片相当。

应用该具有加热器的铸锭炉也可以生产多晶硅硅碇，参见图5，其中，图a示出了使用现有技术中的加热器形成的多晶硅硅锭被纵向剖切后的剖面，图b示出使用本发明的加热器形成的多晶硅硅锭被纵向剖切后的剖面，以上图片为大锭相对同一位置照片。对比剖面可以看出，应用本发明的加热器，形成多晶硅硅锭的柱状晶效果非常好，无斜晶出现，晶粒较大，晶界较少。

通过使用该加热器，多晶硅铸锭长晶速度也可以得到较大提高，并且能够高效地生长出高340mm以上的大硅锭，对于提高铸锭炉的产能具有非常大的优势。

上文均是以电阻在纵向上梯度变化的实施例进行说明，然而，本领域的技术人员可以容易地理解，电阻在径向上也是可以梯度变化的，例如，底部加热器或顶部加热器可以由相同电阻率的材料形成，并且，在径向上，从内到外逐渐变厚。选择性地，也可以由不同电阻率的材料形成但截面相同，从内到外，材料的电阻率由大到小。这种电阻径向变化的加热器可以为但不限于圆盘形，在其周向边缘处加设一个环形电极，圆心处加设另一电极，这样使两电极间产生电流。这种加热器也可以由条形电阻在一个水平平面内内外分数层地类似卷簧“盘绕”而成，层与层之间彼此绝缘。此处所说“盘绕”仅仅是为了理解，实际上，由于其加工较为困难，通常由模具模制而成。可以理解，电阻在纵向梯度变化的加热器和电阻在径向梯度变化的加热器可以配合使用，即分别安设在坩埚的侧部和顶部或底部。

上面以三角形电路作为一种较优的实施例进行说明，这种三角形电路是为了工业应用的便利而设计的，因为其具有三个电极，较适用于连接三相交流电。然而，本领域的技术人员应当可以理解在周向封闭结构上可以设置两个电极，两个电极可以连通电源；可选择地，加热块也可以形成周向非封闭结构，在该结构两端加设电极即可；事实上，三角形电路中的基本单元也是由两个电极以及它们之间的电阻(即热产生本体部)形成。

也应当可以理解，多个上述的加热器并联或串联可以形成加热器阵列，这种设计至少具有不必使加热器设计的太大而显得难以安装的效果。

虽然上文中均以交流电压作为电源进行解释，然而，很容易理解，本发明的加热器可以采用直流电源，在此，不对其细节进行赘述。

Claims (8)

1.一种铸锭炉的加热器，其具有第一电极、第二电极和位于所述第一电极和所述第二电极之间的热产生本体部，其中，所述热产生本体部与所述第一电极和所述第二电极分别电连接；所述第一电极和所述第二电极用于直接或间接地连接于电源以使在所述第一电极和所述第二电极之间的所述热产生本体部中形成电流；所述热产生本体部沿纵向和/或径向延伸以至少部分地包围坩埚的侧部和/或端部，其中，所述热产生本体部用于沿纵向和/或径向形成温度递变的热场；

所述热产生本体部的截面积在纵向和/或径向上是不变的，其电阻率在纵向和/或径向上逐渐递变的；

掺杂电阻率大于所述热产生本体部基体的相同杂质，在纵向上从上到下变化掺入量，即掺入量依次递增；或者

掺杂电阻率大于所述热产生本体部基体的不同杂质但掺入量相同，在纵向上从上到下，依照电阻率从小到大的顺序掺入；或者

采用同时变更杂质和掺入量的方式获得具有从上到下逐渐变大的电阻；或者

采用不同种类的碳-碳复合材料进行加工所述热产生本体部以使所述热产生本体部具有在从上到下逐渐增加的电阻率；或者

由不同电阻率的材料形成但截面相同，从内到外，材料的电阻率由大到小。

2.根据权利要求1所述的加热器，其中，所述电源为直流电源。

3.根据权利要求1所述的加热器，其中，所述热产生本体部是由碳-碳复合材料制成的。

4.根据权利要求3所述的加热器，其中，所述热产生本体部的电阻率为10-25μΩ.m。

5.根据权利要求1所述的加热器，其中，所述电源为交流电源。

6.根据权利要求5所述的加热器，其中，所述热产生本体部为周向封闭的，其上还具有第三电极，所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极之间形成三角形电路，所述交流电源的三相电源线分别与所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极电连接。

7.一种用于铸锭炉热场的加热器阵列，其具有至少两个根据权利要求1-6所述加热器，所述加热器之间是串联的或并联的。

8.一种铸锭炉，其具有如权利要求1-6所述的加热器。