CN103696002B - 电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构，包括顶部电阻热源、侧部电磁热源、隔热笼和DS块，顶部电阻热源水平布置于隔热笼顶部的下方，石墨支撑板位于顶部电阻热源的下方并竖直布置于坩埚的壁的外面，线圈围绕隔热笼侧壁的外面放置，DS块位于坩埚的下方，热场结构位于铸锭炉的内部。在硅料融化和硅晶体生长阶段中使用本发明结构的方法，可以提供水平的硅料融化界面及微凸的硅晶体生长界面。本热场结构结合了电磁感应加热和电阻加热的优点，侧部电磁热源提供不均匀的侧部热量，顶部电阻热源在水平面上提供均匀的热量，从而形成了均衡热的热量分布，控制了硅料融化界面和/或硅晶体生长界面，对类单晶和/或高效多晶的生产制备具有很好的作用。

Description

电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构及使用方法

技术领域

本发明涉及太阳能硅锭制造领域，特别涉及一种电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构及使用方法。

背景技术

铸锭炉是为太阳能工业设计的专用设备，是多晶硅铸锭的必需设备。该型设备能自动或手动完成铸锭过程，高效节能，运用先进的计算机控制技术，实现稳定定向凝固，生产的多晶硅硅锭质量高，规格大。

在传统的热场中，侧部热源是电阻加热的方式，电阻加热具有加热均匀的特点，这样就比较容易造成侧部温度过高或者过低的想象，较易形成凸起或者凹形的固液界面。在现有炉型中，侧部电阻加热的炉型，坩埚侧壁容易过热或过冷，硅料融化阶段易造成侧部底部较早融化，形成凸起界面，凸起界面对类单晶籽晶保留产生不利影响；长晶阶段易在坩埚壁附近形成凹界面，导致侧壁成核并向硅锭内部生长，这会导致侧壁向硅锭内部长出大量多晶，影响硅锭中的晶粒尺寸和单晶比例，对类单晶和高效多晶硅锭产生不利影响，影响电池效率。

授权公告日2013年8月21日、授权公告号为CN203144555U的中国实用新型专利文件公开了一种多晶硅铸锭炉底部电磁感应加热系统，其包括坩埚、外部隔热层、顶部加热器和四周加热器，利用电磁感应加热技术直接加热坩埚底部的发热体，从而实现热场内部的温度均匀性；同时由于硅熔化之后，其导电性能良好，在电磁波的作用下，产生流动，有利于定向凝固过程中的排除杂质。该加热系统是在传统的顶部和四周加热的基础上进行改进，增加了底部电磁线圈。利用其对热场内部温度进行调整，无法实现侧部受热不均匀，进而减少凸起或凹进的固液界面。

GT500N炉型的中侧部热源和顶部热源都采用的是电阻加热的方式，侧部电阻加热，各部温度均衡，可以对多晶硅晶体的铸造过程中的融化和生长退火等阶段提供热量控制，但是也无法避免凸起或凹进的固液界面。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构，以实现对坩埚侧壁温度的调整，进而解决坩埚壁侧壁温度梯度的问题。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构，包括顶部电阻热源、侧部电磁热源、隔热笼和DS块，所述顶部电阻热源包括具有电阻特性的石墨热源，所述侧部电磁热源包括线圈和石墨支撑板，所述石墨热源水平布置于所述隔热笼顶部的下方，所述石墨支撑板位于所述石墨热源的下方并竖直布置于铸锭炉的坩埚的壁的外面，所述线圈在所述隔热笼的侧壁的外面并围绕所述隔热笼放置，所述DS块位于所述坩埚的下方，所述热场结构位于所述铸锭炉的内部。

进一步地，所述侧部电磁热源在侧部产生由上至下不均匀分布的温度而形成侧部温度梯度。

进一步地，可以通过调整所述线圈的分布位置及线圈中通入的电流强度，控制所述侧部电磁热源形成的侧部温度梯度。

进一步地，所述顶部电阻热源在水平方向上提供均匀的热量。

进一步地，所述线圈的条数是三的倍数。

进一步地，所述线圈三条一组，沿着所述石墨支撑板的竖直布置方向依次排布并分别连接至单独的电源。

进一步地，所述线圈中通入单向电流。

一种在硅料融化和硅晶体生长阶段中使用上述电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构的方法，在硅料融化阶段，采用顶部电阻热源为主、侧部电磁热源为辅的加热方式，形成水平的硅料融化界面；在硅晶体生长阶段，采用侧部电磁热源为主、顶部电阻热源为辅的加热方式，同时合理地控制所述隔热笼的开度，形成微凸的硅晶体生长界面。

进一步地，在所述硅料融化阶段中，所述顶部电阻热源的加热功率与所述侧部电磁热源的加热功率的比例为5∶4～7∶3。

进一步地，在所述硅晶体生长阶段中，所述侧部电磁热源的加热功率与所述顶部电阻热源的加热功率的比例为5∶4～7∶3。

本发明提供的电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构，结合了电磁感应加热和电阻加热的优点：侧部电磁热源的石墨支撑板对通电线圈电磁感应而产生电流、发热，从而在侧部产生由上至下不均匀分布的温度，存在的温度梯度符合定向凝固技术的原理，并解决了坩埚侧壁温度梯度的问题，侧部电磁热源不均匀的热量为硅料融化和硅晶体生长提供了不均匀的侧部热量，减少了凸起或者凹进的固液界面的现象；同时顶部电阻热源在水平面上提供均匀的热量，从而形成较平的硅料融化界面，并在硅晶体生长过程中容易控制对流均匀，并降低杂质和阴影的比例。在顶部电阻热源和侧部电磁热源的作用下，铸锭炉热场结构中形成了均衡热的热量分布，有效地控制了硅料融化界面和/或硅晶体生长界面，对类单晶和/或高效多晶的生产制备具有很好的作用。

附图说明

图1是本发明的电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构的示意图。

图2是本发明的线圈的俯视图。

图3是本发明的线圈的侧视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构，包括顶部电阻热源、侧部电磁热源、隔热笼5和热交换块(DS块)6。顶部电阻热源包括具有电阻特性的石墨热源1，侧部电磁热源包括线圈2和石墨支撑板3。

如图1中所示，热场结构位于铸锭炉4的内部。石墨热源1、石墨支撑板3和DS块6位于隔热笼5中，石墨热源1水平布置于隔热笼5顶部的下方，石墨支撑板3位于石墨热源1的下方并竖直布置于铸锭炉4的坩埚(未示出)的壁的外面，DS块6位于坩埚的下方。其中隔热笼5由保温材料构成，是对热量进行反射而进行保温的保温结构，采用的保温材料可以是莫来石纤维等无机保温材料。坩埚由石英材料构成，用于装载硅锭。石墨支撑板3受到电磁感应可以产生电流并发热，是电磁感应热源。同时，在硅晶体铸锭过程中使用的坩埚在高温情况下会发生软化，在坩埚壁外面设置的石墨支撑板3对高温下软化的坩埚起到支撑的作用。DS块6在铸锭炉4中起到支撑坩埚与热量散失的作用。

顶部电阻热源的石墨热源1以通电的方式发热，从而为坩埚中的硅料和/或硅晶体的顶部提供热量。顶部电阻热源具有在水平方向上加热均匀的优点，从而可以在水平方向上为硅料融化界面和/或硅晶体生长界面提供均匀的热量。石墨热源1可以采用规则的平面形状，其外周的尺寸稍微大于位于其正下方的坩埚的水平面上的外周尺寸，以保证能够在水平面上为坩埚内的硅料和/或硅晶体提供充分且均匀的热量。顶部电阻热源也可以由其他具有电阻特性的材料组成。

侧部电磁热源的位于坩埚壁外面的石墨支撑板3对围绕在隔热笼5外面的通电线圈2电磁感应而产生电流、发热，因此从四周为其紧贴的坩埚提供热量，进而为坩埚里面装载的硅料和/或硅晶体提供热量。由于石墨支撑板3感应电流的分布不均匀，因此侧部电磁热源在侧部产生由上至下不均匀的温度而形成侧部温度梯度，该温度梯度符合定向凝固技术的原理。石墨支撑板3形成的侧部温度梯度与线圈2内的电流强度和线圈2的分布位置有关，并且其产生的主要热量与电流强度分布有直接关系，因此可以通过调整线圈2的分布位置及线圈2中通入的电流强度，来控制侧部电磁热源形成的侧部温度梯度，并控制侧部电磁热源提供的侧部热量。由于石墨支撑板3均匀地布置于坩埚壁外面的四周，因此石墨支撑板3可以从坩埚壁四周为坩埚及坩埚内的硅料和/或硅晶体提供由上至下不均匀的热量并且保证在同一水平面上提供的热量相同。

如图1和图2所示，线圈2在隔热笼5的侧壁的外面并围绕隔热笼5放置。线圈2的外周形状与隔热笼5侧壁的外周形状接近并且线圈2紧贴隔热笼5的外周布置，本实施例中线圈2的外周为实质正方形，其四角处是圆弧形状。

线圈2的条数是三的倍数，本实施例中采用六条线圈2，线圈2的条数也可以大于6条，可以根据铸锭炉4的大小及需要取得的铸锭效果进行合理配置。线圈2三条为一组，如图3所示，每组线圈2沿着石墨支撑板3的竖直布置方向依次排布，每组线圈2中的三条线圈2相邻两条间的距离相等，且该距离与相邻两组线圈2的紧邻的两条线圈2之间的距离相等。每组线圈2都连接至单独的电源(未示出)，电源采用三相电源。通过每组线圈2所连接的独立电源单独地控制向每组线圈2中通入的电流强度，从而实现向不同的线圈2中通入不同的电流强度，进而控制侧部电磁热源的高温点的位置，形成有温度梯度的侧部电磁热源。每条线圈2中通入的电流方向一致，即线圈2中通入单向电流。线圈2也可以采用其他形状，如接近圆形的椭圆形，只要能够紧密围绕在隔热笼5的外面并且形状均匀的其他任何形状都可以采用。线圈2的安装方式及连接的控制电源，都可以进行灵活改变，也可以采用单条线圈2分别连接至单独的电源进行单独控制，从而实现对侧部电磁热源的更精确控制。

一种在硅料融化和硅晶体生长阶段中使用上述电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构的方法，利用侧部电磁热源和顶部电阻热源的作用，实现对硅料融化界面和/或硅晶体生长界面的控制，该方法包括如下步骤：

首先，提供如图1中所示的电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构。

其次，在硅锭生长时，先测量一炉硅锭的生长速率，以生长速率测量值为基础，通过热场模拟等软件，预测安装薄板后的硅锭生长速率，设置线圈2电流强度随着硅晶体生长时间而变动的值，以此来控制坩埚壁的温度、调整坩埚壁附近的硅锭的长晶方向，达到保持凸起的生长界面的目的。

接着，将硅料置入位于铸锭炉热场结构中的石墨支撑板3所围绕的坩埚中，关闭铸锭炉4。

接着，开始硅料融化阶段，采用顶部电阻热源为主、侧部电磁热源为辅的加热方式，以形成水平的硅料融化界面。由上而下地向侧部电磁热源的线圈2中通电，并同时开启顶部电阻热源。顶部电阻热源的加热功率与侧部电磁热源的加热功率的比例控制在5∶4～7∶3之间。侧部电磁热源的石墨支撑板3对通电线圈2电磁感应而产生电流、发热，在其围绕的坩埚壁的四周由上而下地向坩埚中的硅料提供不均匀的侧部热量，因此坩埚四周的侧部温度随着硅料的融化界面由上而下地移动。由于顶部电阻热源提供水平面上均匀的热量，并且顶部电阻热源的加热功率大于侧部电磁热源的加热功率，因此顶部电阻热源提供的水平面上的均匀热量起主要作用，在各处容易形成均匀的较平的硅料融化界面。在这两个热源的共同作用下，能够保持较平的硅料融化界面，直到硅料完全融化，这在类单晶籽晶保留方面有较好的应用。

接着，开始硅晶体生长阶段，采用侧部电磁热源为主、顶部电阻热源为辅的加热方式，同时合理地控制隔热笼5的开度。由于底部热量通过底部的DS块6散失，通过适量地增大下部线圈2的通电量，对坩埚的下部进行局部加热以维持坩埚上下部分的温度。通过由下而上地逐步减小侧部电磁热源的线圈2中的通电量，形成由上而下的温度梯度，有利于定向凝固，从而有利于保留底部籽晶并且也较容易获得微凸的硅晶体生长界面。在调节侧部电磁热源的同时降低顶部电阻热源的温度，顶部电阻热源在水平面上提供的均匀热量容易控制对流均匀并降低杂质和阴影的比例。侧部电磁热源的加热功率与顶部电阻热源的加热功率的比例控制在5∶4～7∶3之间，通过改变侧部电磁热源的加热功率来调整线圈2中的电流强度，进而形成合理的侧部温度梯度以形成微凸的硅晶体生长界面。由于侧部电磁热源紧贴坩埚的侧壁，所以侧部热量损失较少，坩埚侧部的热量均衡较易控制。因此在铸锭炉热场结构中形成均衡热的热量分布，在保持坩埚侧部温度恒定的同时造成上下温度梯度，因此坩埚内部中间冷四周热，坩埚内的硅晶体生长界面中间凸起，对类单晶和高效多晶的生产制备都有很好的作用。

最后，硅晶体生长结束，停止石墨热源1和线圈2的通电。

在上述方法中，石墨热源1和线圈2中的通电的时间和通电大小等参数都可以采用全自动的方式进行控制。

对比实施方式一：

在现有技术中，采用电阻加热的炉型：顶部电阻热源会使得水平面上各处的热量均匀，容易形成较平的硅料融化界面，并在硅晶体生长过程中容易控制对流均匀且降低杂质和阴影的比例；侧部电阻热源会造成硅料融化界面呈现凸的界面，不利于高效多晶籽晶的保留。利用该炉型，侧部籽晶保留面积较小，在50％～70％，硅锭品质较低。

对比实施方式二：

在现有技术中，采用电磁感应加热的炉型：顶部电磁热源会引起水平面上各处温度不均匀，对流不良，容易引起杂质在一处聚集，从而引起阴影杂质的出现，降低硅锭的品质，侧部电磁热源充当侧部加热器，由于温度不均匀，存在温度梯度，符合定向凝固技术的原理，可以通过调整大功率的分布线圈2位置而形成合理的温度梯度，有利于保留底部籽晶且也容易获得微凸的硅晶体生长界面。采用该炉型，硅锭顶部存在大量阴影，阴影高度在50毫米左右，同时还存在20毫米厚度的杂质。

采用本发明的铸锭炉热场结构的炉型，顶部电阻热源使得水平面上的热量均匀，易于形成较平的硅料融化界面，并在晶体生长过程中容易控制对流均匀并降低杂质和阴影比例；侧部电磁热源引起侧部不均匀的温度而产生符合定向凝固技术的原理的侧部温度梯度，通过控制侧部电磁热源形成合理的温度梯度，有利于保留底部籽晶并容易获得微凸的硅晶体生长界面。利用该炉型，获得较平的硅料融化界面和微凸的硅晶体生长界面，形成的硅锭的顶部阴影和杂质高度明显减少，提高硅锭品质，硅锭制备出的硅片的电池效率也相对现有技术的硅片电池效率有明显的提升。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构，其特征在于，包括顶部电阻热源、侧部电磁热源、隔热笼和DS块，所述顶部电阻热源包括具有电阻特性的石墨热源，所述具有电阻特性的石墨热源采用规则的平面形状，其外周的尺寸大于位于其正下方的坩埚的水平面上的外周尺寸以使所述顶部电阻热源在水平方向上提供均匀的热量，所述侧部电磁热源包括线圈和石墨支撑板，所述石墨热源水平布置于所述隔热笼顶部的下方，所述石墨支撑板位于所述石墨热源的下方并竖直布置于铸锭炉的坩埚的壁的外面，所述线圈在所述隔热笼的侧壁的外面并围绕所述隔热笼放置，所述DS块位于所述坩埚的下方，所述热场结构位于所述铸锭炉的内部。

2.根据权利要求1所述的电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构，其特征在于，所述侧部电磁热源在侧部产生由上至下不均匀分布的温度而形成侧部温度梯度。

3.根据权利要求2所述的电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构，其特征在于，通过调整所述线圈的分布位置及线圈中通入的电流强度，控制所述侧部电磁热源形成的侧部温度梯度。

4.根据权利要求3所述的电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构，其特征在于，所述线圈的条数是三的倍数。

5.根据权利要求4所述的电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构，其特征在于，所述线圈三条一组，沿着所述石墨支撑板的竖直布置方向依次排布并分别连接至单独的电源。

6.根据权利要求5所述的电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构，其特征在于，所述线圈中通入单向电流。

7.一种在硅料融化和硅晶体生长阶段中使用权利要求1-6中任一项所述的电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构的方法，其特征在于，在硅料融化阶段，采用顶部电阻热源为主、侧部电磁热源为辅的加热方式，形成水平的硅料融化界面；在硅晶体生长阶段，采用侧部电磁热源为主、顶部电阻热源为辅的加热方式，同时合理地控制所述隔热笼的开度，形成微凸的硅晶体生长界面。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述硅料融化阶段中，所述顶部电阻热源的加热功率与所述侧部电磁热源的加热功率的比例为5:4～7:3。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述硅晶体生长阶段中，所述侧部电磁热源的加热功率与所述顶部电阻热源的加热功率的比例为5:4～7:3。