CN105417542B - 一种空心硅芯及其硅芯组件 - Google Patents

Abstract

一种空心硅芯及其硅芯组件，涉及一种多晶硅生产过程中使用的硅芯，该硅芯由若干硅条（2、14）拼接而成，所述的拼接是首尾相连的，或者留有间隙，该间隙在结晶过程中被弥合，采用本发明所述的组合式空心硅芯，无需直接拉制难度较大的空心硅芯，只需拉制硅板或硅棒，然后由硅板或硅棒组合成所需横截面形状的空心硅芯。本发明具有拉制难度低、结晶效率高以及使用成本低等特点，特别适合在多晶硅领域大面积推广和应用。

Description

一种空心硅芯及其硅芯组件

【技术领域】

本发明涉及一种多晶硅生产过程中使用的硅芯，具体说涉及一种空心硅芯及其组件。

【背景技术】

随着光伏（PV）行业的发展，多晶硅的使用量在逐渐增大。生产多晶硅时，多数是利用还原炉进行多晶硅的还原生产，即通过化学气相沉积（CVD）法在硅芯的表面沉积多晶硅。在现有技术中，首先将三根实心圆硅芯或方硅芯搭接成“Π”字形结构，然后在还原炉内进行还原反应。所述还原反应是在一个密闭的还原炉中进行的。先在还原炉内用硅芯搭接成若干“Π”字形结构的闭合回路，即进行“搭桥”。每个闭合回路都由两根竖硅芯和一根横硅芯组成。将闭合回路的两个竖硅芯分别接在炉底的两个电极上，两个电极分别连接直流电源的正负极。

为了便于描述，在本发明中将这种按照“Π”字形结构搭接好的硅芯组合体称作“硅芯组件”。

将一个或多个硅芯组件放置在还原炉内，利用直流电对硅芯进行加热，加热中每一组搭接好的硅芯组件即相当于一个大电阻。继而向密闭的还原炉内通入氢气和三氯氢硅，开始进行多晶硅的沉积。在还原炉内多晶硅会逐渐沉积在硅芯的表面形成多晶硅棒。多晶硅棒经过破碎后再利用直拉炉拉制成单晶硅棒。

现有技术在搭接硅芯组件时，通常使用的硅芯为直径8mm左右的实心圆硅芯或用硅锭经线切割形成的10×10 mm的方硅芯。在还原反应过程中，生成的硅不断沉积在硅芯表面，硅芯的表面积会越来越大，反应气体分子对沉积面（硅芯表面）的碰撞机会和数量也会随之增加。当单位面积的沉积速率不变时，表面积愈大则沉积的多晶硅量也愈多。因此在搭接硅芯组件时，所使用硅芯的直径越大，多晶硅的生长效率也越高。相对而言，使用大硅芯不仅可以提高多晶硅还原时的生产效率，同时也可以降低生产成本。

为此，本申请人也曾试图采用大直径的实心硅芯。大直径的实心硅芯固然可以提高还原过程的生产率，但大直径硅芯的拉制却也存在生产效率低下的问题。硅芯的直径越大，其拉制也越发困难，并且在炉内一次拉制的根数也受到限制。此外，采用大直径的实心硅芯还存在不便运输、搭接后击穿难度大等问题。

为了提高多晶硅的生产效率，美国GT太阳能公司在其专利号为200780015406.5、名称为“在化学气相沉积反应器中提高的多晶硅沉积”的专利文献中公开了一种横截面为圆形的空心硅芯，用直径为50毫米的管状硅丝替代传统的细棒，从而提高产量。该文件的全部内容在本专利中被用作参考。

采用上述专利的这种空心硅芯虽然可以解决现有技术中的部分问题，但由于空心硅芯的拉制存在困难，故目前尚未见大规模实施。

【发明内容】

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种组合式空心硅芯及其硅芯组件。本发明无需预先拉制空心硅芯，只需拉制出常规的硅板或硅棒，然后将切割好的硅板或硅棒组合成适宜的几何形状即可获得所需形状的空心硅芯。该硅芯既具有较大的周向尺寸、同时又兼具空心的特点，从而既保持了现有技术中空心硅芯的优点，又解决了拉制空心硅芯所面临的困难。从而提高了多晶硅的拉制效率、降低了生产成本。

本发明的技术方案如下：

一种空心硅芯，该硅芯用若干硅条拼接而成。所述的硅条可以是横截面为正方形或矩形的硅条，也可以是横截面为圆形或椭圆形的硅棒。

所述的拼接可以是首尾相连、也可以保留一定的间隙，该间隙在结晶过程中逐渐被弥合。

拼接而成的空心硅芯，其横截面形状可以是空心的多边形，也可以是空心的圆形。所述的多边形可以是正多边形，也可以是其它多边形；所述多边形可以是三角形、正方形、长方形、平行四边形、菱形、五角星形、六边形等。

本发明还公开了一种硅芯组件，该硅芯组件除了包括上述拼接的空心硅芯外，还包括硅芯的上锁紧机构和下锁紧机构。借助于上、下锁紧机构将拼接起来的空心硅芯固定住，并导通电流。

下锁紧机构可以由一固定座构成，固定座的外周形状与空心硅芯的横截面形状相匹配。沿着固定座的外周面垂直放置多根硅条，相邻的硅条可以首尾相连、也可以留有一定的间隙，该间隙在结晶过程中会逐渐弥合。再在硅条的外侧安装一硅条固定套，由此将硅条的下端固定在固定座上。

固定座的下部端可以为向外延伸的凸台，使固定座呈台阶状，凸台的上表面构成硅板下端的限位面。

所述固定套的外周形状可以为圆形、方形、三角形等。

在硅条固定套的外缘面上可以加设顶紧螺栓，将硅条加紧。

也可以在固定座上表面开设若干孔或凹槽，其组合后的形状与空心硅芯的横截面形状相匹配。

上述的孔或凹槽也可以设置在一附加的板材上，其可以是盲孔也可以是通孔。

孔或凹槽与硅条之间的配合为过盈配合，以便固定住硅条。

为了提高圆硅芯或方形硅条在插孔或硅条固定槽内的稳定性，可以在固定座的外周面上设置贯通至插孔或硅条固定槽的锁紧孔，通过顶紧螺栓对硅条进行固定。

或者在固定座的外周面上套接护套，在护套的上面开设若干螺孔，顶紧螺栓穿过螺孔及固定座周面上的穿孔将硅条固定住。

上锁紧机构设置在硅条的上端，可以借助一横硅板将两组空心硅芯连接并固定住，例如可以在横硅板的下表面设置形状与空心硅芯形状相匹配的孔或凹槽，其配合采用过盈配合。

对于由四根硅条拼接而成的矩形截面的空心硅芯来说，其上锁紧机构也可以由一前后竖硅板锁紧条和一左右竖硅板锁紧条构成，即在前后竖硅板锁紧条和左右竖硅板锁紧条的下侧面与硅条相对应的位置分别开设硅板卡槽，前后竖硅板锁紧条和左右竖硅板锁紧条交叉搭接在一起，由此将每一根空心硅芯的上端锁定，然后通过搭桥的方式将两根空心硅芯连接在一起。

采用本发明的技术方案具有如下有益效果：

采用本发明所述的组合式空心硅芯，无需直接拉制难度较大的空心硅芯，只需拉制硅板或硅棒，然后由硅板或硅棒组合成所需横截面形状的空心硅芯。本发明具有拉制难度低、结晶效率高以及使用成本低等特点，特别适合在多晶硅领域大面积推广和应用。

【附图说明】

图1是本发明硅芯组件的整体结构示意图；

图2是本发明圆形截面硅芯组件的结构示意图；

图3是本发明一种下锁紧机构的结构示意图；

图4是本发明中正方形硅芯组件的俯视结构示意图；

图5是本发明中另一种下锁紧机构的结构示意图；

图6是本发明中另一实施例中下锁紧机构的结构示意图；

图7是本发明中一种上锁紧机构的结构示意图；

图8是本发明中另一种上锁紧机构的示意图；

附图中的标号表示：1、横硅板；2、竖硅板；3、固定套；4、顶紧螺栓；5、固定座；6、插孔；7、锁紧孔；8、穿孔；9、护套；10、螺孔；11、回形槽；12、前后竖硅板锁紧条；13、左右竖硅板锁紧条；14、圆硅芯。

【具体实施方式】

以下通过几个实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

该实施例用于制备一种正方形横截面的空心硅芯及其硅芯组件。

如附图1、3、4和7所示，该实施例的空心硅芯由四块长条状竖硅板2拼接而成。其硅芯组件除了包括由四块长条状竖硅板2拼接而成空心硅芯之外，还包括硅芯的上、下锁紧机构。该实施例采用一正方形截面的固定座5，将四块竖硅板2的下部贴合在正方形固定座5的外侧面，使各竖硅板2首尾相连拼合成一空心的正方形。相邻的竖硅板2之间也可以留有一定的间隙，随着结晶过程的进行，该间隙会逐渐被弥合。在固定座5及竖硅板2的外侧还设有固定套3。可以采用一正方形的固定套3，使之与组合后的硅芯实现紧配合，也可以采用圆形的固定套3，借助于顶紧螺栓4将硅芯固定在固定座上。

固定座5的下部端可以为向外延伸的凸台，使固定在呈台阶状，凸台的上表面构成竖硅板2下端的限位面。

在该实施例中，其上锁紧机构为一横硅板1，在横硅板1的下侧面与空心硅芯上端面相对应的位置开设回形槽11，所述回形槽11为正方形凹槽，使之与空心硅芯相匹配。为了提高两者的连接牢度，该回形槽11与空心硅芯的上端部为过盈配合，使空心硅芯能够被夹持在凹槽内。

也可以用三角形、长方形、平行四边形、菱形、六边形等替代上述实施例中的正方形，从而构成各种形状的空心硅芯及其硅芯组件，很显然，其固定座5及下锁紧机构的形状也应当随之做适应性改变。

实施例2：

如附图8所示，与实施例1相同，也用于制备一种正方形横截面的空心硅芯及其硅芯组件。与实施例1不同之处仅在于该实施例采用了另外一种上锁紧机构。

该上锁紧机构包括两块相互交叉的锁紧条，即前后竖硅板锁紧条12和左右竖硅板锁紧条13。在所述锁紧条下表面与竖硅板2相对应的位置分别设有卡槽，将四块竖硅板的上端分别插入相应的卡槽内，从而将空心硅芯的上端部紧固住。然后再借助一硅板将两根空心硅芯连接在一起。需要说明的是，为了提高两块相互交叉的锁紧条的连接牢固度，可以在前后竖硅板锁紧条12与左右竖硅板锁紧条13的交叉面分别设置凹槽，两凹槽扣合后使前后竖硅板锁紧条12与左右竖硅板锁紧条13的上面形成一个平面或形成一个高低梯度较小的面。

当然，也可以用一块十字形的竖硅板锁紧条替代上述两块锁紧条。

实施例3：

如附图2、5和6所示，本实施例为实施例1中所公开的下锁紧机构的一个变形。在固定座5的上端面设有硅条固定槽，所述硅条固定槽的形状设置为所需的多边形。将空心硅芯的下端部插入硅条固定槽中即可。当然，也可以用插孔6替代所述的硅条固定槽，以便插入相应的圆硅芯14或方形硅条。

为了提高圆硅芯14或方形硅条在插孔6或硅条固定槽内的稳定性，可以在固定座5的外周面上设置贯通至插孔6或硅条固定槽的锁紧孔7，通过顶紧螺栓进行固定。

或者在固定座5的外周面上套接护套9，在护套9的上面开设若干螺孔10，顶紧螺栓穿过螺孔10及固定座周面设置上的穿孔8将硅条固定住。

使用时，护套9套接在固定座5的外周面上，将圆硅芯14或方形硅条依次插入插孔6或硅条固定槽内，然后将顶紧螺栓依次穿过螺孔10和穿孔8，顶紧螺栓的端头将圆硅芯14或方形硅条顶紧在插孔6或硅条固定槽内。护套9是可替换件，使用完毕后可以废弃更换，便于连续化生产。

本发明的空心硅芯及其组件，可以用较少的硅材获得较大的结晶表面积，从而加快多晶硅的形成。其优点在于：

1、拉制简单、操作方便。

2、生产效率高，后期使用成本低。

Claims (15)

1.一种空心硅芯，其特征在于：该硅芯由若干硅条（2、14）拼接而成，所述的拼接是首尾相连的，或者留有间隙，该间隙在结晶过程中被弥合。

2.如权利要求1所述的空心硅芯，其特征在于：所述的硅条横截面为正方形或矩形。

3.如权利要求1所述的空心硅芯，其特征在于：所述的硅条横截面为圆形或椭圆形。

4.如权利要求1所述的空心硅芯，其特征在于：拼接而成的空心硅芯其横截面形状是空心的多边形或者是空心的圆形。

5.如权利要求4所述的空心硅芯，其特征在于：所述的多边形为正三角形、正方形、长方形、平行四边形、菱形、正五边形或正六边形。

6.一种硅芯组件，该硅芯组件由硅芯及上锁紧机构和下锁紧机构组成，其特征在于：所述的硅芯采用权利要求1所述的空心硅芯。

7.如权利要求6所述的硅芯组件，其特征在于：所述的下锁紧机构由一固定座（5）构成，固定座（5）的外周形状与空心硅芯的横截面形状相匹配，若干硅条（2、14）沿着固定座的外周面垂直放置，硅条（2、14）的外侧安装有硅条固定套（3），将硅条的下端固定在固定座（5）上。

8.如权利要求7所述的硅芯组件，其特征在于：所述固定座（5）的下部为向外延伸的凸台，使固定座呈台阶状，凸台的上表面构成硅板下端的限位面。

9.如权利要求7所述的硅芯组件，其特征在于：所述的固定套（3）的外周形状与空心硅芯的形状相配合。

10.如权利要求7所述的硅芯组件，其特征在于：所述的固定套（3）的外周形状为圆形，固定套的外周面设有顶紧螺栓（4），将硅条（2、14）压紧。

11.如权利要求6所述的硅芯组件，其特征在于：所述的下锁紧机构包括固定座（5），在固定座（5）的上表面开设的若干孔或凹槽，其形状与空心硅芯的横截面形状相匹配。

12.如权利要求6所述的硅芯组件，其特征在于：所述的下锁紧机构包括一附加板材，板材上开设有若干孔或凹槽，与硅芯之间为过盈配合。

13.如权利要求11所述的硅芯组件，其特征在于：所述固定座（5）的外周面上设置若干贯通至硅条插孔或硅条固定槽的锁紧孔（7），通过锁紧螺钉进行固定，或者在固定座的外周面上套接护套（9），在护套（9）上开设若干螺孔，顶紧螺栓（4）穿过螺孔（10）及固定座周面上的穿孔（8）将硅条固定住。

14.如权利要求6所述的硅芯组件，其特征在于：所述的上锁紧机构设置在硅条的上端设置一横硅板（1），在横硅板（1）的下表面设置形状与空心硅芯形状相匹配的孔或凹槽，两者采用过盈配合，横硅板将两组空心硅芯连接并固定。

15.如权利要求6所述的硅芯组件，其特征在于：所述的空心硅芯为由四条竖硅板（2）拼接而成的空心矩形，其上锁紧机构由一前后竖硅板锁紧条（12）和一左右竖硅板锁紧条（13）构成，即在前后竖硅板锁紧条（12）和左右竖硅板锁紧条（13）的下侧面与硅板相对应的位置分别开设回形槽（11），前后竖硅板锁紧条（12）和左右竖硅板锁紧条（13）交叉搭接在一起或者制为一体，由此将每根空心硅芯的上端锁定，再通过搭桥的方式将两根空心硅芯连接在一起。