CN104726933B - 用于晶碇铸造炉的冷却装置及铸造晶碇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于晶碇铸造炉的冷却装置及铸造晶碇的方法，所述晶碇铸造炉包括有一坩埚，所述坩埚供放置晶种及固态的硅原料，所述冷却装置设置于所述坩埚下方，包含有一基座，其上设有至少一个冷却槽与至少一供流体通过的通道，所述冷却槽对应所述坩埚底部的角落区域，所述通道连通所述冷却槽与所述基座外部。所述铸造晶碇的方法在硅原料熔化的阶段注入流体至所述基座上的通道中，使流体对所述坩埚底面的角落区域进行冷却，以带走过多的热能，以避免位于坩埚角落区域的晶种完全熔化。
Description
技术领域
本发明涉及晶碇铸造；特别涉及一种用于晶碇铸造炉的冷却装置及铸造晶碇的方法。
背景技术
太阳能是最干净且取之不尽的能源，为满足日益增加的太阳能电池使用需求，以及降低太阳能电池的制作成本，目前制作太阳能电池所使用的芯片多是取自于可以大量生产的定向凝固法所制作的晶碇。
图１所示为现有的定向凝固法的晶碇铸造炉1，包含有一炉体10，以及设置于所述炉体10内部的一坩埚12、一绝缘笼14、多个加热器16。其中，所述坩埚12呈矩形，其底部具有四个角落。所述坩埚12供放置多个晶种18及固态的硅原料20。所述些加热器16设置于所述坩埚12的上方及四侧周壁的外围，所述加热器16对所述坩埚12加热。所述绝缘笼14罩设于所述坩埚12及所述加热器16外，所述绝缘笼14用以保持所述坩埚12的温度，且所述绝缘笼14可相对所述坩埚12向上或向下移动，以控制所述坩埚12的温度梯度的变化，达到使所述坩埚12中的硅原料20及部分的晶种18熔化或凝固的效果，以铸造成晶碇。
由于所述加热器16位于所述坩埚12四侧周壁外围，因此，在所述坩埚12的各个角落区域附近的加热器16产生的热能将过度集中于所述坩埚12的角落区域，使得各个角落区域的温度偏高，硅原料20熔化速度较快，在硅原料20熔化的阶段，将造成熔融状态的硅原料20的顶部与气体的界面不平整，呈现中央区域凸起的形状，而随着所述坩埚12中固态硅原料20往下熔化至接近所述晶种18时，角落区域的晶种18将较中央区域的晶种18提早熔化。当中央区域的晶种18顶部熔化时，角落区域的晶种18早已完全熔化，产生熔化不均的情形，如此，将使得角落区域的晶种18无法引晶，遂造成晶碇质量下降，进而影响晶碇切成芯片后所制成的太阳能电池的转换效率。
为了避免角落区域的晶种18完全熔化，目前常用的方法是在角落区域的晶种18尚未完全熔化的状况下，控制所述坩埚12的温度梯度的变化，使已熔化的晶种18及硅原料20冷却凝固，以使角落区域的晶种18可引晶，只是，在角落区域的晶种18尚未完全熔化的状态下，中央区域部分的晶种18顶部仍未开始熔化，如此，将使得中央区域部分的晶种18无法引晶，造成铸造完成的晶碇的底部中央区域处的质量下降，无法被利用，必须舍去，使得晶碇可用长度减少。
又如中国大陆专利公开号CN202297866、CN102071454、CN201713604、及CN102268728等专利文献，所述专利所揭示的晶碇铸造炉皆是在熔化的硅原料凝固结晶的阶段，利用位于坩埚下方的冷却装置来控制坩埚中硅原料固-液界面的平整，以提升晶碇质量。然而，所述晶碇铸造炉仍旧存在着在硅原料熔化的阶段中，坩埚底部角落区域的晶种完全熔化的疑虑。
因此，，现有的的晶碇铸造炉的设计仍未臻完善，尚有待改进之处。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于晶碇铸造炉的冷却装置及铸造晶碇的方法，可避免坩埚中位于角落区域的晶种完全熔化。
为实现上述目的，本发明所提供的用于晶碇铸造炉的冷却装置，所述晶碇铸造炉包括有一坩埚，所述坩埚底部具有至少一个角落，所述冷却装置位于所述坩埚下方，包括有一基座，所述基座具有至少一个冷却槽，所述冷却槽对应所述坩埚底部之所述角落，所述基座另具有至少一供流体通过的通道，所述通道连通所述冷却槽与所述基座外部。
本发明所提供的铸造晶碇的方法包含有下列步骤：将多个个晶种放置于一坩埚内的底部，以形成一晶种层，其中所述坩埚的底部具有至少一角落；将固态的硅原料放入所述坩埚中，使其等堆叠在所述晶种层上；加热所述坩埚，以将硅原料及所述晶种层顶部熔化成液态，其中，在加热过程中对所述坩埚底面的所述角落区域进行冷却，使所述晶种层的底部维持为固态；冷却所述坩埚，自所述晶种层顶部往上凝固结晶，直到所有的硅原料凝固结晶为止；凝固后晶种层及硅原料共同形成一晶碇。
本发明的优点在于，利用冷却装置对坩埚底部的角落区进行冷却，有效地避免位于角落区的晶种层底部熔化。
附图说明
图1为现有的晶碇铸造炉的示意图；
图2为本发明第一优选实施例的晶碇铸造炉示意图；
图3为本发明第一优选实施例的冷却装置立体图；
图4为本发明第一优选实施例的冷却装置俯视图；
图5为本发明第一优选实施例铸造晶碇的方法；
图6为本发明第二优选实施例的冷却装置立体图；
图7为本发明第二优选实施例的冷却装置俯视图；
图8为本发明第三优选实施例的冷却装置立体图；
图9为本发明第三优选实施例的冷却装置俯视图；
图10为本发明第四优选实施例的冷却装置立体图。
符号说明：
1、晶碇铸造炉；
10、炉体； 12、坩埚； 14、绝缘笼；
16、加热器； 18、晶种； 20、硅原料；
2、晶碇铸造炉；
22、炉体； 24、坩埚； 26、绝缘笼；
28、加热器； 30、冷却装置； 32、基座；
322、顶面； 324、通道； 326、导槽；
328、环槽； 328a、出口； 34、冷却槽；
36、进气管； 38、晶种； 40、晶种层；
42、硅原料；
44、冷却装置；
46、基座； 462、通道； 464、出口；
48、冷却槽；
50、冷却装置；
52、基座； 522、顶面； 524、环槽；
524a、出口； 526、通道； 528、导槽；
54、冷却槽；
56、冷却装置；
58、顶板； 60、接管。
具体实施方式
为能更清楚地说明本发明，列举优选实施例并配合图示详细说明，请参见图2至图4所示，为本发明第一优选实施例的晶碇铸造炉2，所述晶碇铸造炉2包含有一炉体22、一坩埚24、一绝缘笼26、多个加热器28与本发明的冷却装置30。其中，所述坩埚24呈矩形，其底部具有四个角落，所述坩埚24供放置多个晶种38及固态的硅原料42，且所述坩埚24设置于所述冷却装置30上。所述炉体22、所述绝缘笼26、所述加热器28与现有的晶碇铸造炉1相同，在此不赘述。
在本实施例中，所述冷却装置30包含有一基座32以及形成所述基座32上的多个冷却槽34。所述基座32承载所述坩埚24，所述基座32具有一顶面322，所述顶面322接触所述坩埚24的底面。所述冷却槽34自所述坩埚24的顶面322凹陷形成，且所述冷却槽34分别对应所述坩埚24底部的四个角落的区域。此外，所述基座32另具有两个允许以惰性气体为例的流体通过的通道324，所述两通道324分别连通位于斜对角的两个冷却槽34与所述基座32的外部。具体而言，其中一所述通道324贯穿一所述冷却槽34的槽面与所述基座32的底面，而另一所述通道324则位于所述基座的一导槽326中，且贯穿所述导槽326的槽面与所述基座32的底面，所述导槽326的另一端与一所述冷却槽34相通。所述基座32下方设置有一进气管36，所述进气管36连通所述两通道324，供注入惰性气体（例如氩气）至所述基座32中。
此外，所述基座32上更设置有一环槽328，所述环槽328环绕所述基座32顶面322周缘，且自所述基座32的顶面322凹陷形成。所述环槽328连通所述冷却槽34，使所述冷却槽34彼此相通，所述环槽328具有两个出口328a，所述两个出口328a形成于所述基座32的周面上且连通其中两个位于斜对角的冷却槽34与所述基座32外部。
利用上述的晶碇铸造炉2即可进行图５所示铸造晶碇的方法，所述方法包含下列步骤：
首先，将所述些晶种38放置于所述坩埚24内的底部，以形成一晶种层40。再将固态的硅原料42放入所述坩埚24中，使其堆叠在所述晶种层40上。
接着进行加热步骤，加热所述坩埚24以将硅原料42及所述晶种层40顶部熔化成液态。其中，在所述绝缘笼26罩住所述坩埚24后，控制所述加热器28加热，并控制加热温度及加热时间，使所述坩埚24内的硅原料42开始熔化。在硅原料42熔化后，利用一石英棒（图未示）由所述坩埚24的顶部伸入熔化成液态的硅原料42中，探测所述坩埚24内部剩余的固态硅原料42的高度。
在所探测的固态硅原料42高度低于一预定高度时，开始自所述进气管36注入惰性气体。所注入的惰性气体自对应的两个冷却槽34经由环槽328流通至另外两个冷却槽34，再由所述两个出口328a流出所述基座32外。如此，即可利用通入的惰性气体带走所述坩埚24底部的部分热能，以对所述坩埚24底面的所述四个角落区域进行冷却，使所述晶种层40的底部维持为固态，避免让位于角落区域的晶种层40，因附近的加热器28产生的热能过度集中于角落区域而使得角落区域的晶种层40完全熔化。值得一提的是，通过所述环槽328的惰性气体亦同时对所述坩埚24底面的周缘进行冷却，亦可确保位于周缘的晶种层40的底部保持为固态。
在全部的硅原料42熔化成液态以及所述晶种层40顶部开始熔化后，控制所述绝缘笼26逐渐往上提升，并控制所述绝缘笼26的开度，使内部的热从开启的缝隙散去。使所述坩埚24底部的晶种层40的温度下降至熔点温度以下而凝固结晶。随着所述绝缘笼26逐渐往上升，所述坩埚24内的硅原料42的固/液态界面逐渐往上提升，直到所述坩埚24内的硅原料42全部凝固结晶。至此，凝固后晶种层40及硅原料42共同形成一晶碇。
依据发明人的实验，每一所述冷却槽34的正投影范围的面积为所述坩埚24底面面积的16%以下，可产生良好的冷却角落区域的效果同时亦不影响位于中央区域的晶种层40顶部的温度，使得所述晶种层40的顶部可以均匀的熔化，不会有熔化不均的情形产生。
在上述中，在固态硅原料42熔化阶段，利用冷却装置30对所述坩埚24的角落区域进行冷却，可有效地让晶种层40的底部维持为固态，且不影响位于中央区域的晶种层40的温度。如此，有效改善现有的晶碇铸造炉1在坩埚角落区域热能过度集中使得角落的晶种完全熔化的缺点。实务上，若基座32大于坩埚24底部，且冷却槽34涵盖的范围超出所述坩埚24之外，使得冷却槽34可直接连通基座32外部时，则不需设置所述出口328a即可让惰性气体直接由冷却槽34与坩埚24之间排出基座32外。
图６与图７为本发明第二优选实施例的冷却装置44，其具有大致相同于前述第一实施例的结构，不同的是，本实施例的基座46未设置环槽，且各个冷却槽48各别连通一通道462以及一出口464。由各所述通道462注入惰性气体后，惰性气体经由各所述冷却槽48由各所述出口464排出，同样具有对坩埚24的角落区域冷却的效果。
图８与图９为本发明第三优选实施例的冷却装置50，与前述各实施例不同的是，所述基座52顶面522设置有多个环槽524，所述环槽524彼此相隔一距离地环绕所述基座52顶面522的周缘，且所述环槽524彼此相通。所述基座52上具有两通道，一所述通道526直接连通位于内圈的环槽524，另一所述通道526透过一导槽528连通位于内圈的环槽524。位于外圈的环槽524具有一出口524a连通所述基座52外部。所述环槽524对应于所述坩埚24底部角落的部位构成冷却槽54。自所述两个通道526通注入惰性气体后，惰性气体依序通过内圈及外圈的环槽524，以对所述坩埚24底面的周缘及角落区域进行冷却。
图10所示为本发明第四优选实施例的冷却装置56，其以上述第一实施例为基础，在所述基座32上进一步设置有一顶板58，所述顶板58结合于所述基座32的顶面322，且所述顶板58接触所述坩锅24的底面。所述冷却槽34即位于所述冷却装置56的内部，而非显露于外，如此，所述通道324即可通入冷却用的液体，利用通过冷却槽34的液体对冷却槽34上方的顶板58的角落区域进行冷却，而所述基座32上出口328a的位置则设置有连通基座32内部的两个接管60，所述两个接管60回收自所述两个出口328a输出的液体，以避免液体外漏。由于所述顶板58接触所述坩埚24的底面，因此，同样具有对坩埚24的角落区域冷却的效果。实务上，前述第二、第三实施例的基座46, 52均可设置本实施例的顶板58及接管60，如此即可通入冷却用的液体。
前述各实施例中，基座上的冷却槽以四个为例，实务上，亦可依需求设置一个或一个以上的冷却槽，以对应坩埚24需冷却的的角落。
综上所述，本发明的冷却装置可有效地对坩埚底部的角落区域进行冷却，在铸造晶碇过程中硅原料熔化的阶段，有效地避免晶种层熔化不均匀，及保护角落的晶种不会完全熔化，使所有的晶种皆可进行引晶，以提升晶碇的质量及可用长度，对晶碇切片后可获取高质量的芯片，以提升芯片制作成太阳能电池的转换效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种用于晶碇铸造炉的冷却装置，所述晶碇铸造炉包括有一坩埚，所述坩埚底部具有至少一个角落，所述冷却装置位于所述坩埚下方，其特征在于，所述冷却装置包括有：一基座，所述基座具有至少一个冷却槽，所述冷却槽对应所述坩埚底部的所述角落，所述基座还具有至少一供流体通过的通道，所述通道连通所述冷却槽与所述基座外部，所述冷却槽的正投影范围面积为所述坩埚底面面积的16％以下。
2.根据权利要求1所述的用于晶碇铸造炉的冷却装置，其特征在于，所述至少一角落的数量为多个，所述至少一冷却槽的数量为多个，每一冷却槽对应一个角落，且所述冷却槽通过一环槽而彼此相通，所述通道与其中一所述冷却槽相通，所述环槽具有至少一出口连通所述基座外部。
3.根据权利要求1所述的用于晶碇铸造炉的冷却装置，其特征在于，所述至少一角落的数量为多个，所述至少一冷却槽的数量为多个，所述至少一通道的数量为多个，每一冷却槽对应一个角落，且每一通道分别连通对应的一所述冷却槽。
4.根据权利要求3所述的用于晶碇铸造炉的冷却装置，其特征在于，所述基座具有多个出口连通所述基座外部与对应的冷却槽。
5.根据权利要求1所述的用于晶碇铸造炉的冷却装置，其特征在于，所述至少一角落的数量为多个，所述基座具有多个环槽，所述环槽彼此相隔一距离地环绕所述基座顶面的周缘，所述环槽彼此相通，所述环槽中至少一个连通所述通道，所述环槽对应于所述坩埚底部角落的部位构成冷却槽。
6.根据权利要求5所述的用于晶碇铸造炉的冷却装置，其特征在于，所述环槽中至少一个具有至少一出口连通所述基座外部。
7.根据权利要求2、4或6所述的用于晶碇铸造炉的冷却装置，其特征在于，包含有一顶板，所述顶板结合在所述基座的顶部，且所述顶板接触所述坩埚 的底面。
8.根据权利要求1所述的用于晶碇铸造炉的冷却装置，其特征在于，所述基座具有一出口连通所述冷却槽与所述基座外部；一顶板，结合在所述基座顶部，且所述顶板接触所述坩埚 的底面。
9.一种铸造晶碇的方法，其特征在于，包含下列步骤：将多个晶种放置于一坩埚内的底部，以形成一晶种层，其中，所述坩埚的底部具有至少一角落；将固态的硅原料放入所述坩埚中，使其等堆叠于所述晶种层上；加热所述坩埚，以将硅原料及所述晶种层顶部熔化成液态，其中，在加热过程中对所述坩埚底面的所述角落区域进行冷却，使所述晶种层的底部维持为固态；以及冷却所述坩埚，以自所述晶种层顶部往上凝固结晶，直到所有的硅原料凝固结晶为止；凝固后晶种层及硅原料共同形成一晶碇，所述坩埚底面受冷却的所述角落区域的面积占所述坩埚底面面积的16％以下。
10.根据权利要求9所述的铸造晶碇的方法，其特征在于，在加热所述坩埚的过程中，探测所述坩埚内部固态的硅原料的高度，且在所探测的高度低于一预定高度时开始对所述坩埚底面的所述角落区域进行冷却。
11.根据权利要求10所述的铸造晶碇的方法，其特征在于，在加热所述坩埚的过程中，更包括对所述坩埚底面的周缘进行冷却。
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