CN104674341A - 一种多晶铸锭炉及其定向凝固装置、多晶铸锭方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种定向凝固装置，包括第一保温板、第二保温板和旋转部件；所述第一保温板和所述第二保温板的形状完全相同，且表面设置有多个同心圆环区域，每个所述同心圆环区域上等间隔地设置有多个大小相同的通孔区域，每个所述同心圆环区域上相邻的两个通孔区域之间的实体区域与所述通孔区域的形状相同；所述第一保温板固定在石墨支持平台的下部；所述第二保温板与所述旋转部件固定连接，且所述第二保温板的上表面紧邻所述第一保温板的下表面，且所述第二保温板上的通孔区域相对于所述第一保温板上的通孔区域可选择的完全重合、部分重合或分离。本申请还公开了多晶铸锭炉和多晶铸锭方法，能保证温度梯度的连续稳定和柱状晶体的生长质量。

Description

一种多晶铸锭炉及其定向凝固装置、多晶铸锭方法

技术领域

本发明涉及光伏设备制造技术领域，特别是涉及一种多晶铸锭炉及其定向凝固装置、多晶铸锭方法。

背景技术

多晶硅铸锭由于生产成本较低、产量大，因而成为晶体硅太阳能电池的主流材料。但是多晶硅铸锭中存在着晶界紊乱、位错、夹杂物及氧化物等缺陷，这些缺陷成为少数载流子的复合中心，减少了光生载流子的寿命，使多晶硅太阳能电池效率低于单晶硅电池。为了提高多晶硅太阳能电池效率，可以在铸锭炉中定向生长大晶粒或准单晶铸锭。定向凝固是制备多晶硅铸锭的一种重要方法，具体为：在同一个坩埚内熔炼和凝固，在坩埚外采取额外保温或冷却的手段，使内部热流单向传递，并使熔体在热流方向上有一定的温度梯度，从而获得柱状组织。目前的定向凝固方法主要有：(1)功率下降法，熔体外部加热系统功率由上而下不断变小，上部功率大，产热多，温度高，下部功率小，产热少，温度低，热流就由上往下，并有一定温度梯度，控制功率的大小可以调节温度梯度的大小；(2)将凝固的熔体向下移出感应区，从而获得单向的温度梯度；(3)提升隔热笼，使熔体下部散热，获得单向的温度梯度。

然而，上述三种方法均存在不足，其中，功率下降法的温度场控制不连续，热场从上到下为阶梯性突变，不利于柱状晶体生长；凝固熔体向下移动法会产生振动，对晶体生长造成不利影响；采用提升隔热笼法时，晶体底部散热不均匀，四边散热比中心散热快，导致边缘易生成新的晶核并生长成非柱状晶体，使柱状晶体生长受到抑制。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种多晶铸锭炉及其定向凝固装置、以及多晶铸锭方法，能够保证温度梯度的连续稳定和柱状晶体的生长质量。

本发明提供的一种定向凝固装置，包括第一保温板、第二保温板和旋转部件；

所述第一保温板和所述第二保温板的形状完全相同，且表面设置有多个同心圆环区域，每个所述同心圆环区域上等间隔地设置有多个大小相同的通孔区域，每个所述同心圆环区域上相邻的两个通孔区域之间的实体区域与所述通孔区域的形状相同；

所述第一保温板固定在石墨支持平台的下部；

所述第二保温板与所述旋转部件固定连接，且所述第二保温板的上表面紧邻所述第一保温板的下表面，且所述第二保温板上的通孔区域相对于所述第一保温板上的通孔区域可选择的完全重合、部分重合或分离。

优选的，在上述定向凝固装置中，所述第一保温板和所述第二保温板上设置的同心圆环区域的数量为8个。

优选的，在上述定向凝固装置中，所述第一保温板和所述第二保温板的外轮廓为圆形。

优选的，在上述定向凝固装置中，所述第一保温板利用石墨立柱进行固定。

优选的，在上述定向凝固装置中，所述第一保温板和所述第二保温板的材质为石墨。

优选的，在上述定向凝固装置中，所述旋转部件包括旋转电机和轴承。

本发明提供的一种多晶铸锭炉，包括如上所述的任一种定向凝固装置。

本发明提供的一种多晶铸锭方法，利用如上所述的任一种多晶铸锭炉，步骤包括：

旋转所述第二保温板，当所述第二保温板的实体区域全部位于所述第一保温板的通孔区域的下部时，进行硅料的熔化；

硅料熔化完毕后，旋转所述第二保温板，当所述第二保温板的通孔区域部分或全部位于所述第一保温板的通孔区域的下部时，进行晶体的定向生长。

通过上述描述，本发明提供的一种多晶铸锭炉及其定向凝固装置，由于能够通过旋转第二保温板，实现第二保温板与第一保温板之间的通孔的相对位置，实现对通孔的面积的调整，从而能够方便的实现多晶铸锭的熔料过程的保温以及保证定向凝固过程中的温度梯度的均匀性，从而能够保证温度梯度的连续稳定和柱状晶体的生长质量。本发明提供的一种定向凝固方法，由于采用具有上述定向凝固装置的多晶铸锭炉，因此能够保证柱状晶体的生长质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种多晶铸锭炉的示意图；

图2为本申请实施例中的第一保温板的俯视图；

图3为本申请实施例中的第二保温板的俯视图；

图4为第二保温板上的通孔区域相对于第一保温板上的通孔区域分离时的示意图；

图5为第二保温板上的通孔区域相对于第一保温板上的通孔区域完全重合时的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供的一种多晶铸锭炉如图1所示，图1为本申请实施例提供的一种多晶铸锭炉的示意图。该多晶铸锭炉包括定向凝固装置，其中所述定向凝固装置包括第一保温板1、第二保温板2和旋转部件3，所述第一保温板1固定在石墨支持平台4的下部；所述第二保温板2与所述旋转部件3固定连接，且所述第二保温板2的上表面紧邻所述第一保温板1的下表面。

其中，上述第一保温板和第二保温板的俯视图分别如图2和图3所示，其中，图2为本申请实施例中的第一保温板的俯视图，图3为本申请实施例中的第二保温板的俯视图。其中，所述第一保温板和所述第二保温板的形状完全相同，且表面设置有多个同心圆环区域，每个所述同心圆环区域上等间隔地设置有多个大小相同的通孔区域，每个所述同心圆环区域上相邻的两个通孔区域之间的实体区域与所述通孔区域的形状相同。

需要说明的是，第一保温板1与石墨支持平台之间保持一定的距离，该距离可以选为1厘米。

以图2为例，所述第一保温板的表面设置有多个环形区域，优选的，该实施例中的第一保温板表面设置有8个同心圆环区域，以最外层的环形区域为例，该环形区域上等间隔地设置有多个大小相同的通孔区域11，且相邻的两个通孔区域11之间的实体区域12与所述通孔区域11的形状相同。在该实施例中，第一保温板的每个环形区域被八等分，其中包括4个通孔区域11和4个实体区域12，且所述通孔区域11和所述实体区域12间隔排列，从图中还可以看出，每两个相邻的环形区域中，位于同一个扇形区域内的通孔区域和实体区域也是间隔排列的，这样就能保证在整个第一保温板的表面，通孔区域尽可能的均匀分布，从而保证各处散热的均匀程度更高。

以图3为例，所述第二保温板的表面设置有多个环形区域，优选的，在该实施例中的第二保温板表面设置有8个环形区域，以最外层的环形区域为例，该环形区域上等间隔地设置有多个大小相同的通孔区域21，且相邻的两个通孔区域21之间的实体区域22与所述通孔区域21的形状相同。在该实施例中，第二保温板的每个环形区域被八等分，其中包括4个通孔区域21和4个实体区域22，且所述通孔区域21和所述实体区域22间隔排列。

所述第二保温板2上的通孔区域21相对于所述第一保温板1上的通孔区域11可选择的完全重合、部分重合或分离，具体情况如图4和图5所示，图4为第二保温板上的通孔区域相对于第一保温板上的通孔区域分离时的示意图，图5为第二保温板上的通孔区域相对于第一保温板上的通孔完全重合时的示意图。参考图4，在该状态下，第一保温板1上的全部通孔区域11位于第二保温板2上的实体区域22的上部，而第一保温板1上的全部实体区域12位于第二保温板2上的通孔区域21的上部，从而，第一保温板和第二保温板在竖直方向上，形成了一个封闭的圆形区域，在这种情况下，该竖直方向上封闭的圆形区域与多晶铸锭炉内的隔热笼充分接触，形成良好的保温空间，能够最大限度的实现保温功能，使多晶铸锭的熔料过程中的热量不会浪费；而参考图5，在该状态下，第一保温板1上的全部通孔区域11位于第二保温板2上的通孔区域21的上部，而第一保温板1上的全部实体区域12位于第二保温板2上的实体区域22的上部，从而第一保温板和第二保温板相配合，在竖直方向上，形成一个具有多个均匀分布的通孔区域的圆形区域，在这种情况下，散热板的通孔区域进行散热，能够实现热量的均匀散发，能够使多晶铸锭的定向凝固过程中实现热量的均匀散发，从而保证多晶熔体中的温度梯度的均匀性，保证晶体定向凝固后形成的晶体的质量。

通过上述描述可知，本申请实施例提供的一种多晶铸锭炉及其定向凝固装置，由于能够通过旋转第二保温板，实现第二保温板与第一保温板之间的通孔的相对位置的改变，实现对通孔的面积的调整，从而能够方便的实现多晶铸锭的熔料过程的保温以及保证定向凝固过程中的温度梯度的均匀性，从而能够保证温度梯度的连续稳定和柱状晶体的生长质量。

在上述定向凝固装置中，所述第一保温板和所述第二保温板的外轮廓可以优选为圆形，这样就能够更好的实现第一保温板和第二保温板之间相对的旋转。

进一步的，所述第一保温板可以优选的利用石墨立柱进行固定，也就是说，将第一保温板设置于石墨立柱之上，并且将其固定不动，而只是将第二保温板进行相对于第一保温板的旋转，从而实现在保温和定向凝固两个过程间的模式切换。

在上述定向凝固装置中，所述第一保温板和所述第二保温板的材质可以优选为石墨。石墨材质能够保证第一保温板和第二保温板具有良好的保温性能，同时其机械性能更优。

在上述定向凝固装置中，所述旋转部件可以优选的包括旋转电机和轴承。其中，将第二保温板与轴承固定连接，而轴承能够在旋转电机的动力作用下进行旋转，从而带动第二保温板进行旋转，实现第二保温板上的通孔区域与第一保温板上的通孔区域之间的相对位置的改变，最终实现在多晶铸锭过程中的熔料过程和定向凝固过程之间的切换。

本发明提供的一种多晶铸锭炉，包括如上所述的任一种定向凝固装置。正是由于包括上述任一种定向凝固装置，因此能够方便的实现多晶铸锭的熔料过程的保温以及保证定向凝固过程中的温度梯度的均匀性，从而能够保证温度梯度的连续稳定和柱状晶体的生长质量。

本发明提供的一种多晶铸锭方法，该方法利用如上所述的任一种多晶铸锭炉，步骤包括：

旋转所述第二保温板，当所述第二保温板的实体区域全部位于所述第一保温板的通孔区域的下部时，进行硅料的熔化；

在上述步骤中，需要说明的是，这种情况下，第一保温板和第二保温板所处的状态如图4所示，正是由于第一保温板的通孔区域全部被第二保温板的实体区域所遮挡，因此二者和隔热笼形成一个封闭的区域，保证熔料过程中热量不会过多的散失掉。

硅料熔化完毕后，旋转所述第二保温板，当所述第二保温板的通孔区域部分或全部位于所述第一保温板的通孔区域的下部时，进行晶体的定向生长。

需要说明的是，在该步骤中，第一保温板的通孔区域全部位于第二保温板的通孔区域的下部时所处的状态如图5所示，正是由于第一保温板的通孔区域全部处于第二保温板的通孔区域的下部，因此能实现最大限度的散热面积，而且由于所有的通孔区域的面积都是相同的，因此各个区域的散热都是均匀的，从而保证多晶定向凝固时熔体内的温度梯度更稳定，从而保证柱状晶体的生长质量。另外，需要说明的是，可以根据实际所散热的需求，通过控制第二保温板相对于第一保温板旋转的幅度，来对散热通孔的面积进行调节，从而实现对散热速率的调节，实现对铸锭生长速度的调节。

通过上述描述可知，本申请实施例提供的多晶铸锭方法，由于采用了上述定向凝固方法，因而能够保证柱状晶体的生长质量。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种定向凝固装置，其特征在于，包括第一保温板、第二保温板和旋转部件；

所述第一保温板和所述第二保温板的形状完全相同，且表面设置有多个同心圆环区域，每个所述同心圆环区域上等间隔地设置有多个大小相同的通孔区域，每个所述同心圆环区域上相邻的两个通孔区域之间的实体区域与所述通孔区域的形状相同；

所述第一保温板固定在石墨支持平台的下部；

所述第二保温板与所述旋转部件固定连接，且所述第二保温板的上表面紧邻所述第一保温板的下表面，且所述第二保温板上的通孔区域相对于所述第一保温板上的通孔区域可选择的完全重合、部分重合或分离。

2.根据权利要求1所述的定向凝固装置，其特征在于，所述第一保温板和所述第二保温板上设置的同心圆环区域的数量为8个。

3.根据权利要求1所述的定向凝固装置，其特征在于，所述第一保温板和所述第二保温板的外轮廓为圆形。

4.根据权利要求1-3任一项所述的定向凝固装置，其特征在于，所述第一保温板利用石墨立柱进行固定。

5.根据权利要求4所述的定向凝固装置，其特征在于，所述第一保温板和所述第二保温板的材质为石墨。

6.根据权利要求5所述的定向凝固装置，其特征在于，所述旋转部件包括旋转电机和轴承。

7.一种多晶铸锭炉，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的定向凝固装置。

8.一种多晶铸锭方法，其特征在于，利用如权利要求7所述的多晶铸锭炉，步骤包括：

旋转所述第二保温板，当所述第二保温板的实体区域全部位于所述第一保温板的通孔区域的下部时，进行硅料的熔化；

硅料熔化完毕后，旋转所述第二保温板，当所述第二保温板的通孔区域部分或全部位于所述第一保温板的通孔区域的下部时，进行晶体的定向生长。