CN103541003A - 多晶硅铸锭炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够使铸锭的电阻率均匀分布的多晶硅铸锭炉。该多晶硅铸锭炉的进气管的出气口延伸至靠近坩埚内壁的位置并且从出气口喷出的气流的中心轴线与坩埚的中心轴线之间的夹角为20℃～30℃，当氩气从进气管的出气口喷出时是斜向下喷向硅液表面的，由原来的直吹改为斜吹，而且从出气口喷出的气流的中心轴线和坩埚的中心轴线为异面直线，因此，斜向下喷出的气流会带动坩埚内的硅液旋转，从而使硅液中含有的杂质在硅溶液中得到充分扩散，使液相成分分布均匀，避免凝固后的铸锭中存在杂质富集区，保证铸锭的电阻率分布均匀，而且坩埚内的硅液被搅动，可以促使硅液中含有的可挥发杂质尽快挥发。适合在多晶硅生产设备领域推广应用。

Description

多晶硅铸锭炉

技术领域

本发明涉及多晶硅生产设备领域，尤其是一种多晶硅铸锭炉。

背景技术

太阳能电池可以将光能转换为电能，是现代节能社会发展的一个重点。根据基体材料的不同，现有的太阳能电池分为多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池和类单晶硅太阳能电池。其中，单晶硅太阳能电池的转化效率高，但生产成本也高，多晶硅太阳能电池的转化效率比单晶硅太阳能电池低1%-2%，但其生产成本也低，而类单晶硅太阳能电池是介于单晶硅电池和多晶硅太阳能电池之间的电池。综合考虑，目前市场上的太阳能电池仍以多晶硅太阳能电池为主。

现有用于生产多晶硅太阳能电池的多晶硅锭通常采用铸锭工艺制的，铸锭工艺一般是通过多晶硅铸锭炉实现的，现有的多晶硅铸锭炉包括，包括炉体，炉体上设置有抽气孔，所述炉体内设置有下托保温板与保温罩，保温罩放置在下托保温板上，保温罩与下托保温板共同构成保温隔热笼，所述保温罩上连接有能够使保温罩上下移动的升降杆，所述保温隔热笼内设置有坩埚、坩埚护板、石墨底板、石墨盖板、侧部加热器、顶部加热器、热交换平台，所述石墨底板放置在热交换平台上，坩埚放置在石墨底板上，坩埚护板设置在坩埚外侧，侧部加热器设置在坩埚护板的外侧，石墨盖板设置在坩埚上方，顶部加热器设置在石墨盖板上方，所述热交换平台通过石墨立柱固定在炉体底部，坩埚护板的上端设置有尾气排放孔，还包括进气管，所述进气管依次穿过炉体、保温罩、顶部加热器、石墨盖板后伸入坩埚内。

目前的铸锭工艺，首先是经过喷涂-装料工序后，再进入铸锭工序。

喷涂：硅料高温熔化后会与坩埚发生反应，引入杂质，并且造成粘锅，影响硅锭的质量，所以需要在坩埚与硅料之间喷涂一层氮化硅溶液，利用氮化硅可以有效的隔离硅料与坩埚，氮化硅溶液喷涂完成以后，再进行高温烘干，将氮化硅溶液中的水分蒸发，就可以使坩埚内壁附着一层氮化硅涂层。

装料：坩埚烘干以后，将散碎的硅料，按顺序、要求及重量将硅料装入坩埚中。

装完料的坩埚就可以进行下一步的铸锭工艺，首先将装好料的坩埚装入铸锭炉的炉体内，按要求装好后，将铸锭炉合盖，合盖以后的铸锭炉，就形成一个密封的腔室，将装好硅料的坩埚密封在铸锭炉内部，开始运行铸锭工艺，整个铸锭工艺分6个过程，抽真空-加热-熔化-长晶-退火-冷却。

S11、抽真空：将炉体内的空气从抽气孔抽走，防止升温的过程中空气中的氧气与硅料发生氧化反应，影响硅锭质量。抽真空是利用真空泵将炉体内的空气抽出，直到达到设备开启要求。

S12、加热：抽真空完成以后，进入加热阶段，加热是为了快速使硅料升温接近熔化温度，此时炉腔内的环境为真空环境，可以有利于将附着在硅料表面的水蒸气，通过抽真空的方法抽出，并且快速升温。

S13、熔化：熔化过程中，需要在密封的腔室内填充氩气，避免附着在坩埚内壁的氮化硅涂层发生分解反应，氩气是通过进气管充入炉体内。熔化开始后，炉体内开始充气，按工艺程序充气到规定压力后，开始动态保持。

S14、长晶：熔化完成的硅料，开始进行长晶，长晶的过程是将炉体内部的保温罩向上升，液态硅从底部开始散热，底部的液态硅变成固态硅，并伴随着保温罩的上升及热量的散失，缓慢向上凝固，直至整个硅锭凝固完成。

S15、退火：由于长晶过程在底部开始，并伴随保温罩升起，直至顶部，这样顶底之间因为散热的原因，就会存在一定得温度差，产生内应力。退火的作用就是在保证恒温环境下，消除温度差，从而消除内应力。

S16、冷却：在炉腔内快速冷却硅锭到出炉温度。

从上述工艺过程中不难看出，现有工艺是通过在熔化过程中采用自由挥发状态将硅溶液中的易挥发杂质挥发掉。但是，硅料熔化后时间过长会导致坩埚内部氮化硅涂层的破坏，所以，一般硅料熔化完成后就会开始降温到长晶温度，自由挥发时间较短，大部分的可挥发杂质还没有进行挥发，就进入长晶阶段，将杂质凝固在硅锭中，而且此时硅液的粘度较大，不可挥发的杂质以及可挥发的杂质没有在硅溶液中得到充分扩散，液相成分分布不均，导致凝固后的铸锭中存在杂质富集区，致使铸锭的电阻率分布不均匀，严重影响到铸锭本身的质量和性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够使铸锭的电阻率均匀分布的多晶硅铸锭炉。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该多晶硅铸锭炉，包括炉体，炉体上设置有抽气孔，所述炉体内设置有下托保温板与保温罩，保温罩放置在下托保温板上，保温罩与下托保温板共同构成保温隔热笼，所述保温罩上连接有能够使保温罩上下移动的升降杆，所述保温隔热笼内设置有坩埚、坩埚护板、石墨底板、石墨盖板、侧部加热器、顶部加热器、热交换平台，所述石墨底板放置在热交换平台上，坩埚放置在石墨底板上，坩埚护板设置在坩埚外侧，侧部加热器设置在坩埚护板的外侧，石墨盖板设置在坩埚上方，顶部加热器设置在石墨盖板上方，所述热交换平台通过石墨立柱固定在炉体底部，坩埚护板的上端设置有尾气排放孔，还包括进气管，所述进气管依次穿过炉体、保温罩、顶部加热器、石墨盖板后伸入坩埚内，所述进气管的出气口延伸至靠近坩埚内壁的位置并且从出气口喷出的气流的中心轴线与坩埚的中心轴线之间的夹角为20℃～30℃，从出气口喷出的气流的中心轴线和坩埚的中心轴线为异面直线。

进一步的是，从出气口喷出的气流的中心轴线与坩埚的中心轴线之间的夹角为28℃。

进一步的是，所述石墨盖板上设置有多个通孔。

进一步的是，所述炉体底部安装有溢流毯，所述溢流毯为四层结构，从上到下依次为针织陶瓷纤维毯层、针织陶瓷纤维毯层、陶瓷纤维毯层、碳毡层，所述针织陶瓷纤维毯层的厚度为10mm、针织陶瓷纤维毯层的厚度为10mm、陶瓷纤维毯层的厚度为25mm、碳毡层的厚度为10mm。

进一步的是，所述溢流毯的上表面安装有溢流丝。

进一步的是，在相邻的石墨立柱之间均设置有溢流丝。

进一步的是，所述下托保温板上设置有多个溢流孔。

进一步的是，所述坩埚与坩埚护板之间设置有碳毡。

进一步的是，所述尾气排放孔为圆孔。

本发明的有益效果是：本发明所述进气管的出气口延伸至靠近坩埚内壁的位置并且从出气口喷出的气流的中心轴线与坩埚的中心轴线之间的夹角为20℃～30℃，当氩气从进气管的出气口喷出时是斜向下喷向硅液表面的，由原来的直吹改为斜吹，而且从出气口喷出的气流的中心轴线和坩埚的中心轴线为异面直线，因此，斜向下喷出的气流会带动坩埚内的硅液旋转，从而使硅液中含有的杂质在硅溶液中得到充分扩散，使液相成分分布均匀，避免凝固后的铸锭中存在杂质富集区，保证铸锭的电阻率分布均匀，而且坩埚内的硅液被搅动，可以促使硅液中含有的可挥发杂质尽快挥发，从而保证铸锭本身的质量和性能。

附图说明

图1是本发明多晶硅铸锭炉的结构示意图；

图2是本发明所述石墨盖板的结构示意图；

图3是本发明所述溢流毯的结构示意图；

图4是本发明所述坩埚护板的结构示意图；

图中标记为：炉体1、抽气孔2、下托保温板3、保温罩4、升降杆5、坩埚6、坩埚护板7、石墨底板8、石墨盖板9、侧部加热器10、顶部加热器11、热交换平台12、尾气排放孔13、进气管14、出气口15、通孔17、溢流毯18、溢流丝19、溢流孔20、碳毡21、石墨立柱22。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1至4所示，该多晶硅铸锭炉，包括炉体1，炉体1上设置有抽气孔2，所述炉体1内设置有下托保温板3与保温罩4，保温罩4放置在下托保温板3上，保温罩4与下托保温板3共同构成保温隔热笼，所述保温罩4上连接有能够使保温罩4上下移动的升降杆5，所述保温隔热笼内设置有坩埚6、坩埚护板7、石墨底板8、石墨盖板9、侧部加热器10、顶部加热器11、热交换平台12，所述石墨底板8放置在热交换平台12上，坩埚6放置在石墨底板8上，坩埚护板7设置在坩埚6外侧，侧部加热器10设置在坩埚护板7的外侧，石墨盖板9设置在坩埚6上方，顶部加热器11设置在石墨盖板9上方，所述热交换平台12通过石墨立柱22固定在炉体1底部，坩埚护板7的上端设置有尾气排放孔13，还包括进气管14，所述进气管14依次穿过炉体1、保温罩4、顶部加热器11、石墨盖板9后伸入坩埚6内，所述进气管14的出气口15延伸至靠近坩埚6内壁的位置并且从出气口15喷出的气流的中心轴线与坩埚6的中心轴线之间的夹角为20℃～30℃，从出气口15喷出的气流的中心轴线和坩埚6的中心轴线为异面直线。本发明所述进气管14的出气口15延伸至靠近坩埚6内壁的位置并且从出气口15喷出的气流的中心轴线与坩埚6的中心轴线之间的夹角为20℃～30℃，当氩气从进气管14的出气口15喷出时是斜向下喷向硅液表面的，由原来的直吹改为斜吹，而且从出气口15喷出的气流的中心轴线和坩埚6的中心轴线为异面直线，因此，斜向下喷出的气流会带动坩埚6内的硅液旋转，从而使硅液中含有的杂质在硅溶液中得到充分扩散，使液相成分分布均匀，避免凝固后的铸锭中存在杂质富集区，保证铸锭的电阻率分布均匀，，而且坩埚6内的硅液被搅动，可以促使硅液中含有的可挥发杂质尽快挥发，从而保证铸锭本身的质量和性能。

在上述实施方式中，为了使氩气尽可能能够推动坩埚6内的硅液旋转，从出气口15喷出的气流的中心轴线与坩埚6的中心轴线之间的夹角为28℃，可以使坩埚6内的硅液更快的旋转，使液相成分分布更加均匀，并且促使硅液中含有的可挥发杂质尽快挥发。

在长晶过程中，坩埚6内部从上到下需具有一定的温度梯度，即坩埚6内的温度从上向下逐渐减小，温度梯度变化越明显，铸锭的生长速度越快，坩埚6内上部的温度主要是靠顶部加热器11提供，顶部加热器11的热量透过石墨盖板9后再传递到坩埚6内，由于经过石墨盖板9的阻隔，石墨盖板9上方的温度要高于石墨盖板9下方的温度，由于现有的多晶硅铸锭炉的侧部加热器10和顶部加热器11都是统一控制的，而且在长晶阶段，温度必须控制在一定的范围，这就是使得侧部加热器10和顶部加热器11都只能以相同的功率工作，也就是说侧部加热器10和顶部加热器11提供的热量是一定的，若要使坩埚6内上部的温度较高，就必须使更多热量能够透过石墨盖板9传递到坩埚6内，从而使坩埚6内温度梯度变化明显，本发明提供了一种简单有效的方式来达到坩埚6内温度梯度变化明显的目的，即在所述石墨盖板9上设置有多个通孔17，通过在石墨盖板9上设置多个通孔17，顶部加热器11的热量可以毫无阻隔的通过通孔17传递到坩埚6内，使得坩埚6内上部的温度相对于原来而言能够有所提高，从而使坩埚6内的温度梯度变化明显，进而增加铸锭的生长速度，这种方式只需在原有的石墨盖板9上打几个通孔17即可，基本不会增加成本，同时改装也很方便。

多晶硅铸锭炉在使用过程中，有时会发生硅液溢流的现象，一旦发生硅液溢流，溢流出的硅液会沿热交换平台12流到下方的下托保温板3上，接着硅液再从下托保温板3的边缘滴落到炉体1的底部，由于硅液温度较高，硅液很容易将炉体1烧穿从而引发事故，为了避免溢流的硅液将炉体1烧穿，所述炉体1底部安装有溢流毯18，溢流毯18将溢流出的硅液与炉体1隔开，有效避免了硅液将炉体1烧穿，即使硅液将溢流毯18烧穿，此时硅液的温度也较低，不会对炉体1造成太大的损失。为了防止硅液将溢流毯18烧穿，所述溢流毯18为四层结构，从上到下依次为针织陶瓷纤维毯层、针织陶瓷纤维毯层、陶瓷纤维毯层、碳毡层，所述针织陶瓷纤维毯层的厚度为10mm、针织陶瓷纤维毯层的厚度为10mm、陶瓷纤维毯层的厚度为25mm、碳毡层的厚度为10mm。

为了使操作人员及时知晓是否发生了硅液溢流，所述溢流毯18的上表面安装有溢流丝19，一旦发生硅液溢流，溢流出的硅液落在溢流毯18后就会将安装在溢流毯18表面的溢流丝19烧断，溢流丝19烧断后会发出报警信号，提示操作人员进行相关操作。由于溢流的硅液很容易沿石墨立柱22向下流，因此，为了能够及时快速的监测溢流现象的发生，在相邻的石墨立柱22之间均设置有溢流丝19。由于溢流的硅液流到下托保温板3后要流到下托保温板3的边缘才能继续向下流，这样就导致溢流现象发生一段时间后才能监测到，这样就增加了发生事故的几率，因此，为了及时快速的监测是否发生了硅液溢流现象，所述下托保温板3上设置有多个溢流孔20，通过在下托保温板3上设置溢流孔20，当硅液流到下托保温板3后可以直接从溢流孔20流到下方的溢流毯18上，进而将设置在溢流毯18上设置的溢流丝19烧断，从而达到快速监测的目的。

另外，为了使坩埚6受热更加均匀，所述坩埚6与坩埚护板7之间设置有碳毡21，侧部加热器10的热量透过坩埚护板7后再透过碳毡21传递给坩埚6，由于碳毡21具有较好的隔热保温性能，因此，热量不会快速透过碳毡21传递到坩埚6内，这样可以使热量在透过碳毡21时得到均化，从而使坩埚6受热均匀，可以提高产品的合格率。

为了更好的有利于杂质的挥发，所述尾气排放孔13为圆孔，原有的尾气排放孔13为方形槽孔，尾气从方形槽孔排出时，尾气的气流方向比较散乱，不规律，不利于杂质的挥发，将其改为圆孔后，可以使尾气的气流方向有规律，从而有利于杂质的挥发。

Claims (9)

1.多晶硅铸锭炉，包括炉体（1），炉体（1）上设置有抽气孔（2），所述炉体（1）内设置有下托保温板（3）与保温罩（4），保温罩（4）放置在下托保温板（3）上，保温罩（4）与下托保温板（3）共同构成保温隔热笼，所述保温罩（4）上连接有能够使保温罩（4）上下移动的升降杆（5），所述保温隔热笼内设置有坩埚（6）、坩埚护板（7）、石墨底板（8）、石墨盖板（9）、侧部加热器（10）、顶部加热器（11）、热交换平台（12），所述石墨底板（8）放置在热交换平台（12）上，坩埚（6）放置在石墨底板（8）上，坩埚护板（7）设置在坩埚（6）外侧，侧部加热器（10）设置在坩埚护板（7）的外侧，石墨盖板（9）设置在坩埚（6）上方，顶部加热器（11）设置在石墨盖板（9）上方，所述热交换平台（12）通过石墨立柱（22）固定在炉体（1）底部，坩埚护板（7）的上端设置有尾气排放孔（13），还包括进气管（14），所述进气管（14）依次穿过炉体（1）、保温罩（4）、顶部加热器（11）、石墨盖板（9）后伸入坩埚（6）内，其特征在于：所述进气管（14）的出气口（15）延伸至靠近坩埚（6）内壁的位置并且从出气口（15）喷出的气流的中心轴线与坩埚（6）的中心轴线之间的夹角为20℃～30℃，从出气口（15）喷出的气流的中心轴线和坩埚（6）的中心轴线为异面直线。

2.如权利要求1所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：从出气口（15）喷出的气流的中心轴线与坩埚（6）的中心轴线之间的夹角为28℃。

3.如权利要求1或2所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述石墨盖板（9）上设置有多个通孔（17）。

4.如权利要求3所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述炉体（1）底部安装有溢流毯（18），所述溢流毯（18）为四层结构，从上到下依次为针织陶瓷纤维毯层、针织陶瓷纤维毯层、陶瓷纤维毯层、碳毡层，所述针织陶瓷纤维毯层的厚度为10mm、针织陶瓷纤维毯层的厚度为10mm、陶瓷纤维毯层的厚度为25mm、碳毡层的厚度为10mm。

5.如权利要求4所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述溢流毯（18）的上表面安装有溢流丝（19）。

6.如权利要求5所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：在相邻的石墨立柱（22）之间均设置有溢流丝（19）。

7.如权利要求6所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述下托保温板（3）上设置有多个溢流孔（20）。

8.如权利要求7所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述坩埚（6）与坩埚护板（7）之间设置有碳毡（21）。

9.如权利要求8所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述尾气排放孔（13）为圆孔。

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