CN103261493B - 用于硅的定向固化的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用定向固化用于纯化硅的装置和方法。所述装置可以用于硅的定向固化多于一次而没有故障。本发明的装置和方法可以用于制造用于太阳能电池的硅晶体。

Description

用于硅的定向固化的装置和方法

要求优先权

本申请要求2010年11月17日提交的美国专利申请序列号12/947,936的优先权权益，其以全文引用方式并入本文。

背景技术

太阳能电池通过利用其将日光转化成电能的能力可以是可行的能源。硅是太阳能电池的制造中所使用的半导体材料，然而，硅的使用的限制涉及将其纯化至太阳能级（SG）的成本。

已知数种用于制造太阳能电池的硅晶体的技术。这些技术的大多数的操作原理是，当硅从熔融溶液固化时，不期望的杂质倾向于保留在熔融溶液中。例如，可以使用浮区技术以制造单晶锭块，并且使用固体材料中的移动液区，将杂质移动至材料的边缘。在另一实例中，可以使用提拉法技术以制造单晶锭块，并且使用从溶液缓慢提拉的晶种，允许单晶硅柱的形成，同时将杂质留在溶液中。在又一实例中，可以使用布里奇曼或换热器技术以制造单晶锭块，并且使用温度梯度以造成定向固化。

用于制造太阳能电池的硅晶体的各种技术在熔融制造阶段的过程中使用坩埚以容纳硅。不幸地，大多数坩埚在单次使用之后破裂，因为例如熔融硅在其固化时尺寸或形状改变。产生单晶锭块的方法可以包括使用石英坩埚，石英坩埚昂贵且为易碎材料。产生多晶锭块的方法通常使用更大的坩埚，并且由于石英的费用，这些坩埚通常由更廉价的材料制成，例如熔化二氧化硅或其他耐火材料。尽管由更廉价的材料制成，由熔化二氧化硅或其他耐火材料制成的大型坩埚的生产成本仍然昂贵并且通常仅可使用一次。坩埚的高费用和有限寿命的结合限制了硅纯化装置和方法的经济效率。

附图说明

在附图（所述附图不一定按比例绘制）中，贯穿数图的相似的附图标记表示基本上相似的组件。具有不同字母后缀的相似的附图标记表示基本上相似的组件的不同实例。一般而言，附图以举例的方式（并非限制性的方式）描述了本文献中所讨论的各个实施方案。

图1显示了根据至少一个实施方案构造的用于硅的定向固化的装置的模具、外壳和隔热层的横截面图。

图2显示了根据至少一个实施方案构造的用于硅的定向固化的装置的模具、外壳和隔热层的横截面图。

图3显示了根据至少一个实施方案构造的用于硅的定向固化的装置的加热器的横截面图。

图4显示了根据至少一个实施方案构造的用于硅的定向固化的装置的3D投影，所述装置包括位于模具顶部的加热器。

图5显示了根据至少一个实施方案构造的用于硅的定向固化的装置的加热器的等距视图。

图6显示了根据至少一个实施方案构造的用于硅的定向固化的装置的模具的等距视图。

图7显示了由根据至少一个实施方案构造的本发明的装置和方法产生的硅锭块。

发明内容

考虑到目前的能源需求和供应限制，本发明人意识到需要更为经济有效的将冶金级（MG）硅（或具有比太阳能级更大量杂质的任何其他硅）纯化成太阳能级硅的方法。

本发明涉及用于硅的定向固化的装置。本发明特别提供定向固化模具。定向固化模具可以包含至少一种耐火材料。至少一种耐火材料可以被构造成允许硅在模具内的定向固化。外壳和隔热层可以包围部分模具。在各个实施例中，隔热层至少部分地设置在定向固化模具和外壳之间。本发明人已经发现，这种模具构造可以重复用于硅的定向固化而没有故障。

在一些实施例中，定向固化模具的一个或多个侧壁可以包含氧化铝。在一些实施方案中，定向固化模具的底部可以包含碳化硅。定向固化模具也可以包括顶层。顶层可以包括滑移面耐火件。当移除定向固化的硅产品时，顶层可以被构造成足以保护部分定向固化模具免受损坏。在一些实施例中，模具的外壳可以包含钢或不锈钢。在一些实施例中，隔热层可以包括隔热砖、耐火材料、耐火材料的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温棉，或其组合。

在一些实施例中，本发明还包括加热器。加热器可以包括一个或多个加热构件。一个或多个加热构件可以独立地包括加热元件或感应加热器。包括加热元件的加热构件可以使用如碳化硅、二硅化钼、石墨或其组合的材料。加热器也可以包括隔热砖、耐火件、耐火件的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温棉，或其组合。外壳或隔热件可以包围部分加热器。加热器的外壳可以包含钢或不锈钢。加热器的隔热件可以至少部分地设置在一个或多个加热构件和外壳之间。

本发明还涉及纯化硅的方法。纯化硅的方法可以是用于制造用于制入太阳能电池的一个或多个锭块的方法。纯化硅的方法可以是制造用于切成一个或多个太阳能晶片的一个或多个硅锭块的方法。所述方法可以包括提供或接收第一硅并且至少部分地熔融第一硅。所述方法可以包括提供或接收定向固化装置。硅可以至少部分地熔融从而提供第一熔融硅。所述方法可以进一步包括定向固化第一熔融硅。可以使用定向固化装置定向固化第一硅。第一熔融硅在定向固化装置中的定向固化可以提供第二硅。用于定向硅的装置可以包括定向固化模具。定向固化模具可以包含至少一种耐火材料。硅的定向固化可以在定向固化装置的定向固化模具中进行。耐火材料可以被构造成允许硅在模具内的定向固化。外壳和隔热层可以包围部分模具。隔热层至少部分地设置在定向固化模具和外壳之间。同样地，所述装置可以重复用于硅的定向固化而没有故障。

在一个具体实施方案中，本发明还涉及用于硅的纯化的装置。所述装置包括定向固化模具。定向固化模具包含至少一种耐火材料。至少一种耐火材料被构造成允许硅在模具内的定向固化。定向固化模具的一个或多个侧面包含氧化铝。定向固化模具的底部包含碳化硅或石墨。定向固化模具也包括顶层。顶层包括滑移面耐火件。当从模具移除定向固化的硅时，顶层可以被构造成保护定向固化模具的剩余部分免受损坏。本发明还包括外壳。外壳包含钢或不锈钢。本发明还包括隔热层。隔热层至少部分地设置在定向固化模具的一个或多个侧面和外壳的一个或多个侧面之间。隔热层包括隔热砖、耐火材料、耐火材料的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温棉，或其组合。所述具体实施方案还包括顶部加热器。顶部加热器包括一个或多个加热构件。一个或多个加热构件独立地包括加热元件或感应加热器。加热元件包含碳化硅、二硅化钼、石墨，或其组合。顶部加热器也包括隔热砖、耐火件、耐火件的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温棉，或其组合。顶部加热器还包括外壳。顶部加热器的外壳包含钢或不锈钢。顶部加热器的隔热件至少部分地设置在一个或多个加热构件和顶部加热器外壳之间。同样地，定向固化模具、外壳和隔热层被构造成用于硅的定向固化多于两次。

本发明相对于用于硅的定向固化的先前装置和方法提供优点。在一个实施例中，由于装置的可重用性，本发明可以提供纯化硅的经济上更有效的方法。例如，本发明可以提供制造用于切成一个或多个太阳能晶片的一个或多个硅锭块的经济上更有效的方法。装置的可重用性可以帮助减少浪费，并且可以提供更经济的方法以使用更大的坩埚用于定向固化。通过允许有效地使用更大的坩埚，本发明可以实现得益于规模经济的定向固化方法。此外，本发明的一些实施方案中存在的加热器提供便利和有效的方法以加热硅、维持硅的温度、控制硅的冷却，或其组合，这可以允许精确控制温度梯度和相应的硅的定向固化。本发明的装置和方法可以特别用于制造用于太阳能电池的硅晶体。

具体实施方式

现在将具体参考所公开的主题的某些实施例，其中的一些实施例显示在附图中。虽然主要结合附图描述所公开的主题，应理解这些描述并不旨在将所公开的主题限制于这些附图。相反，所公开的主题旨在覆盖可以包括在由权利要求所限定的本文所公开主题的范围内的所有替代方案、修改方案和等同方案。

当说明书中提及“一个实施方案”、“一个示例性实施方案”等时，其表示所描述的实施方案可以包括特定的特征、结构或特性，但是不一定每个实施方案都包括特定的特征、结构或特性。此外，这些表述不一定涉及相同的实施方案。此外，当在一个实施方案中描述特定的特征、结构或特性时，认为本领域技术人员能够在其它实施方案中采用这种特征、结构或特性，无论是否明确描述。

在该文献中，除非另有声明，术语“一”或“一个”用于包括一个或多于一个，术语“或”用于表示无排他性的“或”。此外应理解，除非另有声明，本文所采用的措辞或术语仅出于描述的目的，而非限制性的。此外，本文献中提及的所有的出版物、专利和专利文献以全文引用的方式并入本文，就好像以引用的方式单独并入本文。在本文献和以引用的方式并入本文的那些文献之间的用法不一致的情况下，并入的参考文献中的用法应被认为是本文献的用法的补充，对于矛盾的不一致性，以本文献中的用法为准。

在本文描述的制备方法中，除非明确指出时间顺序或操作顺序，可以以任何顺序进行步骤而不偏离本发明的原理。当在权利要求中描述首先进行一个步骤，然后进行数个其它步骤时，应理解其意指第一个步骤在所有其它步骤之前进行，但是其它步骤可以以任何合适的顺序进行，除非在其它步骤中进一步描述顺序。例如，描述“步骤A、步骤B、步骤C、步骤D和步骤E”的权利要求成分应被理解为意指首先进行步骤A，最后进行步骤E，步骤B、C和D可以在步骤A和E之间以任何顺序进行，且所述顺序仍然落入要求保护的方法的字面范围内。给定的步骤或步骤的子集也可以重复。

此外，可以同时进行特定的步骤，除非明确的权利要求语言中描述了分别进行这些步骤。例如，要求保护的做X的步骤和要求保护的做Y的步骤可以在单一操作中同时进行，所形成的方法落入要求保护的方法的字面范围内。

本发明涉及使用定向固化用于纯化硅的装置和方法。所述装置可以有利地用于硅的定向固化多于一次。本发明的装置和方法可以用于制造用于太阳能电池的硅晶体。

在本发明的实施方案中，通过控制温度梯度，可以完成高度受控的定向固化。在本发明中，定向结晶大致从底部至顶部进行，因此期望的温度梯度在底部具有更低的温度，而在顶部具有更高的温度。对温度梯度和相应的定向结晶的高度控制可以有利地允许更有效的定向固化，形成更高纯度的硅。

定义

正如本文所使用的，“导管”表示通过材料的管状孔，其中材料不必是管状的。例如，穿过材料块的孔为导管。所述孔可以具有比直径更大的长度。导管可以通过在材料中嵌入管道（包括管）而形成。

正如本文所使用的，“定向固化”表示在大致一个位置处开始、以大致线性方向（例如竖直、水平或垂直于表面）进行并且在大致另一个位置处结束的材料的结晶。正如该定义中所使用的，位置可以是点、面或曲面，包括环状或碗状。

正如本文所使用的，“风扇”表示可以移动空气的任何设备或装置。

正如本文所使用的，“加热元件”表示当允许电流过材料时产生热的材料片。

正如本文所使用的，“感应加热器”表示经由材料中的电流感应向所述材料加热的加热器。通常地，这种电流通过允许交变电流流过靠近待加热材料的金属线圈而产生。

正如本文所使用的，“熔融”表示经受从固体至液体的相变。

正如本文所使用的，“油”表示在环境温度下为液体的物质，所述物质为疏水性的并且具有300°C以上的沸点。油的实例包括但不限于植物油和石油。

正如本文所使用的，“耐火材料”表示在高温下化学和物理稳定的材料。耐火材料的实例包括但不限于氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氧化铬、碳化硅、石墨，或其组合。

正如本文所使用的，“热面耐火件”表示耐火材料。

正如本文所使用的，“传导耐火件”表示可以导热的耐火材料。

正如本文所使用的，“侧面”或“多个侧面”可以表示一个或多个侧面，除非另有声明，表示与物体的一个或多个顶部或底部相比的物体的一个或多个侧面。

正如本文所使用的，“硅”表示元素Si，并且可以表示任何纯度的Si，但是通常表示纯度至少为50重量%，优选纯度为75重量%，更优选纯度为85%，更优选纯度为90重量%，更优选纯度为95重量%，甚至更优选纯度为99重量%的硅。

正如本文所使用的，“滑移面耐火件”表示在固体硅和定向固化模具之间减少摩擦和减少粘连的耐火材料。

正如本文所使用的，“管道”表示中空管状材料。管道通常具有大致匹配其外部形状的内部形状。管道的内部形状可以为任何合适的形状，包括圆形、方形，或具有任何数量侧面的形状，包括不对称形状。

底部模具

图1显示了本发明的实施方案。显示了装置100的剖面侧视图。装置100包括定向固化模具110，所述定向固化模具110包含至少一种耐火材料。至少一种耐火材料被构造成允许硅在模具内的定向固化。装置100还包括外壳130。此外，装置100包括隔热层120，所述隔热层120至少部分地设置在定向固化模具110和外壳130之间。装置100可以用于硅的定向固化多于一次。

本发明的实施方案的整体三维形状可以类似于具有圆形形状的厚壁大碗。替代性地，整体形状可以类似于具有方形形状，或六边形、八边形、五边形或具有任何合适数量的侧边的任何合适形状的大碗。在其他实施方案中，装置的整体形状可以为用于硅的定向固化的任何合适的形状。在一个实施方案中，底部模具可以容纳约1公吨硅或更多。在一个实施方案中，底部模具可以容纳约1.4公吨硅或更多。在另一个实施方案中，底部模具可以容纳约2.1公吨硅或更多。在另一个实施方案中，底部模具可以容纳约1.2、1.6、1.8、2.0、2.5、3、3.5、4、4.5或5公吨硅或更多。

在本发明的优选实施方案中，所述装置围绕中心竖轴大致对称。装置中包含的材料或装置的形状偏离围绕中心轴的近似对称的实施方案仍然包括为优选的实施方案；正如本领域技术人员容易理解的，大致优选对称。在一些实施方案中，装置围绕中心竖轴不对称。在其他实施方案中，装置围绕中心竖轴部分地大致对称且围绕中心竖轴部分地不对称。在包括不对称特征的实施方案中，可以包括本文描述的任何合适的特征，包括作为围绕中心轴整体或部分地大致对称的实施方案的一部分所描述的特征。

如图1中所示，定向固化模具110在定向固化模具的底部和定向固化模具的侧面之间具有大于90度的内角，本文称为斜度。所述斜度允许移除在模具中固化的硅片而不会破坏硅或定向固化模具。在优选的实施方案中，定向固化模具具有如图1中所示的斜度，所述斜度足以允许从所描述的模具中移除硅。然而，在替代性实施方案中，定向固化不具有斜度，或者具有反向斜度。在不具有斜度的替代性实施方案中，装置优选具有通过中部的切口，所述切口允许将其容易地分为两半从而移除固体硅。所述两半然后可以再次结合形成整体，并且重用装置。然而，可以断成两半的实施方案不限于无斜度的那些实施方案。本文讨论的所有实施方案可以包括或不包括分成两半从而容易移除固体硅的能力。

图1中所示的定向固化模具110包含耐火材料。耐火材料可以是任何合适的耐火材料。耐火材料可以是氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氧化铬、碳化硅、石墨，或其组合。定向固化模具可以包含一种耐火材料。定向固化模具可以包含多于一种耐火材料。包含在定向固化模具中的一种或多种耐火材料可以混合，或者它们可以位于定向固化模具的分离部分处，或其组合。一种或多种耐火材料可以以层的形式排列。定向固化模具可以包括多于一层一种或多种耐火材料。定向固化模具可以包括一层一种或多种耐火材料。耐火件的侧面可以是不同于耐火件底部的材料。定向固化模具的侧面相比于定向固化模具的底部可以为不同厚度，包含不同的材料组成，包含不同的材料量，或其组合。在一个实施方案中，定向固化模具的侧面包含热面耐火件，且定向固化模具的底部包括传导耐火件。定向固化模具的侧面可以包含氧化铝。定向固化模具的底部可以包含导热材料，例如碳化硅、石墨、钢、不锈钢、铸铁、铜，或其组合。

在一些实施方案中，包含在定向固化模具的侧面中的一种或多种材料可以从定向固化模具的外底部的高度向上延伸，并且包含在定向固化模具的底部中的一种或多种材料可以从对应于定向固化模具的一个侧面的内部的竖直位置横穿底部竖直地延伸至对应于对立侧面的内部的竖直位置。在另一个实施方案中，包含在定向固化模具的侧面中的一种或多种材料可以从定向固化模具的内底部的高度向上延伸，而包含在定向固化模具的底部中的一种或多种材料可以从对应于定向固化模具的一个侧面的外部的竖直位置横穿定向固化模具的底部竖直地延伸至对应于定向固化模具的对立侧面的外部的竖直位置。在另一个实施例中，包含在定向固化模具的侧面中的一种或多种材料可以从定向固化模具的底部的高度以上的高度向上延伸，而包含在定向固化模具的底部中的一种或多种材料可以穿过定向固化模具的底部从对应于定向固化模具的一个外侧面的竖直位置竖直地延伸至对应于定向固化模具的另一个外侧面的竖直位置，并且也向上延伸至定向固化模具的底部的高度以上的侧面。在另一个实施例中，包含在定向固化模具的侧面中的一种或多种材料可以从定向固化模具的内底部的高度向上延伸，而包含在定向固化模具的底部中的一种或多种材料可以从外壳侧面的内侧面横穿外壳的内底部竖直地延伸至外壳的对立侧面的内侧面，或者包含在定向固化模具的底部中的一种或多种材料可以从外壳的侧面的内侧面和对应于定向固化模具的外侧面的竖直位置的中间，横穿定向固化模具的底部，竖直地延伸至外壳的对立内侧面和对应于定向固化模具的对立侧面的外侧面的竖直位置的中间。

图1中所示的装置100的隔热层120可以包含隔热材料。隔热材料可以是任何合适的材料。例如，隔热材料可以为隔热砖、耐火材料、耐火材料的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温棉，或其组合。隔热板可以包括高温陶瓷板。隔热层可以包含多于一种隔热材料。包含在隔热层120中的一种或多种隔热材料可以共混、混合，或者它们可以位于隔热层的分离部分处，或其组合。一种或多种隔热材料可以以层的形式排列。在一个实施例中，隔热层可以包括多于一层一种或多种隔热材料。在另一个实施例中，隔热层可以包括一层一种或多种隔热材料。隔热层的侧面可以是不同于隔热层底部的材料。例如，隔热层的侧面相比于隔热层的底部可以为不同厚度，包含不同的材料组成，或其组合。在一个实施方案中，隔热层设置在定向固化模具的底部和外壳之间。在优选的实施方案中，隔热层至少部分地设置在定向固化模具的侧面和外壳的侧面之间，并且隔热层不设置在定向固化模具的底部和外壳的底部之间，如图1中所示。

装置100的隔热层120在图1中显示为设置在装置的外壳的侧面和装置的定向固化模具的侧面之间。如图所示，隔热层的侧面从对应于外壳的底部的内侧面的高度向上延伸。本发明的实施方案也可以包括隔热层120的构造，其中隔热层从对应于定向固化模具的内部的底部的高度向上延伸。在另一个实施例中，隔热层从外壳的底部的内侧面和外壳的底部的内侧面的高度的中间向上延伸。在另一个实施方案中，隔热层从对应于定向固化模具的内部的底部的高度以上向上延伸。

图1中所示的装置100的外壳130可以包含任何合适的材料从而围住隔热层和定向固化模具。外壳可以包含一种或多种材料。在一个实施方案中，外壳包含钢。在另一个实施方案中，外壳包含钢、不锈钢、铜、铸铁、耐火材料、耐火材料的混合物，或其组合。外壳的不同部分可以包含不同的材料、不同的材料厚度、不同的材料组成，或其组合。

在一些实施方案中，外壳可以包括结构构件。结构构件可以为装置增加强度和刚性并且可以包含任何合适的材料。例如，结构构件可以包含钢、不锈钢、铜、铸铁、耐火材料、耐火材料的混合物，或其组合。在一个实施例中，外壳可以包括一个或多个结构构件，所述一个或多个结构构件从外壳的外部以远离装置中心的方向延伸，并且围绕装置的圆周或周边水平地延伸。一个或多个水平结构构件可以设置在例如外壳的外部的上边缘处、外壳的外部的底部边缘处、外壳的外部的顶部边缘和底部边缘中间的任何位置处。在一个实施例中，装置包括三个水平结构构件，一个设置在外壳的上边缘处，一个设置在外壳的底部边缘处，一个设置在外壳的上边缘和下边缘中间。外壳可以包括在外壳的外部上的一个或多个结构构件，所述一个或多个结构构件从外壳的外部以远离装置中心的方向延伸，并且从外壳的外部的底部竖直地延伸至外壳的外部的顶部。在一个实施例中，外壳可以包括八个竖直结构构件。竖直结构构件可以围绕外壳的圆周或周边均匀地设置。在另一个实施例中，外壳包括竖直和水平结构构件两者。外壳可以包括横穿外壳的底部延伸的结构构件。底部上的结构构件可以从外壳的底部的一个外边缘延伸至外壳的底部的另一个边缘。底部上的结构构件也可以部分地横穿外壳的底部延伸。结构构件可以是条带、条棒、管道或用于为装置增加结构支撑的任何合适的结构。结构构件可以经由焊接、钎焊或任何其他合适的方法附接至外壳。结构构件可以适合于帮助装置的输送和物理操纵。例如，外壳的外部的底部上的结构构件可以为足够尺寸、强度、取向、间隔或其组合的管道，使得特定的叉车或其他起重机可以升起或移动或物理操纵装置。在另一个实施方案中，上述设置在外壳的外部上的结构构件可以替代性地或者额外地设置在外壳的内部上。

外壳130在图1中显示为在隔热层120的顶部上方延伸并且部分地覆盖定向固化模具110的顶部。然而，本发明的实施方案也包括外壳130相对于隔热层120和定向固化模具110的宽范围的各种结构构造。实施方案可以包括完全延伸至定向固化模具110的顶部的内缘的外壳130，仅部分横穿隔热层120的顶部延伸的外壳130，或不横穿隔热层120的任何部分延伸的外壳130。还包括外壳130不完全向上延伸至隔热层的外部的侧面的构造。在外壳在定向固化模具或隔热层的顶部的任何部分上方延伸的实施方案中，在顶部上方延伸的外壳部分可以包含相比于外壳的侧面和底部具有更大隔热性质的材料。在一些实施方案中，这种材料的选择可以促进在装置中形成所需的温度梯度。

图1中所示的装置100的顶部边缘被描绘成具有在大致平坦的高度处的定向固化模具110和隔热层120，并且具有在隔热层的顶部上方和部分地在定向固化层的顶部上方延伸的外壳的顶部。如上所讨论的，包括外壳的顶部、隔热层的顶部和定向固化模具的顶部的其他构造作为本发明的实施方案，包括所有合适的排列。例如，隔热层可以竖直地延伸至定向固化模具的顶部边缘以上的高度。替代性地，定向固化模具可以竖直地延伸至定向固化模具的顶部边缘以上的高度。隔热层可以部分地或完全地在定向固化模具的顶部边缘上方延伸。或者，定向固化模具可以部分地或完全地在隔热层的顶部边缘上方延伸。

图1中所示的装置100被描绘成具有定向固化模具110、隔热层120和外壳130的特定的相对厚度。然而，本发明的实施方案包括定向固化模具110、隔热件120和外壳130的任何合适的相对厚度。

图1中的装置100可以用于定向固化硅多于一次。当能够使用多于一次时，装置可以重用于定向固化而在使用之间无需修补，或者在使用之间最小量修补。最小量修补可以包括修整或完全重涂涂层，所述涂层为定向固化模具的内侧面的一部分，例如修补顶层，包括滑移面耐火涂层。本发明的实施方案还包括可以用于硅的定向固化多于两次的装置。还包括可以用于硅的定向固化多于三次、四次、五次、六次、十二次或更多次的装置。

在本发明的一些实施方案中，装置仅包括底部模具。在其他实施方案中，本发明包括底部模具和顶部加热器两者。

图2显示了本发明的实施方案。显示了装置200的剖面侧视图。装置200包括定向固化模具201，所述定向固化模具201包含至少一种耐火材料。至少一种耐火材料被构造成允许硅在模具内的定向固化。装置200还包括外壳203。此外，装置包括隔热层202，所述隔热层202至少部分地设置在定向固化模具201和外壳203之间。装置100可以用于硅的定向固化多于一次。

图2中所示的定向固化模具201包含一种或多种耐火材料。定向固化模具的侧面包含热面耐火件220。在图2中，定向固化模具的热面耐火件220从外壳的底部的内部向上延伸；如上所讨论的，包括定向固化模具的侧面的各种构造作为本发明的实施方案。热面耐火件220可以为任何合适的耐火材料。例如，热面耐火件220可以为氧化铝。

在建造本发明的底部模具装置时，可以以与施用湿水泥相似的方式施用耐火材料。可以使用拖网或其他合适的工具，包括模型从而操纵湿耐火件至所需形状，然后允许耐火材料干燥和凝固。

图2中所示的定向固化模具201的底部包含传导耐火件230。在图2中，定向固化模具的传导耐火件230在对应于定向固化模具的侧面的外部的竖直位置和对应于定向固化模具的侧面的内部的竖直位置的中间，横穿定向固化模具的底部，竖直地延伸至对应于定向固化模具的对立侧面的外部的竖直位置和对应于定向固化模具的对立侧面的外部的竖直位置的中间；如上所讨论的，包括定向固化模具的侧面的各种构造作为本发明的实施方案。传导耐火件230可以为任何合适的材料。例如，传导耐火件可以包含碳化硅。通过将传导材料设置在装置的底部上，促进定向固化模具内的熔融硅的底部的冷却。模具底部容易冷却帮助形成和控制定向固化模具的底部和顶部之间的温度梯度，允许在模具内进行从底部开始并在顶部结束的所需的定向固化。

在替代性的实施方案中，定向固化模具的底部可以包含用于元件230的任何合适的导热材料，包括碳化硅、石墨、铜、钢、不锈钢、石墨、铸铁，或其组合。正如图2中所示的实施方案，该实施方案可以包括顶层210。替代性地，该实施方案不包括顶层210。

传导耐火件230在图2中显示为在其外边缘处具有附加构件231。传导耐火件230的附加构件231将传导耐火件固定至接收狭槽232中，所述接收狭槽232设置在热面耐火件220中。将热面耐火件固定至传导耐火件防止其从装置松脱。在一个实施方案中，包括附件231和接收狭槽232。在另一个实施方案中，不包括附件231和接收狭槽232。在其他实施方案中，包括固定传导耐火件的替代性手段。

图2中所示的定向固化模具201还包括顶层210。顶层包含至少一种滑移面耐火材料。滑移面耐火材料可以包含任何合适的耐火材料。滑移面耐火材料包含熔化二氧化硅、二氧化硅、氧化铝、碳化硅、石墨，或其组合。当从模具移除定向固化的硅时，顶层210保护定向固化模具的剩余部分免受损坏。例如，图2中的定向固化模具201的剩余部分为热面耐火件220和传导耐火件230。整个顶层210可以具有大致一致的厚度和组成，如图2中所示。在其他实施方案中，顶层可以具有可变的厚度或组成。替代性地，顶层的一些部分可以具有大致一致的厚度和组成，而顶层的其他部分可以具有可变的厚度或组成。在当移除固体硅保护定向固化模具的剩余部分免受损坏时，并且在帮助固体硅的移除时，当移除硅时顶层可能部分或全部损坏。顶层可以在装置的一次或多次使用中间进行更换或修补。顶层可以以任何合适的方式施用。顶层可以以喷射或刷涂的方式施用。在另一个实施例中，顶层可以使用拖网施用，并与湿水泥相似地铺开。在施用之后，可以允许顶层干燥和凝固。在一些实施方案中，可以使用硅胶作为用于顶层的粘合剂，包括用于滑移面耐火件喷射。顶层可以在使用之前加热从而干燥并以备使用。

图2中所示的装置200的隔热层202至少部分地设置在定向固化模具201和外壳203的侧面之间。如图2中所示，具体实施方案的隔热层从外壳的底部的内部向上延伸。如上所讨论的，包括隔热层的各种构造作为本发明的实施方案。图2中所示的隔热层202包括两个层，内层240和外层250。层240和250可以包含任何合适的隔热材料。在一个实施方案中，外隔热层250包括陶瓷纸和高温陶瓷板。在一个实施方案中，外隔热层250包括陶瓷纸、高温棉、高温陶瓷板，或其组合。在一个实施方案中，内隔热层240包括隔热砖或耐火材料，其中耐火材料可以包含可铸耐火材料。

图2中所示的装置200的外壳203包含任何合适的材料。例如，外壳203包含钢或不锈钢。在图2中，外壳显示为在外层250的顶部上方并且部分地在内层240的顶部上方延伸；如上文所讨论的，包括隔热层的各种构造作为本发明的实施方案。

图2中所示的装置200包括锚固件260。锚固件可以将耐火层固定在装置中，从而防止耐火层松脱。例如，在图2中，锚固件260将热面耐火件220固定至内层240，并且可以帮助固定装置。在其他实施方案中，锚固件可以固定在外壳中并且可以通过任何数量的层延伸从而固定所述任何数量的层。在其他实施方案中，锚固件可以在任何合适的层中开始和结束。锚固件可以包含任何合适的材料。例如，锚固件可以包含钢、不锈钢或铸铁。锚固件可以为任何合适的形状，并且为任何合适的取向。通过用锚固件260，用附件231和狭槽232，用其组合，或用替代性的固定手段固定装置，所述装置可以具有更久的寿命并且可以承受更多变的处理而具有最小量的损坏。此外，用锚固件260，用附件231和狭槽232，用其组合，或用替代性的固定手段固定装置，可以帮助防止当装置倒置时层从装置脱落。

顶部加热器

在一个实施方案中，本发明还包括顶部加热器。顶部加热器可以设置在底部模具的顶部上。顶部加热器的底部的形状大致匹配底部模具的顶部的形状。顶部加热器可以向底部模具的顶部施加热量，加热其中的硅。向底部模具施加热量可以造成底部模具中的硅熔融。此外，向底部模具施加热量可以允许控制底部模具中的硅的温度。同样地，顶部加热器可以设置在底部模具的顶部上而不加热，充当隔热体从而控制热从底部模具的顶部释放。通过控制底部模具的顶部的温度或热量释放，可以更容易地实现所需的温度梯度，这可以允许更为高度受控的定向固化。最后，对温度梯度的控制可以允许更为有效的定向固化，其中所得的硅纯度达到最大。在一个实施方案中，可以使用B型热电偶从而监控炉腔内的温度。

图3显示了顶部加热器300。顶部加热器可以包括一个或多个加热构件310。一个或多个加热构件的每一者可以独立地包含任何合适的材料。例如，一个或多个加热构件的每一者可以独立地包括加热元件，其中加热元件可以包含碳化硅、二硅化钼、石墨，或其组合；并且一个或多个加热构件的每一者可以替代性地独立地包括感应加热器。在一个实施方案中，一个或多个加热构件设置在大致相同的高度处。在另一个实施方案中，一个或多个加热构件设置在不同的高度处。

在一个实施例中，加热元件包含碳化硅，碳化硅具有某些优点。例如，碳化硅加热元件在高温下在氧气的存在下不腐蚀。可以通过使用真空室减少包含腐蚀材料的加热元件的氧腐蚀，但是碳化硅加热元件可以不使用真空室而避免腐蚀。此外，碳化硅加热元件可以使用而无需水冷导线。在一个实施方案中，加热元件可以在真空室中使用、具有水冷导线，或者两者。在另一个实施方案中，加热元件可以不具有真空室使用、不具有水冷导线，或者不具有两者。

在一个实施方案中，一个或多个加热构件为感应加热器。感应加热器可以铸造在一种或多种耐火材料中。包含一个或多个感应加热线圈的耐火材料可以然后设置在底部模具上方。耐火材料可以是任何合适的材料。例如，耐火材料可以包括氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氧化铬、碳化硅、石墨，或其组合。在另一实施方案中，感应加热器不铸造在一种或多种耐火材料中。

在一个实施方案中，一个或多个加热构件具有电系统，使得如果至少一个加热构件失效，任何剩余功能性加热构件继续接收电流并且产生热量。在一个实施方案中，每个加热构件具有其自身的电路。

顶部加热器可以包括隔热件，例如图3中所示的顶部加热器300包括隔热件320。隔热件可以包含任何合适的隔热材料。隔热件可以包含一种或多种隔热材料。例如，隔热件可以包括隔热砖、耐火件、耐火件的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温棉或其混合物。隔热板可以包括高温陶瓷板。如图3中所示，隔热材料和一个或多个加热构件310的底部边缘在大致相同的高度处。包括一个或多个加热构件和隔热件的其他构造作为本发明的实施方案。例如，一个或多个加热构件可以包括感应加热器，隔热件可以包含耐火材料，并且一个或多个加热构件可以嵌入耐火材料。在该实施方案中，也可以任选地包括额外的隔热材料，其中额外的隔热件可以为耐火材料，或者额外的隔热件可以为另一种合适的隔热材料。在另一个实施例中，一个或多个加热构件可以包括感应加热器，并且加热构件可以如图3中所示的加热构件设置，或者以不嵌入耐火材料的另一种构造相似地设置。在另一个实施例中，一个或多个加热构件可以设置在隔热件的底部边缘的高度以上。在另一个实施例中，隔热件的底部边缘可以设置在一个或多个加热构件的高度以上。在一个或多个加热构件设置在不同高度处的实施方案中，隔热件的边缘可以在加热构件的高度中间，或者为上述任何其他构造。

顶部加热器可以包括外壳，例如图3中所示的顶部加热器300包括外壳330。外壳可以包含任何合适的材料。例如，外壳可以包含钢或不锈钢。在另一个实施方案中，外壳包含钢、不锈钢、铜、铸铁、耐火材料、耐火材料的混合物，或其组合。隔热件320至少部分地设置在一个或多个加热构件和外壳之间。在图3中，外壳330的底部边缘被显示为与隔热件的底部边缘和与一个或多个加热构件大致平坦。然而，正如上文关于一个或多个加热构件和隔热件所讨论的，包括外壳、隔热件和一个或多个加热构件的各种构造作为本发明的实施方案。例如，外壳的边缘可以在隔热件的边缘和一个或多个加热构件以下延伸。在另一个实施例中，外壳的边缘可以在隔热件的边缘以下、在一个或多个加热构件以下延伸，或其组合。在一个实施例中，外壳可以在隔热件的底部边缘以下延伸并且连续横穿全部或部分地覆盖隔热件的底部边缘。在一些实施方案中，覆盖隔热件的边缘的外壳部分可以包含具有相对低传导性的材料，例如合适的耐火件，例如氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氧化铬、碳化硅、石墨，或其组合。在另一个实施例中，外壳不在隔热件的底部边缘或一个或多个加热构件的高度以下延伸。在另一个实施方案中，外壳在一个或多个加热构件的高度以下延伸，但是仍然在隔热件的底部边缘以上。在一个或多个加热构件设置在不同高度处的实施方案中，外壳可以延伸至加热构件的高度中间的高度，或者为上述任何其他构造。

在一些实施方案中，顶部加热器外壳可以包括结构构件。结构构件可以为顶部加热器增加强度和刚性。结构构件可以包含钢、不锈钢、铜、铸铁、耐火材料、耐火材料的混合物，或其组合。在一个实施例中，顶部加热器外壳可以包括一个或多个结构构件，所述一个或多个结构构件从顶部加热器外壳的外部以远离顶部加热器中心的方向延伸，并且围绕顶部加热器的圆周或周边水平地延伸。一个或多个水平结构构件可以设置在例如顶部加热器外壳的外部的下边缘处、顶部加热器外壳的外部的顶部边缘处、顶部加热器外壳的外部的底部边缘和顶部边缘中间的任何位置处。在一个实施例中，顶部加热器包括三个水平结构构件，一个设置在顶部加热器外壳的底部边缘处，一个设置在顶部加热器外壳的上边缘处，一个设置在顶部加热器外壳的下边缘和上边缘中间。顶部加热器外壳可以包括在顶部加热器外壳的外部上的一个或多个结构构件，所述一个或多个结构构件从顶部加热器外壳的外部以远离顶部加热器中心的方向延伸，从顶部加热器外壳的外部的底部竖直地延伸至顶部加热器外壳的外部的顶部。在一个实施例中，顶部加热器外壳可以包括八个竖直结构构件。竖直结构构件可以围绕顶部加热器的圆周或周边均匀地设置。在另一个实施例中，顶部加热器外壳包括竖直和水平结构构件两者。顶部加热器外壳可以包括横穿顶部加热器外壳的顶部延伸的结构构件。顶部上的结构构件可以从顶部加热器外壳的顶部的一个外边缘延伸至顶部加热器外壳的顶部的另一个边缘。顶部上的结构构件也可以部分地横穿外壳的顶部延伸。结构构件可以是条带、条棒、管道或用于为顶部加热器增加结构支撑的任何合适的结构。结构构件可以经由焊接、钎焊或任何其他合适的方法附接至顶部加热器外壳。结构构件可以适合于帮助装置的输送和物理操纵。例如，顶部加热器外壳的外部的顶部上的结构构件可以为足够尺寸、强度、取向、间隔或其组合的管道，使得特定的叉车或其他起重机可以升起或移动或物理操纵顶部加热器。在另一个实施方案中，上述设置在顶部加热器外壳的外部上的结构构件可以替代性地或者额外地设置在顶部加热器外壳的内部上。在另一个实施方案中，可以使用吊车或其他起重机，使用附接至顶部加热器的链条，包括附接至顶部加热器的结构构件或顶部加热器的非结构构件的链条，移动顶部加热器。例如，四根链条可以附接至顶部加热器外壳的上边缘从而形成束带，使得吊车升起或移动顶部加热器。

冷却

如上所述，通过控制装置中的温度梯度，可以实现高度受控的定向固化。对温度梯度和相应的定向结晶的高度控制可以允许更有效的定向固化，提供更高纯度的硅。在本发明中，定向结晶大致从底部至顶部进行，因此期望的温度梯度在底部具有更低的温度，而在顶部具有更高的温度。在具有顶部加热器的实施方案中，顶部加热器是控制热量进入或从定向固化模具的顶部损失的一种方法。一些实施方案在定向固化模具中包括传导耐火材料，从而引起从装置底部的热量损失，而一些实施方案也在定向固化模具的侧面上包括隔热材料，从而防止从其热量损失并且促进形成竖直热梯度和阻止形成水平热梯度。在使用本发明的一些方法中，风扇可以横穿装置的底部，例如横穿外壳的底部鼓风，从而控制从装置底部的热损失。在使用本发明的一些方法中，使用环境空气的循环而不使用风扇从而冷却装置，包括装置的底部。

在本发明的一些实施方案中，一个或多个传热翅片可以附接至外壳的底部从而促进装置的空气冷却。风扇可以通过横穿外壳的底部鼓风从而增强冷却翅片的冷却效果。可以使用任何合适数量的翅片。一个或多个翅片可以通过翅片的表面积吸收来自装置底部的热量并且允许通过空气冷却移除热量。例如，翅片可以由铜、铸铁、钢或不锈钢制成。

在本发明的一些实施方案中，包括至少一个液体导管。至少一个液体导管被构造成允许冷却液体穿过导管，从而传递热量离开定向固化模具。冷却液体可以是任何合适的冷却液体。冷却液体可以是一种液体。冷却液体可以是多于一种液体的混合物。冷却液体可以包括水、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、油、油混合物，或其组合。

在一些实施方案中，至少一个液体导管包括管道。管道可以包含任何合适的材料。例如，管道可以包含铜、铸铁、钢、不锈钢、耐火材料、耐火材料的混合物，或其组合。至少一个液体导管可以包括通过材料的导管。导管可以通过任何合适的材料。例如，导管可以通过包含如下的材料：铜、碳化硅、石墨、铸铁、钢、不锈钢、耐火材料、耐火材料的混合物，或其组合。至少一个液体导管可以为管道和通过材料的导管的组合。在一些实施方案中，至少一个液体导管可以设置为靠近装置的底部。至少一个液体导管可以设置在装置的底部内。至少一个液体导管的位置可以包括靠近装置的底部和在装置的底部内的组合。

本发明的一些实施方案中包括的液体导管包括允许冷却液体传递热量离开定向固化模具的各种构造。可以使用泵从而移动冷却液体。可以使用冷却系统从而从冷却液体移除热量。例如，可以使用一个或多个管道，包括管。一个或多个管道可以为任何合适的形状，包括圆形、方形或扁平形。管道可以盘绕。管道可以靠近外壳的外部。在优选的实施方案中，管道可以靠近外壳的外部的底部。管道可以接触外壳使得产生足够的表面积接触，从而允许从装置有效地传递热量至冷却液体。管道可以以任何合适的方式，包括沿管道的边缘接触外壳。管道可以焊接、钎焊、锡焊，或通过任何合适的方法附接至外壳的外部。管道可以平贴至外壳的外部从而增强热量传递的效率。在一些实施方案中，至少一个液体导管是穿过底部模具的底部的一个或多个导管。穿过底部模具的底部的导管可以是嵌入包括在定向固化模具中的耐火件的管道。管道可以进入外壳的一部分，穿过定向固化模具底部处的耐火材料或传导材料或其组合，并离开外壳的另一部分。嵌入定向固化模具的底部耐火件或底部传导材料的管道可以盘绕，或者以任何合适的形状排列，包括在离开装置的底部之前前后移动一次或多次。

在另一个实施方案中，至少一个液体导管包括嵌入耐火材料、热传导材料或其组合的管道，其中所述材料为尺寸足以在其上放置装置的材料块。导管可以通过任何合适的材料。例如，导管可以通过包含如下的材料：铜、碳化硅、石墨、铸铁、钢、不锈钢、耐火材料、耐火材料的混合物，或其组合。冷却液体可以从其上设置底部模具的耐火材料移除热量，从而从装置的底部移除热量。

综述

图4显示了用于硅的定向固化的装置400的具体实施方案，包括设置在底部模具420的顶部上的顶部加热器部分。顶部加热器包括链条401，所述链条401经由竖直结构构件403中的孔402连接至顶部加热器410。链条401形成束带，所述束带可以允许通过使用吊车移动顶部加热器。也可以例如通过将装置的下半部分放置在剪刀式升降机上而将顶部加热器留在下半部分上从而移动装置。装置可以以任何合适的方式移动。竖直结构构件403从顶部加热器410的外壳的底部边缘竖直地延伸至顶部加热器410的不锈钢外壳的顶部边缘。竖直结构构件设置在顶部加热器外壳的外部上并且从外壳平行于远离顶部加热器中心的方向延伸。顶部加热器还包括水平结构构件404，所述水平结构构件404设置在顶部加热器外壳的外部上并且从外壳以平行于远离顶部加热器中心的方向延伸。顶部加热器还包括唇缘405，所述唇缘406为顶部加热器的外壳的一部分。唇缘突出远离顶部加热器的外壳。唇缘可以朝向顶部加热器的中心轴线向内延伸使其覆盖顶部加热器的隔热件至任何合适的程度。替代性地，唇缘可以向内延伸仅足以覆盖顶部加热器的外壳的底部边缘。筛箱406围住从顶部加热器的外壳突出的加热构件的端部，保护使用者免于这些构件的端部中或端部附近可能存在的热量和电流。

在图4中所示的具体实施方案中，来自底部模具420的隔热件411在顶部加热器410和底部模具420之间。底部模具的一个或多个隔热层的至少一部分延伸超过底部模具的外壳的高度。底部模具包括竖直结构构件412。竖直结构构件412在底部模具的外壳的外表面上，平行于远离底部模具中心的方向延伸远离外壳。竖直结构构件412从外壳的底部边缘竖直地延伸至外壳的顶部边缘。底部模具还包括水平结构构件413。水平结构构件413在底部模具的外壳的外表面上，平行于远离底部模具中心的方向延伸远离外壳。水平结构构件413围绕底部模具的圆周水平地延伸。底部模具还包括底部结构构件414和415。底部结构构件414和415平行于远离底部模具中心的方向延伸远离外壳。底部结构构件横穿底部模具的底部延伸。一些底部结构构件415的形状使其允许叉车或其他机器升起或物理操纵装置。

图5显示了朝向顶部加热器500的底部的图，所述顶部加热器500为用于硅的定向固化的装置的实施方案的一部分。在该具体实施方案中，外壳延伸超过顶部加热器的底部边缘处的隔热层520的一部分。加热构件530在相同高度处，并且顶部加热器510的外壳的底部边缘和隔热件520在加热元件的高度以下。

图6显示了朝向用于硅的定向固化的装置600的实施方案的定向固化模具的内部的图。在该具体实施方案中，外壳610的边缘不延伸超过隔热层620的边缘。相反，隔热层620延伸超过定向固化模具630的顶部边缘。定向固化模具的顶部边缘在隔热件620的顶部边缘和外壳610的高度以下。该实施方案的整体三维形状相似于厚壁大碗。

图7显示了通过本发明的装置和方法的实施方案制造的硅锭块700。锭块显示为具有面向上方的锭块底部701，和面向下方的锭块顶部702。在本发明的实施方案中，在通过定向结晶制造之后，锭块700在锭块顶部702处的最后凝固部分中具有最大量的杂质。因此，在一些实施方案中，锭块顶部702使用例如带锯移除，从而增加锭块700的整体纯度。

使用方法

本发明提供使用上述装置纯化硅的方法，其中所述装置可以是装置的任何实施方案。纯化硅的方法可以是制造用于切成一个或多个太阳能晶片的一个或多个硅锭块的方法。所述方法包括提供或接收第一硅。第一硅可以包含任何合适纯度级别的硅。所述方法可以包括至少部分地熔融第一硅。所述方法可以包括完全熔融第一硅。至少部分地熔融第一硅可以包括完全熔融第一硅，几乎完全熔融第一硅（超过约99重量%、95重量%、90重量%、85重量%或80重量%熔融），或部分地熔融第一硅（小于约80重量%或更少熔融）。熔融第一硅提供第一熔融硅。所述方法包括提供或接收定向固化装置。定向固化装置可以基本上相似于上文所述。所述方法包括定向地固化第一硅，从而提供第一熔融硅。在定向固化中，硅的固化大致在定向固化模具的底部开始并大致在定向固化模具的顶部结束。定向固化提供第二硅。第二硅的最后凝固部分包含相比于第一硅更大的杂质浓度。第二硅除最后凝固部分的部分包含相比于第一硅更小的杂质浓度。

第二硅可以为硅锭块。硅锭块可以适合于切成太阳能晶片，用于制造太阳能电池。硅锭块可以使用例如带锯、钢丝锯或任何合适的切割设备切成太阳能晶片。

在一些实施方案中，所述方法在真空中、在惰性气氛中或在环境空气中进行。为了在真空中或在惰性气氛中进行所述方法，所述装置可以放置在这样的室中，所述室能够形成小于大气压力的压力或者填充有具有相比于环境空气更大浓度的惰性气体的气氛。在一些实施方案中，可以将氩气泵入装置或容纳装置的室中，从而置换装置中的氧气。

在一些实施方案中，所述方法包括将上述顶部加热器设置在定向固化模具上方。底部模具，包括定向固化模具，可以在加入熔融硅之前预热。可以使用顶部加热器从而预热底部模具。预热底部模具可以帮助防止硅在模具的壁上过快固化。可以使用顶部加热器从而熔融第一硅。在硅熔融之后，可以使用顶部加热器从而传递热量至硅。当硅在定向固化模具中熔融时，在硅熔融之后，顶部加热器可以传递热量至硅。可以使用顶部加热器从而控制硅顶部的热量。顶部加热器可以用作隔热件，从而控制在底部模具的顶部处的热量损失的量。第一硅可以在装置外部，例如在炉中熔融，然后加入装置。在一些实施方案中，在加入装置之后，在装置外部熔融的硅可以使用顶部加热器进一步加热至所需温度。

在包括具有感应加热器的顶部加热器的实施方案中，硅优选地在加入底部模具之前熔融。替代性地，顶部加热器包括加热元件以及感应加热器。感应加热器对于熔融硅可以更有效。感应可以造成熔融硅的混合。在一些实施方案中，可以充分调节功率从而优化混合的量，因为过多的混合可以提高杂质的分离但是也可以在最终硅锭块中产生不期望的多孔性。

定向固化可以包括从定向固化装置的底部移除热量。热量的移除可以以任何合适的方式进行。例如，热量的移除可以包括横穿定向固化装置的底部的鼓风风扇。热量的移除可以包括允许环境空气冷却装置的底部，而不使用风扇。热量的移除可以包括使冷却液体穿过靠近装置底部的管道，穿过经过装置底部的管道，穿过经过其上设置装置的材料的管道，或其组合。从装置的底部移除热量允许在装置中建立热梯度，所述热梯度造成其中的熔融硅大致从定向固化模具的底部至模具的顶部的定向固化。

从装置的底部移除热量可以在定向固化的整个持续时间内进行。可以使用多重冷却方法。例如，装置的底部可以液体冷却和用风扇冷却。风扇冷却可以针对定向固化的一部分进行，而液体冷却针对另一部分进行，两种冷却方法之间存在任何合适量的重叠和缺失。液体冷却可以针对定向固化的一部分进行，而环境空气冷却针对另一部分单独进行，两种冷却方法之间存在任何合适量的重叠和缺失。通过将装置设置在冷却材料块上进行冷却也可以在定向固化的任何合适的持续时间内进行，包括与其他冷却方法的任何合适的组合，存在任何合适量的重叠。可以进行底部的冷却同时向顶部加入热量；例如，同时向顶部加入热量从而增加顶部的温度、维持顶部的温度，或者允许顶部特定的冷却速度。包括加热装置顶部、冷却底部及其组合（存在任何合适量的暂时重叠或缺失）的所有合适的构造和方法作为本发明的实施方案。

定向固化可以包括使用顶部加热器从而将硅加热至至少约1450°C，并在大约10至16小时内将硅顶部的温度从大约1450°C缓慢冷却至1410°C。定向固化可以包括使用顶部加热器从而将硅加热至至少约1450°C，并维持硅顶部的温度大约恒定在大约1425°C和1460°C之间大约14小时。定向固化可以包括关闭顶部加热器，允许硅冷却大约4-12小时，然后从定向固化模具移除顶部加热器。

在一个实施方案中，定向固化包括使用顶部加热器从而将硅加热至至少约1450°C，并维持硅顶部的温度大约恒定在大约1425°C和1460°C之间大约14小时。所述实施方案包括关闭顶部加热器，允许硅冷却大约4-12小时，然后从定向固化模具移除顶部加热器。

在另一个实施方案中，定向固化包括使用顶部加热器从而将硅加热至至少约1450°C，并在大约10至16小时内将硅顶部的温度从大约1450°C缓慢冷却至1410°C。所述实施方案包括关闭顶部加热器，允许硅冷却大约4-12小时，然后从定向固化模具移除顶部加热器。

所述方法可以包括从定向固化装置移除第二硅。硅通过任何合适的方法移除。例如，可以通过倒置装置并且允许第二硅从定向固化模具脱落从而移除硅。在另一个实施例中，定向固化装置从中间分开从而形成两半，允许容易地从模具移除第二硅。

所述方法可以包括从定向固化的第二硅移除任何合适的部分。优选地，移除合适的部分导致硅锭块的整体纯度的升高。例如，所述方法可以包括从定向固化的第二硅移除至少一部分的最后凝固部分。优选地，定向固化的硅的最后凝固部分为锭块顶部，因为其在底部至顶部定向固化过程中取向。最大杂质浓度通常在固化硅的最后凝固部分中产生。移除最后凝固部分因此可以从固化硅移除杂质，得到具有相比于第一硅更低的杂质浓度的经修整第二硅。移除一部分硅可以包括用带锯切割固体硅。移除一部分硅可以包括珠粒喷击清理或蚀刻。珠粒喷击清理或蚀刻也可以通常用于清理或移除第二硅的任何外表面，而不仅是最后凝固部分。

实施方案

本发明提供如下示例性实施方案：

实施方案1.用于硅的定向固化的装置，包括：

定向固化模具，所述定向固化模具包含至少一种耐火材料；

外壳；和

隔热层，所述隔热层至少部分地设置在定向固化模具和外壳之间。

实施方案2.根据实施方案1所述的装置，其中定向固化模具、外壳和隔热层被构造成用于硅的定向固化多于两次。

实施方案3.根据实施方案1-2任一项所述的装置，其中定向固化模具包括接收至少约1.4公吨硅的容量。

实施方案4.根据实施方案1-3任一项所述的装置，其中至少一种耐火材料包括氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氧化铬、碳化硅、石墨，或其组合。

实施方案5.根据实施方案1-4任一项所述的装置，其中定向固化模具的一个或多个侧壁相比于定向固化模具的底部包括不同的厚度、材料组成或材料量。

实施方案6.根据实施方案1-5任一项所述的装置，其中定向固化模具的一个或多个侧壁包括热面耐火件，并且其中定向固化模具的底部包括传导耐火件。

实施方案7.根据实施方案1-6任一项所述的装置，其中定向固化模具的一个或多个侧壁包含氧化铝，并且其中定向固化模具的底部包含碳化硅、石墨，或其组合。

实施方案8.根据实施方案1-7任一项所述的装置，其中隔热层包括隔热砖、耐火材料、隔热板、陶瓷纸、高温棉，或其组合。

实施方案9.根据实施方案1-8任一项所述的装置，其中隔热层的一个或多个侧壁相比于隔热层的底部包括不同的厚度、材料组成或材料量。

实施方案10.根据实施方案1-9任一项所述的装置，其中隔热层至少部分地设置在定向固化模具的一个或多个侧壁和外壳的一个或多个侧壁之间，并且其中隔热层不设置在定向固化模具的底部和外壳的底部之间。

实施方案11.根据实施方案1-10任一项所述的装置，其中外壳包含钢、不锈钢、铜、铸铁、耐火材料、耐火材料的混合物，或其组合。

实施方案12.根据实施方案1-11任一项所述的装置，进一步包括斜度，所述斜度足以允许从模具移除定向固化的硅。

实施方案13.根据实施方案1-12任一项所述的装置，其中外壳进一步包括一个或多个结构构件，所述结构构件包含钢、不锈钢、铜、铸铁、耐火材料、耐火材料的混合物，或其组合。

实施方案14.根据实施方案1-13任一项所述的装置，进一步包括至少一个液体管道，所述液体管道的尺寸和形状允许冷却液体穿过所述液体管道并且传递热量远离定向固化模具。

实施方案15.根据实施方案14所述的装置，进一步包括冷却液体，所述冷却液体选自水、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、油、油混合物，或其组合。

实施方案16.根据实施方案14-15任一项所述的装置，其中至少一个液体导管包含铜、铸铁、钢、不锈钢、耐火材料、耐火材料的混合物，或其组合。

实施方案17.根据实施方案14-16任一项所述的装置，其中至少一个液体导管设置于靠近定向固化模具的底部部分、外壳或隔热层，或者设置在定向固化模具的底部部分、外壳或隔热层内。

实施方案18.根据实施方案1-17任一项所述的装置，其中定向固化模具包括顶层，所述顶层包含至少一种滑移面耐火材料，当从定向固化模具移除定向固化的硅时，所述顶层被构造成保护定向固化模具的剩余部分免受损坏。

实施方案19.根据实施方案18所述的装置，其中整个顶层包括基本一致的厚度和组成。

实施方案20.根据实施方案18-19任一项所述的装置，其中至少一个滑移面耐火件包含熔化二氧化硅、二氧化硅、氧化铝、碳化硅、石墨，或其组合。

实施方案21.根据实施方案18-20任一项所述的装置，其中顶层被构造成在硅的第一次定向固化和硅的第二次定向固化之间进行更换或修补。

实施方案22.根据实施方案1-21任一项所述的装置，进一步包括顶部加热器，所述顶部加热器包括一个或多个加热构件，所述一个或多个加热构件包括加热元件或感应加热器。

实施方案23.根据实施方案22所述的装置，其中加热元件包含碳化硅、二硅化钼、石墨，或其组合。

实施方案24.根据实施方案22-23任一项所述的装置，进一步包括电系统，所述电系统被构造成向一个或多个加热构件供应电力，所述电系统联接至加热构件，使得如果任何一个加热元件失效，任何剩余加热元件继续接收电流并且产生热量。

实施方案25.根据实施方案22-24任一项所述的装置，其中顶部加热器进一步包括隔热件，所述隔热件包括隔热砖、耐火件、耐火件的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温棉，或其混合物。

实施方案26.根据实施方案22-25任一项所述的装置，其中顶部加热器进一步包括外壳，其中隔热件至少部分地设置在一个或多个加热元件和顶部加热器外壳之间。

实施方案27.根据实施方案26所述的装置，其中顶部加热器外壳进一步包括一个或多个结构构件，所述结构构件包含钢、不锈钢、铜、铸铁、耐火材料、耐火材料的混合物，或其组合。

实施方案28.根据实施方案26-27任一项所述的装置，其中顶部加热器外壳包含不锈钢。

实施方案29.根据实施方案1-28任一项所述的装置，被构造成使得第一半可以沿着竖缝与第二半分离，足以移除定向固化的硅，和

其中第一半和第二半可以结合从而形成装置，并且装置可以重用。

实施方案30.纯化硅的方法，包括：

提供或接收第一硅；

至少部分地熔融第一硅，从而提供第一熔融硅；和

在根据实施方案1-29任一项所述的定向固化装置中定向固化第一熔融硅，从而提供第二硅。

实施方案31.纯化硅的方法，包括：

提供或接收第一硅；

提供或接收定向固化装置，其中所述装置包括：

定向固化模具，所述定向固化模具包含至少一种耐火材料；

外壳；和

隔热层，所述隔热层至少部分地设置在定向固化模具和外壳之间；

至少部分地熔融第一硅，从而提供第一熔融硅；和

在定向固化模具中定向固化第一熔融硅从而提供第二硅。

实施方案32.根据实施方案31所述的方法，其中纯化硅的方法可以是制造用于切成一个或多个太阳能晶片的一个或多个硅锭块的方法。

实施方案33.根据实施方案31-32任一项所述的方法，进一步包括将加热器设置在定向固化模具上方，包括将选自加热元件和感应加热器的一个或多个加热构件设置在定向固化模具上方。

实施方案34.根据实施方案31-33任一项所述的方法，进一步包括将第一熔融硅加入至定向固化装置，

其中熔融第一硅包括在定向固化装置外部熔融第一硅。

实施方案35.根据实施方案31-34任一项所述的方法，其中熔融第一硅包括在定向固化之前在定向固化装置内部熔融第一硅。

实施方案36.根据实施方案31-35任一项所述的方法，其中定向固化第一熔融硅包括从定向固化装置的底部移除热量。

实施方案37.根据实施方案31-36任一项所述的方法，进一步包括从定向固化装置移除第二硅。

实施方案38.根据实施方案33-37任一项所述的方法，其中加热元件包含碳化硅、二硅化钼、石墨，或其组合。

实施方案39.根据实施方案33-38任一项所述的方法，其中定向固化第一熔融硅包括：

使用顶部加热器从而将硅加热至至少约1450°C；和

在大约10至16小时之内将硅的顶部部分的温度从大约1450°C缓慢冷却至1410°C。

实施方案40.根据实施方案33-39任一项所述的方法，其中定向固化第一熔融硅包括：

使用顶部加热器从而将硅加热至至少约1450°C；和

维持硅顶部的温度大约恒定在大约1425°C和1460°C之间大约14小时。

实施方案41.根据实施方案33-40任一项所述的方法，其中定向固化第一熔融硅包括：

关闭顶部加热器；

允许硅冷却大约4-12小时；和

从定向固化模具移除顶部加热器。

实施方案42.根据实施方案36-41任一项所述的方法，其中从定向固化装置的底部移除热量包括用一个或多个风扇冷却装置的底部。

实施方案43.根据实施方案36-42任一项所述的方法，其中从定向固化装置的底部移除热量包括用冷却液体冷却装置的底部。

实施方案44.根据实施方案37-43任一项所述的方法，进一步包括从定向固化的第二硅移除至少一部分最后凝固部分。

实施方案45.用于硅的定向固化的装置，包括：

定向固化模具，所述定向固化模具包含耐火材料，

其中定向固化模具的一个或多个侧壁包含氧化铝；

其中定向固化模具的底部包含碳化硅、石墨，或其组合；

顶层，所述顶层包括滑移面耐火件，当从模具移除定向固化的硅时，顶层被构造成保护定向固化模具的剩余部分免受损坏；

外壳，所述外壳包含钢；

隔热层，所述隔热层包括隔热砖、耐火材料、耐火材料的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温棉，或其混合物，隔热层至少部分地设置在定向固化模具的一个或多个侧壁和外壳的一个或多个侧壁之间；

顶部加热器，包括：

一个或多个加热构件，每个加热构件包括加热元件或感应加热器；

其中加热元件包含碳化硅、二硅化钼、石墨，或其组合；

隔热件，所述隔热件包括隔热砖、耐火件、耐火件的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温棉，或其组合；

外壳，所述外壳包含不锈钢；

其中隔热件至少部分地设置在一个或多个加热构件和顶部加热器外壳之间；

其中定向固化模具、外壳和隔热层被构造成用于硅的定向固化多于两次。

实施例

实施例1

碳化硅电阻元件用在顶部加热器中，所述顶部加热器用高温棉隔热体和钢壳隔热。将熔融硅（1.4吨）浇注在装置的耐火件内衬的预热底部部分中。装置具有氧化铝耐火件壁，所述氧化铝耐火件壁包括斜度从而允许硅在冷却之后倒出。耐火件的壁涂布有薄滑移面的氧化铝耐火件然后涂布有第二层Si₃N₄粉末。定向固化模具的底部由碳化硅耐火件制成并且钢壳的外部用外壳底部上的鼓风风扇冷却。加热器设定在1450°C保持14小时，然后关闭元件。六小时之后移除顶部加热器部分并且允许硅冷却至室温。翻转模具。将1.4吨锭块切成两半并且将锭块的顶部25%切除从而移除杂质。晶粒为约1-2cm宽和3-10cm高，与来自布里奇曼方法的标准锭块相似以竖直方向形成柱状物。

实施例2

碳化硅电阻元件用在顶部加热器中，所述顶部加热器用高温棉隔热体和钢壳隔热。将熔融硅（0.7吨）浇注在装置的耐火件内衬的预热底部部分中。装置具有氧化铝耐火件壁，所述氧化铝耐火件壁包括中间模缝线从而移除硅锭块。耐火件的壁涂布有薄滑移面的SiO₂耐火件。定向固化模具的底部由石墨制成并且钢壳的外部用外壳底部上的鼓风风扇冷却。加热器设定在1450°C保持12小时，然后关闭元件。六小时之后移除顶部加热器部分并且允许硅冷却至室温。在模缝线处打开模具。将0.7吨锭块切成两半并且将锭块的顶部15%切除从而移除杂质。晶粒为约1cm宽和3-10cm高，与来自布里奇曼方法的标准锭块相似以竖直方向形成柱状物。

所有出版物、专利和专利申请以引用的方式并入本文。虽然在上文中已经根据某些优选的实施方案描述所公开的主题，并且已经出于说明的目的陈述了许多细节，对于本领域技术人员显然的是所公开的主题允许另外的实施方案，且本文描述的一些细节可以在不偏离所公开的主题的基本原则的情况下进行明显变化。

Claims (23)

1.用于硅的定向固化的装置，包括：

定向固化模具，所述定向固化模具包含至少一种耐火材料；

外壳；和

隔热层，所述隔热层至少部分地设置在所述定向固化模具和所述外壳之间，

其中所述外壳在隔热层的上方延伸并且至少部分地覆盖定向固化模具的顶部；其中所述隔热层与定向固化模具的至少一部分、外壳的内侧表面的一部分、和外壳的内底表面的至少一部分接触，和

其中所述隔热层不设置于定向固化模具的底部和外壳的内底表面之间，所述定向固化模具与外壳的内底表面的至少一部分接触。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述定向固化模具、外壳和隔热层构造成用于硅的定向固化多于两次。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的装置，其中所述定向固化模具的一个或多个侧壁相比于定向固化模具的底部包括不同的厚度、材料组成或材料量。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的装置，其中所述定向固化模具的一个或多个侧壁包括热面耐火件，并且其中所述定向固化模具的底部包括传导耐火件。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的装置，其中所述定向固化模具的一个或多个侧壁包含氧化铝，并且其中所述定向固化模具的底部包含碳化硅、石墨或其组合。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的装置，其中所述隔热层的一个或多个侧壁相比于隔热层的底部包括不同的厚度、材料组成或材料量。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述隔热层至少部分地设置在定向固化模具的一个或多个侧壁和外壳的一个或多个侧壁之间。

8.根据权利要求1至2中任一项所述的装置，其中所述外壳包含钢、铜、铸铁、耐火材料、或耐火材料的混合物，或它们的组合。

9.根据权利要求1至2中任一项所述的装置，其中所述外壳包含不锈钢。

10.根据权利要求1至2中任一项所述的装置，进一步包括至少一个液体管道，所述液体管道的尺寸和形状允许冷却液体穿过所述液体管道并且传递热量远离定向固化模具。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述至少一个液体导管设置于靠近定向固化模具的底部、外壳的外部，或者设置在定向固化模具的底部内。

12.根据权利要求1至2中任一项所述的装置，其中所述定向固化模具包括顶层，所述顶层包含至少一种滑移面耐火材料，所述顶层构造成当从定向固化模具移除定向固化的硅时保护定向固化模具的剩余部分免受损坏。

13.根据权利要求1至2中任一项所述的装置，进一步包括顶部加热器，所述顶部加热器包括一个或多个加热构件，所述一个或多个加热构件包括加热元件或感应加热器，所述加热元件表示当允许电流过材料时产生热的材料片，所述感应加热器表示经由材料中的电流感应向所述材料加热的加热器。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述顶部加热器进一步包括隔热件，所述隔热件包括隔热砖、耐火件、耐火件的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温棉，或其混合物。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述顶部加热器进一步包括外壳，其中所述隔热件至少部分地设置在一个或多个加热元件和顶部加热器外壳之间。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述顶部加热器外壳包括不锈钢。

17.制备用于切成一个或多个太阳能晶片的一个或多个硅锭块的方法，包括：

提供或接收第一硅；

提供或接收定向固化装置，其中所述装置包括：

定向固化模具，所述定向固化模具包含至少一种耐火材料；

外壳；和

隔热层，所述隔热层至少部分地设置在定向固化模具和外壳之间，其中所述外壳在隔热层的上方延伸并且至少部分地覆盖定向固化模具的顶部，其中所述隔热层与定向固化模具的至少一部分、外壳的内侧表面的一部分、和外壳的内底表面的至少一部分接触，和其中所述隔热层不设置于定向固化模具的底部和外壳的内底表面之间，所述定向固化模具与外壳的内底表面的至少一部分接触；

至少部分地熔融第一硅，从而提供第一熔融硅；和

在定向固化模具中定向固化第一熔融硅从而提供第二硅。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括将加热器设置在定向固化模具上方，包括将选自加热元件和感应加热器的一个或多个加热构件设置在定向固化模具上方，所述加热元件表示当允许电流过材料时产生热的材料片，所述感应加热器表示经由材料中的电流感应向所述材料加热的加热器。

19.根据权利要求17至18中任一项所述的方法，进一步包括将第一熔融硅加入定向固化装置中，

其中熔融第一硅包括在定向固化装置外部熔融第一硅。

20.根据权利要求17至18中任一项所述的方法，其中熔融第一硅包括在定向固化之前在定向固化装置内部熔融第一硅。

21.根据权利要求17至18中任一项所述的方法，其中定向固化第一熔融硅包括从定向固化装置的底部移除热量。

22.根据权利要求21所述的方法，其中从定向固化装置的底部移除热量包括用一个或多个风扇冷却装置的底部。

23.用于硅的定向固化的装置，包括：

定向固化模具，所述定向固化模具包含耐火材料，

其中所述定向固化模具的一个或多个侧壁包含氧化铝；

其中所述定向固化模具的底部包含碳化硅、石墨，或其组合；

顶层，所述顶层包括滑移面耐火件，所述顶层构造成当从模具移除定向固化的硅时保护定向固化模具的剩余部分免受损坏；

外壳，所述外壳包含不锈钢；

隔热层，所述隔热层包括隔热砖、耐火材料、耐火材料的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温棉，或其混合物，所述隔热层至少部分地设置在定向固化模具的一个或多个侧壁和外壳的一个或多个侧壁之间，其中所述外壳在隔热层的上方延伸并且至少部分地覆盖定向固化模具的顶部，其中所述隔热层与定向固化模具的至少一部分、外壳的内侧表面的一部分、和外壳的内底表面的至少一部分接触，和其中所述隔热层不设置于定向固化模具的底部和外壳的内底表面之间，所述定向固化模具与外壳的内底表面的至少一部分接触；和

顶部加热器，包括：

一个或多个加热构件，每个加热构件包括加热元件或感应加热器；

其中所述加热元件包含碳化硅、二硅化钼、石墨，或其组合，其中所述加热元件表示当允许电流过材料时产生热的材料片，所述感应加热器表示经由材料中的电流感应向所述材料加热的加热器；

隔热件，所述隔热件包括隔热砖、耐火件、耐火件的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温棉，或其组合；

顶部加热器外壳，所述顶部加热器外壳包含不锈钢；

其中所述隔热件至少部分地设置在一个或多个加热构件和顶部加热器外壳之间；

其中所述定向固化模具、外壳和隔热层构造成用于硅的定向固化多于两次。