CN105063747A - 一种液态连续加料多晶硅铸锭设备及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态连续加料多晶硅铸锭设备，包括硅料融化炉室，所述硅料融化炉室上下两端分别设有料箱和铸锭炉室，所述硅料融化炉室和所述铸锭炉室内分别设有保温毡和铸锭炉室保温毡，所述保温毡内设有与所述料箱相配合的熔料坩埚，位于所述熔料坩埚与所述保温毡之间的空间内均匀设有若干加热器，所述熔料坩埚与所述铸锭炉室之间通过硅液流动管相连接，所述硅液流动管上下两端分别设有硅液流量控制杆和硅液喷洒装置，所述硅液流动管内相应位置设有硅液流量控制阀，位于所述硅液喷洒装置下方的所述铸锭炉室上设有与所述硅液喷洒装置相配合的铸锭坩埚护板，所述铸锭坩埚护板内设有铸锭坩埚。

Description

一种液态连续加料多晶硅铸锭设备及其生产方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏多晶铸锭领域，具体来说，涉及一种液态连续加料多晶硅铸锭设备及其生产方法。

背景技术

人类社会进入工业文明以来对于能源的需求日益增长，随着技术进步以及人口增长，人类能源需求成指数级增长。在过去200年左右的工业化社会的发展过程中，人类的能源主要来自于石油、煤炭以及天然气等不可再生的化石能源。近年来，化石能源的弊端逐步显示出来，比如化石能源资源的有限性导致化石能源的储量在未来几十年即将被人类耗尽，另外，化石能源的大规模使用也对人类环境照成了难以逆转的负面影响。在当前世界的能源背景下，人类开始开发和利用可替代的能源，因此太阳能、风能等新兴可再生能源成为人类关注的焦点。太阳能光伏发电，其能源的可持续性以及对环境的友好性等优点突出，在本世纪近十几年来迅猛发展，发电成本逐渐接近传统化石能源所产生的电力，并且在可见的未来能够进一步降低成本，在能源领域获得比传统能源更有竞争力的地位。

目前太阳能光伏发电主要使用晶体硅太阳能电池组件将太阳光转为电能，晶体硅太阳能电池按衬底有多晶硅和单晶硅两种，其中多晶硅由于具有较低的生产成本、较高的生产效率以及合适的电池效率在太阳能光伏市场上占据主流位置。太阳能光伏用多晶硅生产使用定向凝固技术，块状多晶硅被装入多晶坩埚后，加热融化，然后定向凝固得到铸造多晶硅锭。随着多晶铸锭技术的进步，工业化生产的多晶炉尺寸逐步从G4发展到当前主流的G6尺寸，未来G7、G8尺寸的多晶炉可能成为主流。随着多晶炉尺寸的增加，装料量也从G4的250Kg发展到G6的850Kg，预计到G8装料量可达1500Kg以上，随着装料量的增加，需要更长的融化时间，更大的坩埚。由于装料量的增加，漏硅的危险性也大大提高。

所以，研制出一种使用时能够减少硅料加热融化过程中的热辐射损失、能耗低、生产效率高、生产周期短、安全性高、提高多晶坩埚使用效率、提高硅锭电阻率分布均一性、降低硅晶体中由坩埚和气氛中引入的氧碳或金属杂质含量、降低生产成本和产品质量好的多晶硅铸锭设备及其生产方法，便成为业内人士亟需解决的问题。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种液态连续加料多晶硅铸锭设备及其生产方法，使用时能够减少硅料加热融化过程中的热辐射损失，并且能耗低、生产效率高、生产周期短、安全性高、提高多晶坩埚使用效率、提高硅锭电阻率分布均一性、降低硅晶体中由坩埚和气氛中引入的氧碳或金属杂质含量、降低生产成本和产品质量好。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种液态连续加料多晶硅铸锭设备，包括硅料融化炉室，所述硅料融化炉室上下两端分别设有料箱和铸锭炉室，所述硅料融化炉室和所述铸锭炉室内分别设有保温毡和铸锭炉室保温毡，所述保温毡内设有与所述料箱相配合的熔料坩埚，位于所述熔料坩埚与所述保温毡之间的空间内均匀设有若干加热器，所述熔料坩埚与所述铸锭炉室之间通过硅液流动管相连接，所述硅液流动管上下两端分别设有硅液流量控制杆和硅液喷洒装置，所述硅液流动管内相应位置设有硅液流量控制阀，位于所述硅液喷洒装置下方的所述铸锭炉室上设有与所述硅液喷洒装置相配合的铸锭坩埚护板，所述铸锭坩埚护板内设有铸锭坩埚，位于所述铸锭坩埚护板与所述铸锭炉室保温毡之间的空间内均匀设有若干铸锭炉室加热器。

进一步的，所述料箱包括固态硅料存储箱，所述固态硅料存储箱与所述熔料坩埚之间通过连接管相连接，所述连接管与所述固态硅料存储箱结合处以及所述连接管与所述熔料坩埚结合处均设有送料阀门。

进一步的，所述料箱包括硅料棒送料箱，所述硅料棒送料箱内设有硅料棒送料装置，其中，所述硅料棒送料装置一端延伸至所述熔料坩埚内，位于所述硅料融化炉室与所述硅料棒送料箱结合处的所述硅料棒送料装置上设有融化炉室开关阀门。

进一步的，所述熔料坩埚外侧侧壁上均设有坩埚护板。

进一步的，所述加热器包括电阻加热器和感应加热器。

一种液态连续加料多晶硅铸锭的生产方法，包括如下步骤：

步骤一：首先关闭送料阀门，将预先配置好的固态硅料装入所述固态硅料存储箱中，再将固态硅料存储箱抽真空，通入惰性保护气体；

步骤二：打开送料阀门，将所述固态硅料放置于所述连接管内；

步骤三：在铸锭炉室内装入铸锭坩埚、铸锭坩埚护板以及预先配置好的固态硅料，然后开启加热器加热铸锭炉室，将该固态硅料融化；

步骤四：再将送料阀门关闭，同时关闭硅液流量控制杆或者硅液流量控制阀门，打开所述连接管下端的送料阀门，将所述连接管内的固态硅料放入熔料坩埚后再关闭所述送料阀门，接着打开硅料融化炉室内的电阻加热器或者感应加热器，将该固态硅料融化；

步骤五：待硅料融化炉室内的固态硅料被部分或全部融化后，开启硅液流量控制杆或者硅液流量控制阀门，使硅液流入铸锭坩埚内；

步骤六：根据需求控制硅料融化炉室的加热功率，并定时重复步骤一和步骤四，对熔料坩埚进行固态硅料补偿；

步骤七：当铸锭炉室内的硅料全部融化且硅液开始长晶过程时，根据需要对来自硅料融化炉室中的液态硅持续补充；

步骤八：当液态硅料总量补充完毕便停止固态和液态硅料的加料。

进一步的，所述步骤一中的硅料尺寸小于30mm，并且所述惰性气体包括氩气。

进一步的，所述步骤六中的加热程度要确保硅料融化速率与硅液流入铸锭坩埚速率接近或稍高。

本发明的有益效果：能够减少硅料加热融化过程中的热辐射损失、能耗低、生产效率高、生产周期短、安全性高、提高多晶坩埚使用效率、提高硅锭电阻率分布均一性、降低硅晶体中由坩埚和气氛中引入的氧碳或金属杂质含量、降低生产成本和产品质量好。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是根据本发明实施例所述的液态连续加料多晶硅铸锭设备的结构示意图一；

图2是根据本发明实施例所述的液态连续加料多晶硅铸锭设备的结构示意图二；

图3是根据本发明实施例所述的液态连续加料多晶硅铸锭设备的结构示意图三。

图中：

1、固态硅料存储箱；2、送料阀门；3、电阻加热器；4、硅料融化炉室；5、保温毡；6、加热器；7、坩埚护板；8、熔料坩埚；9、硅液流量控制杆；10、硅液流动管；11、硅液流量控制阀；12、硅液喷洒装置；13、铸锭炉室加热器；14、铸锭坩埚护板；15、铸锭炉室保温毡；16、铸锭炉室；17、连接管；18、料箱；19、硅料棒送料箱；20、硅料棒送料装置；21、融化炉室开关阀门；22、感应加热器。

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所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，根据本发明的实施例所述的一种液态连续加料多晶硅铸锭设备，包括硅料融化炉室4，所述硅料融化炉室4上下两端分别设有料箱18和铸锭炉室16，所述硅料融化炉室4和所述铸锭炉室16内分别设有保温毡5和铸锭炉室保温毡15，所述保温毡5内设有与所述料箱18相配合的熔料坩埚8，位于所述熔料坩埚8与所述保温毡5之间的空间内均匀设有若干加热器6，所述熔料坩埚8与所述铸锭炉室16之间通过硅液流动管10相连接，所述硅液流动管10上下两端分别设有硅液流量控制杆9和硅液喷洒装置12，所述硅液流动管10内相应位置设有硅液流量控制阀11，位于所述硅液喷洒装置12下方的所述铸锭炉室16上设有与所述硅液喷洒装置12相配合的铸锭坩埚护板14，所述铸锭坩埚护板14内设有铸锭坩埚，位于所述铸锭坩埚护板14与所述铸锭炉室保温毡15之间的空间内均匀设有若干铸锭炉室加热器13。

在一个实施例中，所述料箱18包括固态硅料存储箱1，所述固态硅料存储箱1与所述熔料坩埚8之间通过连接管17相连接，所述连接管17与所述固态硅料存储箱1结合处以及所述连接管17与所述熔料坩埚8结合处均设有送料阀门2。

在一个实施例中，所述料箱18包括硅料棒送料箱19，所述硅料棒送料箱19内设有硅料棒送料装置20，其中，所述硅料棒送料装置20一端延伸至所述熔料坩埚8内，位于所述硅料融化炉室4与所述硅料棒送料箱19结合处的所述硅料棒送料装置20上设有融化炉室开关阀门21。

在一个实施例中，所述熔料坩埚8外侧侧壁上均设有坩埚护板7。

在一个实施例中，所述加热器6包括电阻加热器3和感应加热器22。

一种液态连续加料多晶硅铸锭的生产方法，包括如下步骤：

步骤一：首先关闭送料阀门2，将预先配置好的固态硅料装入所述固态硅料存储箱1中，再将固态硅料存储箱1抽真空，通入惰性保护气体；

步骤二：打开送料阀门2，将所述固态硅料放置于所述连接管17内；

步骤三：在铸锭炉室16内装入铸锭坩埚、铸锭坩埚护板14以及预先配置好的固态硅料，然后开启加热器6加热铸锭炉室16，将该固态硅料融化；

步骤四：再将送料阀门2关闭，同时关闭硅液流量控制杆9或者硅液流量控制阀门11，打开所述连接管17下端的送料阀门2，将所述连接管17内的固态硅料放入熔料坩埚8后再关闭所述送料阀门2，接着打开硅料融化炉室内4的电阻加热器3或者感应加热器22，将该固态硅料融化；

步骤五：待硅料融化炉室4内的固态硅料被部分或全部融化后，开启硅液流量控制杆9或者硅液流量控制阀门11，使硅液流入铸锭坩埚内；

步骤六：根据需求控制硅料融化炉室4的加热功率，并定时重复步骤一和步骤四，对熔料坩埚8进行固态硅料补偿；

步骤七：当铸锭炉室16内的硅料全部融化且硅液开始长晶过程时，根据需要对来自硅料融化炉室4中的液态硅持续补充；

步骤八：当液态硅料总量补充完毕便停止固态和液态硅料的加料。

在一个实施例中，所述步骤一中的硅料尺寸小于30mm，并且所述惰性气体包括氩气。

在一个实施例中，所述步骤六中的加热程度要确保硅料融化速率与硅液流入铸锭坩埚速率接近或稍高。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，实施例一：所述铸锭炉室16内装入铸锭坩埚（G6，G7或者G8）和所述铸锭坩埚护板14，坩埚内装有一定量的硅料，硅料形状任意，装料量在0-500Kg之间，少于坩埚额定装料量，所述硅料融化炉室4内的所述熔料坩埚8装入0-80Kg硅料，所述固态硅料存储箱1内装入10-200Kg硅料，系统抽真空，通氩气，开启所述铸锭炉室16以及所述硅料融化炉室4内加热系统，加热融化各炉室内的硅料，加热过程中所述送料阀门2关闭，所述硅液流动管10通过所述硅液流量控制阀11或者所述硅液流量控制杆9控制处于关闭状态，在所述铸锭炉室16化料或者长晶过程中，待所述硅料融化炉室4中硅料全部熔完后，开启所述硅料融化炉室4中的所述硅液流动管10的所述硅液流量控制阀11或者所述硅液流量控制杆9，使硅液以一定的流速流入所述铸锭炉室16。在所述铸锭炉室16的坩埚中硅料全部融化后，按照铸锭工艺开始后续长晶工艺，同时所述硅料融化炉室4中的液态硅料以一定的流速通过所述硅液喷洒装置12流入所述铸锭炉室16的坩埚中，同时所述铸锭炉室16中的铸锭步骤按工艺进行。每隔一定时间（10-60分钟）所述固态硅料存储箱1中的硅料会通过所述送料阀门2被定量补充到所述硅料融化炉室4内被加热融化，每次固态硅料补充补充约5-50Kg左右。所述固态硅料存储箱1中的硅料耗尽后，对其进行人工加料，总的人工加料次数视铸锭总重量而定。达到设定硅料总量后停止加料。在一定量的硅料全部加入到所述硅料融化炉室4后，停止固态加料。在所述硅料融化炉室4内硅料全部流入所述铸锭炉室16后关闭所述硅料融化炉室4内的所述电阻加热器3和所述感应加热器22，并关闭所述硅液流动管10的所述硅液流量控制阀11或者所述硅液流量控制杆9，所述铸锭炉室16内长晶步骤按工艺进行，直至工艺结束；

实施例二：

所述铸锭炉室16内装入铸锭坩埚（G6，G7或者G8）和所述铸锭坩埚护板14，坩埚内装有一定量的硅料，硅料形状任意，装料量在0-500Kg之间，少于坩埚额定装料量。所述硅料融化炉室4内的所述熔料坩埚8装入0-80Kg硅料，所述硅料棒送料箱19装入一根多晶硅料棒，系统抽真空，通氩气。开启所述铸锭炉室16以及所述硅料融化炉室4内加热系统，加热融化各炉室内的硅料，加热过程中所述送料阀门2关闭，所述硅液流动管10通过所述硅液流量控制阀11或者所述硅液流量控制杆9控制处于关闭状态，在所述铸锭炉室16化料或者长晶过程中，待所述硅料融化炉室4中硅料全部熔完后，开启所述硅料融化炉室4中的所述硅液流动管10的所述硅液流量控制阀11或者所述硅液流量控制杆9，使硅液以一定的流速流入所述铸锭炉室16。在所述铸锭炉室16的坩埚中硅料全部融化后，按照铸锭工艺开始后续长晶工艺，同时所述硅料融化炉室4中的液态硅料以一定的流速通过所述硅液喷洒装置12流入所述铸锭炉室16的坩埚中，同时所述铸锭炉室16中的铸锭步骤按工艺进行。根据所述硅料棒送料箱19装入一根多晶硅料棒重量变化逐步将多晶硅料棒送入所述硅料融化炉室4，直至接近完全熔完，将剩余少量硅棒放入所述熔料坩埚8中。关闭所述融化炉室开关阀门21，将另一根多晶硅料棒放入所述硅料棒送料箱19中，重复上述化料过程。总的加料次数视铸锭总重量而定。达到设定硅料总量后停止加料。在一定量的硅料全部加入到所述硅料融化炉室4融化后，停止硅料棒的加料。在所述硅料融化炉室4内硅料全部流入所述铸锭炉室16后关闭所述硅料融化炉室4内的所述加热器6，并关闭所述硅液流动管10的所述硅液流量控制阀11或者所述硅液流量控制杆9，所述铸锭炉室16内长晶步骤按工艺进行，直至工艺结束。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过硅液流动管10和硅液流量控制阀11以及若干加热器的作用，能够减少硅料加热融化过程中的热辐射损失、能耗低、生产效率高、生产周期短、安全性高、提高多晶坩埚使用效率、提高硅锭电阻率分布均一性、降低硅晶体中由坩埚和气氛中引入的氧碳或金属杂质含量、降低生产成本和产品质量好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液态连续加料多晶硅铸锭设备，其特征在于，包括硅料融化炉室（4），所述硅料融化炉室（4）上下两端分别设有料箱（18）和铸锭炉室（16），所述硅料融化炉室（4）和所述铸锭炉室（16）内分别设有保温毡（5）和铸锭炉室保温毡（15），所述保温毡（5）内设有与所述料箱（18）相配合的熔料坩埚（8），位于所述熔料坩埚（8）与所述保温毡（5）之间的空间内均匀设有若干加热器（6），所述熔料坩埚（8）与所述铸锭炉室（16）之间通过硅液流动管（10）相连接，所述硅液流动管（10）上下两端分别设有硅液流量控制杆（9）和硅液喷洒装置（12），所述硅液流动管（10）内相应位置设有硅液流量控制阀（11），位于所述硅液喷洒装置（12）下方的所述铸锭炉室（16）上设有与所述硅液喷洒装置（12）相配合的铸锭坩埚护板（14），所述铸锭坩埚护板（14）内设有铸锭坩埚，位于所述铸锭坩埚护板（14）与所述铸锭炉室保温毡（15）之间的空间内均匀设有若干铸锭炉室加热器（13）。

2.根据权利要求1所述的液态连续加料多晶硅铸锭设备，其特征在于，所述料箱（18）包括固态硅料存储箱（1），所述固态硅料存储箱（1）与所述熔料坩埚（8）之间通过连接管（17）相连接，所述连接管（17）与所述固态硅料存储箱（1）结合处以及所述连接管（17）与所述熔料坩埚（8）结合处均设有送料阀门（2）。

3.根据权利要求1所述的液态连续加料多晶硅铸锭设备，其特征在于，所述料箱（18）包括硅料棒送料箱（19），所述硅料棒送料箱（19）内设有硅料棒送料装置（20），其中，所述硅料棒送料装置（20）一端延伸至所述熔料坩埚（8）内，位于所述硅料融化炉室（4）与所述硅料棒送料箱（19）结合处的所述硅料棒送料装置（20）上设有融化炉室开关阀门（21）。

4.根据权利要求1所述的液态连续加料多晶硅铸锭设备，其特征在于，所述熔料坩埚（8）外侧侧壁上均设有坩埚护板（7）。

5.根据权利要求1所述的液态连续加料多晶硅铸锭设备，其特征在于，所述加热器（6）包括电阻加热器（3）和感应加热器（22）。

6.一种液态连续加料多晶硅铸锭的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：首先关闭送料阀门（2），将预先配置好的固态硅料装入所述固态硅料存储箱（1）中，再将固态硅料存储箱（1）抽真空，通入惰性保护气体；

步骤二：打开送料阀门（2），将所述固态硅料放置于所述连接管（17）内；

步骤三：在铸锭炉室（16）内装入铸锭坩埚、铸锭坩埚护板（14）以及预先配置好的固态硅料，然后开启加热器（6）加热铸锭炉室（16），将该固态硅料融化；

步骤四：再将送料阀门（2）关闭，同时关闭硅液流量控制杆（9）或者硅液流量控制阀门（11），打开所述连接管（17）下端的送料阀门（2），将所述连接管（17）内的固态硅料放入熔料坩埚（8）后再关闭所述送料阀门（2），接着打开硅料融化炉室内（4）的电阻加热器（3）或者感应加热器（22），将该固态硅料融化；

步骤五：待硅料融化炉室（4）内的固态硅料被部分或全部融化后，开启硅液流量控制杆（9）或者硅液流量控制阀门（11），使硅液流入铸锭坩埚内；

步骤六：根据需求控制硅料融化炉室（4）的加热功率，并定时重复步骤一和步骤四，对熔料坩埚（8）进行固态硅料补偿；

步骤七：当铸锭炉室（16）内的硅料全部融化且硅液开始长晶过程时，根据需要对来自硅料融化炉室（4）中的液态硅持续补充；

步骤八：当液态硅料总量补充完毕便停止固态和液态硅料的加料。

7.根据权利要求6所述的液态连续加料多晶硅铸锭设备，其特征在于，所述步骤一中的硅料尺寸小于30mm，并且所述惰性气体包括氩气。

8.根据权利要求6所述的液态连续加料多晶硅铸锭设备，其特征在于，所述步骤六中的加热程度要确保硅料融化速率与硅液流入铸锭坩埚速率接近或稍高。