CN105586635B - 一种铸锭快速凝固的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种铸锭快速凝固的装置及方法，该装置主要包括底部热交换台，以及依次设置在底部热交换台上的石墨坩埚和石英坩埚；底部热交换台与石墨坩埚之间还设置有具有中空腔体的化学吸热反应换热器，且化学吸热反应换热器上设置有与其中空腔体相连通的进气口和排气口。该方法利用化学吸热反应换热器在铸锭生长过程中向化学吸热反应换热器中通入反应物，反应物在高温下发生化学吸热反应，从坩埚底部吸收大量热量，达到迅速冷却坩埚内的铸锭的目的。本发明相比于传统的气冷或水冷的吸热方式，化学吸热反应具有更大的热量吸收能力，可迅速冷却铸锭，提高铸锭凝固速度，同时在长晶初期可保证坩埚底部维持一定的过冷度，防止底部籽晶被熔化，进而提高晶体质量。

Description

一种铸锭快速凝固的装置及方法

技术领域：

本发明属于定向凝固法晶体生长工艺领域，具体涉及一种铸锭快速凝固的装置及方法。

背景技术：

太阳能光伏是新能源利用的主要形式之一，具有广阔的发展前景。太阳电池是太阳能光伏系统的核心部件，制备太阳电池的材料主要是晶体硅，晶体硅铸锭的制备成本和品质直接决定太阳电池的制备成本和光电转换效率。在晶体硅铸锭的各种制备方法中，定向凝固法由于其控制简便、易于大尺寸生长、平均能耗小，且生产的铸锭能够直接切成方形硅片、材料损耗小等优势而得到广泛应用。

定向凝固法制备多晶硅铸锭从上世纪90年代末的每锭不足100kg发展到现在800kg，投料量逐步增大。同时，铸锭工艺不断更新，运行周期缩短；铸锭所需热场结构不断改进，能耗进一步降低。相应的铸锭质量不断提高，电池光电转换效率提升。然而，相比于传统能源，多晶硅电池技术依然具有较高的发电成本。

晶硅铸锭生长过程需耗费大量电能，缩短铸锭生长周期，减小能耗成为降低生产成本的重要途径之一。通过提高铸锭的凝固速率可有效缩短铸锭的凝固时间，如何在铸锭凝固阶段快速降低坩埚底部温度，在坩埚底部形成较大的轴向温度梯度，成为缩短铸锭凝固时间的关键技术。在现有的晶硅铸锭过程中，一般通过在坩埚底部布置水冷或者气冷通道的方法实现铸锭的强化冷却。但是，由于水冷和气冷都是通过改变冷却介质的显焓(即温度变化)从而带走坩埚底部释放的热量，冷却能力很有限。

20世纪60年代，美国开始了使用化学热沉作为冷却方式的研究。其原理为通过气态物质的吸热化学反应，快速移除局部或者反应表面上的高密度热量。与气冷或者水冷等通过改变冷却介质的显焓从而带走局部热量的冷却方式不同，化学热沉冷却方式是通过化学反应过程吸热的特性主动移除局部的高密度热流，冷却效果非常显著。但是该技术在铸锭定向凝固领域至今没有应用方面的研究。

发明内容：

本发明的目的是提供一种铸锭快速凝固的装置及方法，其利用化学吸热反应实现晶硅铸锭的快速冷却，进而达到缩短铸锭生长周期，节约能耗，降低晶硅铸锭生产成本的目的。同时在长晶初期可保证坩埚底部维持一定的过冷度，防止底部籽晶被熔化，进而提高晶体质量。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种铸锭快速凝固的装置，包括具有密封腔体的炉壁，炉壁内设置有保温底板，保温底板上设置有隔热笼，隔热笼内设置有底部热交换台，以及依次设置在底部热交换台上的石墨坩埚和石英坩埚，石墨坩埚的周向上还设置有加热器；其中，底部热交换台与石墨坩埚之间还设置有具有中空腔体的化学吸热反应换热器，化学吸热反应换热器上设置有与其中空腔体相连通的进气口和排气口，且进气口和排气口依次穿过保温底板和炉壁后引出至炉壁外。

本发明进一步的改进在于，在铸锭熔化阶段，隔热笼和保温底板紧密接触，在内部形成封闭的高温空间，在铸锭生长以及退火阶段通过隔热笼上移或保温底板下移控制铸锭的冷却以及退火速率。

本发明进一步的改进在于，底部热交换台的顶部开设有一个凹槽，化学吸热反应换热器嵌入在该凹槽内。

本发明进一步的改进在于，化学吸热反应换热器采用钨、钛或钼材质制成。

本发明进一步的改进在于，炉壁上还开设有保护气进气口和保护气出气口，且保护气进气口穿过隔热笼引入至隔热笼内。

本发明进一步的改进在于，工作时，通过进气口和排气口向化学吸热反应换热器的中空腔体内通入反应物。

本发明进一步的改进在于，化学吸热反应换热器的顶部紧贴在石墨坩埚的底部，且化学吸热反应换热器的上表面面积与石英坩埚的底面积相同。

一种铸锭快速凝固的方法，该方法基于上述的铸锭快速凝固的装置，包括以下步骤：

1)硅料熔化阶段，将高纯硅料放入石英坩埚中，化学吸热反应换热器通入反应物，改变加热器功率，使高纯硅料熔化；

2)凝固阶段，改变加热器功率，控制隔热笼和保温底板之间的开度，在硅熔体内形成一个垂直方向的温度梯度，通过调节通入化学吸热反应换热器中反应物的流量，控制从铸锭底部吸收的热量，进而达到控制凝固速率；

3)退火阶段，改变加热器功率，控制隔热笼和保温底板之间的开度，调节化学吸热反应换热器中反应物的流量，对铸锭进行退火处理；

4)冷却阶段，关闭加热器，调节化学吸热反应换热器中反应物的流量，控制铸锭冷却速率。

本发明进一步的改进在于，若石英坩埚底部铺有籽晶，则向化学吸热反应换热器中通入部分反应物，利用反应物的吸热反应，保证石英坩埚底部维持一定的过冷度，进而防止石英坩埚底部籽晶被熔化。

本发明进一步的改进在于，通入化学吸热反应换热器中的反应物为碳粉和二氧化碳混合物，乙醇，碳粉和水蒸气混合物，甲醇，氨气，甲基环己烷，或者甲烷。

相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的铸锭快速凝固的装置，通过在坩埚底部布置化学吸热反应换热器，利用化学吸热反应换热器在铸锭生长过程中向化学吸热反应换热器中通入反应物，反应物在高温下发生化学吸热反应物，从坩埚底部吸收大量热量，可在坩埚底部区域快速形成低温区，促进铸锭的凝固过程，缩短生长周期。

本发明提供的铸锭快速凝固的方法，在铸锭凝固阶段，可通过调节通入的反应物流量，控制化学反应吸热量，进而达到控制铸锭凝固速率的目的。

若坩埚底部铺有籽晶，利用化学吸热反应可在坩埚底部形成局部低温区，可有效防止籽晶被熔化，进而提高铸锭质量。

在铸锭生长以及冷却退火阶段，可通过调节通入的反应物流量，控制化学反应吸热量，进而达到调节铸锭退火以及冷却速率的目的。

综上所述，本发明兼具物理气冷冷却功能，可仅向化学吸热反应换热器中通入惰性气体，利用物理吸热对铸锭底部进行强化冷却。并且，本发明可在传统底部气冷设备的基础上进行改造，设备改造成本低。此外，本发明中，反应物仅在化学吸热反应换热器中进行，可有效避免反应物对坩埚内熔体和铸锭的污染。

附图说明：

图1为本发明中晶硅铸锭炉中坩埚底部换热结构概略构成剖面图。

图2为本发明化学吸热反应换热器的结构示意图。

图3为分别为传统铸锭炉和采用化学吸热反应的铸锭炉情况下在凝固初期铸锭底部的温度梯度曲线；其中，图3(a)为轴向温度梯度曲线，图3(b)为径向温度梯度曲线。

图4为两种结构铸锭炉在铸锭凝固初期凝固界面形状的分布。

图中：1为硅熔体，2为石英坩埚，3为石墨坩埚，4为化学吸热反应换热器，401为进气口，402为排气口，5为底部热交换台，6为加热器，7为隔热笼，8为保温底板，9为保护气进气口，10为保护气出气口，11为炉壁。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，是为本发明中晶硅铸锭炉中坩埚底部换热结构概略构成剖面图，其中，化学吸热反应换热器4为本发明的核心部件。化学吸热反应换热器4紧贴石墨坩埚3底部，可采用不同的布置方式以保证与石墨坩埚3间有较大的接触面积。图2所示为其中一种布置方式的剖面图。混合气体经进气口401通入，进入石墨坩埚3下方，反应生成物气体和未完全反应的气体经排气口402排出。所有反应均在化学吸热反应换热器4中进行，从而可以避免反应物对铸锭的污染。

进一步的，化学吸热反应换热器4的上表面面积与石英坩埚2的底面积相同，上表面积过大或过小均可能导致铸锭底部径向方向温度分布不均匀，导致铸锭质量变差。

本发明的化学吸热反应换热器4不限于所示图例，还可以有很多变形，如改变进气通道和出气通道的位置、换热器的形状。本领域的技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

采用本发明通过的铸锭快速凝固的装置，工作过程如下：

通过向化学吸热反应换热器4中通入一定比例的反应物，在坩埚底部高温区域发生如下吸热化学反应：

xN+yO→N_xO_y(气态)

该吸热反应可在短时间内通过坩埚底面移除大量热量，从而达到强化坩埚底部换热，提高铸锭凝固速率的目的。反应物可有多种组合，例如，C粉和CO₂气体、乙醇、C粉和水蒸气、甲醇、氨气、甲基环己烷、甲烷。同时，随着反应物的不断通入，可在坩埚底面维持反应的连续进行，并达到化学平衡，进而持续不断地从坩埚内带走热量，达到持续冷却铸锭的目的。反应的生成物气体以及剩余反应物气体可从铸锭炉排出。

下面结合具体的铸锭凝固工艺进一步阐明本发明：

1)硅料熔化阶段，将高纯硅料放入坩埚中，坩埚底部可铺设籽晶用于生长准单晶或高效多晶硅。此时，化学吸热反应换热器4无反应物通入。调节加热器功率，使硅料熔化。

进一步的，若石英坩埚底部铺有籽晶，则须防止底部籽晶被熔化。此时，可向化学吸热反应换热器4中通入部分反应物，利用反应物的吸热反应，保证石英坩埚底部维持一定的过冷度，进而防止底部籽晶被熔化。

2)凝固阶段，改变加热器功率，控制隔热笼7和保温底板8之间的开度，在硅熔体内形成一个垂直方向的温度梯度，其中熔体顶部温度最高，底部温度最低，铸锭从底部开始向上凝固。此时，通过调节通入化学吸热反应换热器4中的反应物流量，控制从铸锭底部吸收的热量，进而达到控制凝固速率的目的。

3)退火阶段，改变加热器功率，控制隔热笼7和保温底板8之间的开度，调节化学吸热反应换热器4中的反应物流量，对铸锭进行退火处理。

4)冷却阶段，关闭加热器，调节化学吸热反应换热器4中的反应物流量，控制铸锭冷却速率。

通过对传统多晶硅铸锭炉以及采用化学吸热反应的多晶硅铸锭炉进行全局传热数值模拟，可研究采用化学吸热反应对铸锭凝固过程的影响。图3(a)和图3(b)所示分别为传统铸锭炉和采用化学吸热反应的铸锭炉情况下在凝固初期铸锭底部的轴向和径向温度梯度分布。其中，Case 1代表传统铸锭炉，Case 2代表采用化学吸热反应的铸锭炉。模拟结果表明，采用化学吸热反应的铸锭炉内铸锭底部轴向温度梯度显著增大，表明化学吸热反应对铸锭底部的强化冷却效果非常显著，可迅速移除铸锭凝固时释放的大量相变潜热，提高铸锭凝固速率。同时，采用化学吸热反应后，铸锭底部的径向温度梯度基本保持不变，如图3(b)所示，表明化学吸热反应仅强化轴向换热，从而避免因径向热流过大而引起的铸锭内部热应力过大的问题。图4所示为两种结构铸锭炉在铸锭凝固初期凝固界面形状的分布，可以发现，采用化学吸热反应的铸锭炉在铸锭凝固过程中仍保持了微凸的界面形状，可有效避免壁面附近产生的缺陷向铸锭内部扩散，进而提高铸锭质量。

Claims (6)

1.一种铸锭快速凝固的方法，其特征在于，该方法基于的铸锭快速凝固的装置包括具有密封腔体的炉壁（11），炉壁（11）内设置有保温底板（8），保温底板（8）上设置有隔热笼（7），隔热笼（7）内设置有底部热交换台（5），以及依次设置在底部热交换台（5）上的石墨坩埚（3）和石英坩埚（2），石墨坩埚（3）的周向上还设置有加热器（6）；其中，底部热交换台（5）与石墨坩埚（3）之间还设置有具有中空腔体的化学吸热反应换热器（4），化学吸热反应换热器（4）上设置有与其中空腔体相连通的进气口（401）和排气口（402），且进气口（401）和排气口（402）依次穿过保温底板（8）和炉壁（11）后引出至炉壁（11）外；底部热交换台（5）的顶部开设有一个凹槽，化学吸热反应换热器（4）嵌入在该凹槽内；

该方法包括以下步骤：

1）硅料熔化阶段，将高纯硅料放入石英坩埚（2）中，化学吸热反应换热器（4）通入反应物，改变加热器（6）功率，使高纯硅料熔化；其中，反应物为碳粉和二氧化碳混合物，乙醇，碳粉和水蒸气混合物，甲醇，氨气，甲基环己烷，或者甲烷；

2）凝固阶段，改变加热器（6）功率，控制隔热笼（7）和保温底板（8）之间的开度，在硅熔体（1）内形成一个垂直方向的温度梯度，通过调节通入化学吸热反应换热器（4）中反应物的流量，控制从铸锭底部吸收的热量，进而达到控制凝固速率；

3）退火阶段，改变加热器（6）功率，控制隔热笼（7）和保温底板（8）之间的开度，调节化学吸热反应换热器（4）中反应物的流量，对铸锭进行退火处理；

4）冷却阶段，关闭加热器（6），调节化学吸热反应换热器（4）中反应物的流量，控制铸锭冷却速率。

2.根据权利要求1所述的铸锭快速凝固的方法，其特征在于，若石英坩埚（2）底部铺有籽晶，则向化学吸热反应换热器（4）中通入部分反应物，利用反应物的吸热反应，保证石英坩埚（2）底部维持一定的过冷度，进而防止石英坩埚（2）底部籽晶被熔化。

3.根据权利要求1所述的铸锭快速凝固的方法，其特征在于，在铸锭熔化阶段，隔热笼（7）和保温底板（8）紧密接触，在内部形成封闭的高温空间，在铸锭生长以及退火阶段通过隔热笼（7）上移或保温底板（8）下移控制铸锭的冷却以及退火速率。

4.根据权利要求1所述的铸锭快速凝固的方法，其特征在于，化学吸热反应换热器（4）采用钨、钛或钼材质制成。

5.根据权利要求1所述的铸锭快速凝固的方法，其特征在于，炉壁（11）上还开设有保护气进气口（9）和保护气出气口（10），且保护气进气口（9）穿过隔热笼（7）引入至隔热笼（7）内。

6.根据权利要求1所述的铸锭快速凝固的方法，其特征在于，化学吸热反应换热器（4）的顶部紧贴在石墨坩埚（3）的底部，且化学吸热反应换热器（4）的上表面面积与石英坩埚（2）的底面积相同。