CN104389017A - 一种多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置及多晶硅铸锭炉 - Google Patents
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Abstract
一种多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置及多晶硅铸锭炉，属于光伏太阳能多晶硅铸锭技术领域。该内进气气冷装置包括炉顶盖（2）、进气管盖（4）、内进气管I（5）、内进气管II（9）、内进气管III（10）、内进气管IV（14）、助凝块（15）；所述内进气管I（5）穿过进气管盖（4）的小进气孔（20），内进气管IV（14）伸入助凝块（15）中心孔（16）内。本发明通过独特的结构设计，可以将冷却气体引入助凝块（15）中，对助凝块（15）进行冷却，提高助凝块（15）的散热能力，从而可以提高坩埚内硅熔体的冷却结晶速率，提高定向凝固的效率，同时使硅熔体形成相当的过冷度，产生合适的硅孪晶结构，提高铸锭质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种多晶硅铸锭炉，尤其是涉及一种多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置，及包括所述助凝块内进气气冷装置的多晶硅铸锭炉。
技术背景
硅晶体的生长，一般分为多晶铸锭，单晶提拉以及区熔生长三种方法，随着晶体硅光伏产品的大规模应用，太阳能级晶体硅片产业的不断发展成熟，硅片作为原材料，其价格逐渐回落，造成硅片生产厂家利润空间不断压缩。提高硅片质量，降低加工成本成为摆在所有太阳能硅片生产厂家面前的问题。晶体硅光伏发电的产业链包含从硅料-硅片-电池-组件-系统的过程，其中硅片的生产主要由晶体生长及晶体切割两大块，而晶体生长是制造高质量硅片的根本。在晶体硅光伏发电中，多晶定向凝固由于成本低，产量大，逐渐成为硅片生产的主流技术，但是由于其存在的晶体缺陷，杂质等因素，使得多晶电池的转换效率始终和单晶电池有一定的差距。改进多晶铸锭的生长方法，已经成为当前多晶硅片改进的主要方向。多晶铸锭与单晶提拉方法的不同之处在于，提拉生长拥有子晶，后续引晶，等径等步骤都是基于子晶来完成，所以晶体具有一定的晶向，而多晶铸锭中成核是一个根据热力学随机成核的过程，多晶硅锭的结构每次都不尽相同。硅材料的不同晶向对载流子的复合能力以及杂质缺陷的接受能力不同，其中硅的〈110〉和〈112〉的孪晶结构由于原子排列密集，界面能低等原因，杂质缺陷沉淀得少，且载流子的复合很弱，因此少子寿命（即载流子寿命）相对较高，该部分非常适合用来做电池的基底硅片。
其中多晶铸锭为典型的熔体固化的生长方法：多晶硅原料先在高温下被加热熔化成熔体，然后通过底部冷却，向上定向凝固开始晶体生长，其生长过程相对缓慢，在生长完成后，晶体进行退火冷却到常温。研究显示，为了形成适宜的〈110〉和〈112〉的硅孪晶结构，需要在结晶成核的过程中形成一定的过冷度，通常为低于熔点10-100K之间。
目前，大部分多晶硅铸锭炉开始进行铸锭量扩大的升级改造，即在保持现有铸锭炉的炉体结构不变的情况下，扩大热场，由原来的G5型锭升级到G6，G7型锭。G5，G6，G7分别指硅锭的重量，G5指该硅锭由5x5=25个相同重量的小硅块组成，类推之，则G6，G7的产量分别比G5提高44%、96%。通过改造，可以提高铸锭的产量及降低硅片的单位成本，降低光伏发电的每瓦成本。但是由于改造后炉体尺寸不变，改造后锭的重量分别提高44%，96%，需要热场底部散热能力也相应提高，利用现有隔热笼提升技术的散热能力仅仅少量提高，所以将会使得铸锭过程中的凝固速度大大降低。如目前G5型铸锭的凝固时间约为25小时，但是G6型铸锭的凝固时间达到了40小时左右，而G7型铸锭的凝固时间更长。这样无形中增加了硅片生产的成本，同时由于凝固过程中，硅料大部分仍处于高温熔化状态，也增加了漏硅的风险。此外，由于硅锭与坩埚接触时间长，也会造成氧一定的扩散污染，使得晶体质量下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置，包括有该气冷装置的多晶硅铸锭炉，助凝块的散热能力强，进行多晶硅铸锭时，长晶速度快，晶体产品质量高。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种铸锭炉助凝块内进气气冷装置，包括炉顶盖、助凝块，还设有进气管盖、内进气管I、内进气管II、内进气管III、内进气管IV；所述内进气管I进气端穿过进气管盖的小进气孔；所述内进气管I、内进气管II、内进气管III和内进气管IV依次连接，内进气管IV伸入助凝块中心孔内。
进一步，为了控制通、断冷却气体，在所述炉顶盖上设置有锥形棒，所述锥形棒的锥形端能够伸入内进气管I的进气口内，且锥形棒的直径大于内进气管I的内径。由于锥形棒的直径大于内进气管I的内径，形棒的端部锥面与内进气管I的进气口接触能够实现切断内进气管I的进气，当锥形棒的端部锥面与内进气管I的进气口分离时，能够实现内进气管I的通气。
进一步，所述锥形棒与炉顶盖之间为轴向滑动密封。
进一步，所述锥形棒为石英棒。
进一步，为了对内进气管I与进气管盖进一步密封及进气管盖对内进气管I支撑作用，在所述内进气管I进气端设有螺纹，通过螺纹连接有螺母，此螺母为石墨螺母或炭-炭复合材料螺母。
进一步，为了使引入助凝块的冷却气体流动顺畅，在所述助凝块顶部设置有导气槽，所述导气槽的宽度为20~500mm，深度为0.5~20mm。
进一步，下炉体在进出坩埚时处在开炉状态，所述内进气管II为不锈钢金属软管。
进一步，为了安装拆卸的方便，在所述内进气管III与内进气管IV连接处设置有活接头。
进一步，铸锭炉铸锭时内处于1400℃以上的高温，所述内进气管IV为炭-炭复合材料管或石墨管。
进一步，所述内进气管I和内进气管III为不锈钢管；为了增加内进气管I在炉内的稳定性，在内进气管I与内进气管II连接处设置有支架a，支架a焊接在炉体内，也可以将在内进气管I于炉壁接触处点焊接。
进一步，为了增加内进气管III的稳定性，在所述内进气管III的下面设置有支架b，支架b放置下炉体底部；
进一步，进气管盖的小进气孔与大进气孔的直径比=0.3~0.8:1；小进气孔与内进气管I连接；大进气孔与顶部石墨进气管连接。
使用所述多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置对多晶硅铸锭炉助凝块进行冷却的方法：使用惰性气体或氮气等作冷却气体，所述冷却气体与包括助凝块在内的热场部件完成流动换热后，直接由真空泵排出至炉外。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）本发明通过内进气气冷装置将冷却气体引入助凝块中，对助凝块进行冷却，提高了助凝块的散热能力，从而可以提高坩埚内硅熔体的冷却结晶速率，提高定向凝固的效率，缩短生产周期，降低生产成本；
（2）应用本发明的内进气气冷装置，可以形成硅孪晶生长所需要的较大过冷度，多晶硅锭产品的质量有所提高。
（3）由于采取中心进气冷却的方式，所以多晶硅锭的中央冷却能力要强于边缘，可以形成铸锭所需要的微凸型界面。
附图说明
图1为本发明多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置实施例的结构示意图；
图2为图1所示实施例的A部分的放大图；
图3为图1所示实施例的助凝块导气槽的结构示意图；
图4为图3所示助凝块导气槽的剖视图；
图5为图1所示实施例的进气管盖的俯视图。
其中：1-锥形棒，2-炉顶盖，3-螺母，4-进气管盖，5-内进气管I，6-顶部石墨进气管，7-上炉体，8-支架a，9-内进气管II，10-内进气管III，11-活接头，12-下炉体，13-支架b，14-内进气管IV，15-助凝块，16-中心孔，17-导气槽，18-导气槽的宽度，19-导气槽的深度，20-小进气孔，21-大进气孔。
具体实施方式
以下结合实例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例包括炉顶盖2、进气管盖4、内进气管I5、内进气管II9、内进气管III10、内进气管IV14、助凝块15，内进气管I5进气端穿过进气管盖4的小进气孔20；内进气管I5、内进气管II9、内进气管III10和内进气管IV14依次连接，内进气管IV14伸入助凝块15中心孔16内（如图1所示）。
为了控制通、断冷却气体，在炉顶盖2上设置有锥形棒1，锥形棒1的锥形端能够伸入内进气管I5的进气口内，且锥形棒1的直径大于内进气管I5的内径。由于锥形棒1的直径大于内进气管I5的内径，锥形棒1的端部锥面与内进气管I5的进气口接触能够实现切断内进气管I5的进气；当锥形棒1的端部锥面与内进气管I5的进气口分离时，能够实现内进气管I5的通气。锥形棒1为石英棒，与炉顶盖2之间为轴向滑动密封（如图2所示）。
为了对内进气管I5与进气管盖4进一步密封，及实现进气管盖4对内进气管I5的支撑作用，在内进气管I5进气端设有螺纹，通过螺纹连接有螺母3，此螺母3为石墨螺母（如图2所示）。
为了使引入助凝块15的冷却气体流动顺畅，在助凝块15顶部设置有导气槽17，导气槽17的宽度18为20mm，深度19为20mm（如图3、图4所示）。
下炉体12在进出坩埚时处在开炉状态，内进气管II9为不锈钢金属软管。为了安装拆卸的方便，在内进气管III10与内进气管IV14连接处设置有活接头11。
多晶硅铸锭炉铸锭时，内部处于1400℃以上的高温，内进气管IV14选用炭-炭复合材料管。
内进气管I5和内进气管III10为不锈钢管；为了增加内进气管I5在炉内的稳定性，在内进气管I5与内进气管II9连接处设置有支架a8，支架a8焊接在炉体内，且在内进气管I5于炉壁接触处点焊接固定。
为了增加内进气管III10的稳定性，在内进气管III10的下面设置有支架b13，支架b13放置下炉体12底部；
进气管盖4的小进气孔20与大进气孔21的直径比=0.3:1，小进气孔20与内进气管I5连接；大进气孔21与顶部石墨进气管6连接，大进气孔21的直径为35mm，小进气孔20的直径为10.5mm（如图5所示）。
冷却气体为惰性气体氦气。
当坩埚内的硅料熔化完毕，向上拔动锥形棒1，使锥形棒1的端部锥面与内进气管I5的进气口完全分离，实验测得进气管I5的流量为6l/min，冷却气体氦气流经内进气管I5、内进气管II9、内进气管III10、内进气管IV14、助凝块15中心孔16、导气槽17，最后由多晶硅铸锭炉的真空泵抽走，这样，冷却气体氦气将助凝块15的部分热量带走，使得坩埚内部的硅熔体的凝固速率提高，进而可以加快长晶，提高铸锭产量，同时降低铸锭的用电成本。
以GT多晶硅铸锭炉的G5改造成G6为例，铸锭重量由500公斤提高到800公斤，如果简单采用隔热笼提升的长晶方案，其长晶时间需要40个小时左右，而总的工艺时间为75小时。采用本发明铸锭炉助凝块内进气气冷装置后，其长晶时间缩短至33个小时，且总的工艺时间缩短为68小时。由于长晶期间，功率保持恒定为60-66千瓦左右，则每个锭可以节省电耗约420-462度，而生产效率提高约8%-10%。同时，铸锭优良率约提高1%，可以多产硅片300片/锭，以目前多晶硅片6.5元/片计，则增加收入1950元。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于：助凝块15顶部的导气槽17的宽度18为500mm，深度19为0.5mm；内进气管IV14为石墨管；进气管盖4的小进气孔20与大进气孔21的直径比=0.8:1；大进气孔21的直径为35mm，小进气孔20的直径为28mm；冷却气体为惰性气体氩气。余同实施例1。
以GT铸锭炉的G5改造成G6为例，铸锭重量由500公斤提高到800公斤，如果简单采用隔热笼提升的长晶方案，其长晶时间需要40个小时左右，而总的工艺时间为75小时；而采用本发明多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置后，其长晶时间缩短至30个小时，且总的工艺时间缩短为65小时。由于长晶期间，功率保持恒定为60-66千瓦左右，每个锭可以节省电耗约600-660度，而生产效率提高约12%-14%。同时，铸锭优良率提高约1.2%，可以多产硅片360片/锭，以目前多晶硅片6.5元/片计，则增加收入2340元。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于：螺母3为炭-炭复合材料螺母；助凝块15顶部设置的导气槽17的宽度18为250mm，深度19为10mm；内进气管IV14为石墨管；进气管盖4的小进气孔20与大进气孔21的直径比=0.6:1，大进气孔21的直径为35mm，小进气孔20的直径为21mm；冷却气体为惰性气体氩气。
以GT铸锭炉的G5改造成G6为例，铸锭重量由500公斤提高到800公斤，如果简单采用隔热笼提升的长晶方案，其长晶时间需要40个小时左右，而总的工艺时间为75小时；而采用本发明铸锭炉助凝块内进气气冷装置后，其长晶时间缩短至31个小时，且总的工艺时间缩短为66小时。由于长晶期间，功率保持恒定为60-66千瓦左右，则每个锭可以节省电耗约540-594度，而生产效率提高约10%-12%。同时，铸锭良率约提高1.1%，可以多产硅片330片/锭，以目前多晶硅片6.5元/片计，则增加收入2145元。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上所述实施例所作的任何修改、变更以及等效结构变换，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置，包括炉顶盖（2）、助凝块（15），其特征在于：还设有进气管盖（4）、内进气管I（5）、内进气管II（9）、内进气管III（10）、内进气管IV（14）；所述内进气管I（5）的进气端穿过进气管盖（4）的小进气孔（20）；所述内进气管I（5）、内进气管II（9）、内进气管III（10）和内进气管IV（14）依次连接，内进气管IV（14）伸入助凝块（15）中心孔（16）内。
2.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置，其特征在于：所述炉顶盖（2）上设置有锥形棒（1），且锥形棒的直径大于内进气管I的内径，所述锥形棒（1）的锥形端能够伸入内进气管I（5）的进气口内。
3.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置，其特征在于：所述内进气管I（5）进气端设有螺纹，通过螺纹连接有螺母（3）。
4.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置，其特征在于：所述助凝块（15）顶部设置有导气槽（17）。
5.根据权利要求1至4之一所述的多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置，其特征在于：所述内进气管II（9）为不锈钢金属软管。
6.根据权利要求1至4之一所述的多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置，其特征在于：所述内进气管III（10）与内进气管IV（14）连接处设置有活接头（11）。
7.根据权利要求1至4之一所述的多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置，其特征在于：所述进气管盖（4）的小进气孔（20）与大进气孔（21）的直径比=0.3~0.8:1。
8.根据权利要求4所述的多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置，其特征在于：所述导气槽（17）的宽度（18）为20～500mm，深度（19）为0.5～20mm。
9.一种多晶硅铸锭炉，包括上炉体（7），下炉体（12），其特征在于：设有权利要求1至8任意一权利要求所述的多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置。
10.一种使用权利要求1至8之一所述多晶硅铸锭炉助凝块内进气气冷装置对多晶硅铸锭炉助凝块进行冷却的方法，其特征在于，使用惰性气体或氮气作冷却气体，所述冷却气体与包括助凝块在内的热场部件完成流动换热后，直接由真空泵排出至炉外。
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