CN107794568A - 一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉 - Google Patents

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丁
丁一
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余刚
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Abstract

本发明公开了一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉，包括炉体、石英坩埚及定向凝固装置；其中，所述炉体包括上炉盖，上炉盖处设有输气管及抽气管，炉体底部设有升降柱，炉体侧面设有出气管；所述定向凝固装置包括石墨加热器、隔热笼及水冷装置；石墨加热器包括若干石墨加热板及上部石墨环；石墨加热板设置于石英坩埚四周，且从上往下依次层叠，形成多层加热模式；上部石墨环设置于石英坩埚上方；隔热笼为一个由若干保温板围成的腔室，设置于石英坩埚及石墨加热器外围；所述水冷装置设置于石英坩埚下方。本发明能够加强热场的控制及氩气的流通，提高生产效率，减少晶体内杂质含量，有效利用炉内空间，节约成本，且操作简单，节能省时。

Description

一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉
技术领域
本发明涉及一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉，属于多晶硅生产领域。
背景技术
现阶段，太阳能电池的主流是晶体硅太阳能电池，所用基体材料是单晶和多晶硅片，通过切割单晶和多晶硅晶体而得。其中多晶硅晶体是通过多晶定向凝固工艺得到的，现有多晶硅铸锭炉采用电阻或感应加热，将配比好的多晶硅放入方形坩埚内进行熔化后，控制热场提供一个竖直温度梯度，使得多晶硅料从底部开始冷却，逐渐形成向上长晶的定向凝固模式，从而得到多晶硅晶体。
综上所述，现有多晶硅铸锭炉可能存在以下问题：1)热场控制力度不够，导致多晶硅的生产效率不够高，耗能高；2)氩气流通受阻，因而生产的多晶硅晶体杂质含量高；3)炉内空间利用不足，设备占用空间大、成本高。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉，能够加强热场的控制及氩气的流通，提高生产效率，减少杂质含量，有效利用炉内空间，节约成本，且操作简单，节能省时。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉，包括炉体、石英坩埚及定向凝固装置；
其中，所述炉体包括上炉盖，所述上炉盖处设有输气管及抽气管，炉体底部设有升降柱，炉体侧面设有出气管；所述石英坩埚包括敞口的坩埚本体。
所述定向凝固装置包括石墨加热器、隔热笼及水冷装置；其中，所述石墨加热器包括若干石墨加热板及上部石墨环；所述石墨加热板设置于石英坩埚四周，且从上往下依次层叠，形成多层加热模式；所述上部石墨环设置于石英坩埚上方；所述隔热笼为一个由若干保温板围成的腔室，设置于石英坩埚及石墨加热器外围；所述水冷装置设置于石英坩埚下方。
所述输气管由外部穿过上炉盖、隔热笼并延伸至石英坩埚开口处，以使氩气通过其进入所述石英坩埚；所述抽气管由外部穿过上炉盖并延伸至隔热笼内，出气管由外部穿过炉体延伸至隔热笼内，以使其从所述隔热笼内向炉体外抽送氩气。
所述升降柱穿过水冷装置并与石英坩埚底部定位接触。
优选的，所述坩埚本体的内部底面设有若干均匀分布的盲孔，用作多晶硅铸锭工艺中的形核点，从而实现初始形核时形成均匀的小颗粒晶粒，实现降低晶体位错密度、优化晶粒晶向的目的。
优选的，所述保温板为碳纤维材料或碳碳复合材料，耐高温耐腐蚀，使用寿命长。
优选的，所述上炉盖与升降机构相连，用于打开上炉盖。
优选的，所述抽气管为石墨管。
有益效果：本发明提供的一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉，相对于现有技术，具有以下效果：1)本发明通过多层石墨加热板及水冷装置来提供竖直温度梯度，使坩埚底部冷却速度加快，提高生产效率，操作简单，节约能耗；2)通过合理的氩气流道设计加快炉内氩气的流通，降低多晶硅晶体内的杂质含量；3)本发明结构简单，有效利用炉内空间，减小设备占用空间，成本低。
附图说明
图1为本发明一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉实施例1的结构示意图；
图2为本发明一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉实施例2的结构示意图；
图中包括：1-1、炉体，1-2、上炉盖，1-3、输气管，1-4、抽气管，1-5、升降柱，1-6、出气管，1-7、石英坩埚，1-8、石墨加热板，1-9、上部石墨环，1-10、保温板，1-11、水冷装置，1-12、升降机构；
2-1、炉体，2-2、输气管，2-3、抽气管，2-4、支撑柱，2-5、出气管，2-6、石英坩埚本体，2-7、坩埚盖板，2-8、侧壁保温板，2-9、顶部保温板，2-10、吊杆，2-11、底部保温板，2-12、石墨加热环，2-13、热交换台，2-14、升降机构。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为实施例1：一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉，包括炉体1-1、石英坩埚1-7及定向凝固装置；
其中，所述炉体1-1包括上炉盖1-2，所述上炉盖1-2处设有输气管1-3及抽气管1-4，且上炉盖1-2与升降机构1-12相连；炉体1-1底部设有升降柱1-5，炉体1-1侧面设有出气管1-6。
所述石英坩埚1-7包括敞口的坩埚本体，所述坩埚本体的内部底面设有若干均匀分布的盲孔。
所述定向凝固装置包括石墨加热器、隔热笼及水冷装置1-11；其中，所述石墨加热器包括若干石墨加热板1-8及上部石墨环1-9；所述石墨加热板1-8设置于石英坩埚1-7四周，且从上往下依次层叠，形成多层加热模式；所述上部石墨环1-9设置于石英坩埚1-7上方；所述隔热笼为一个由若干保温板1-10围成的腔室，设置于石英坩埚1-7及石墨加热器外围，所述保温板1-10为碳纤维材料或碳碳复合材料；所述水冷装置1-11设置于石英坩埚1-7下方。
所述输气管1-3由外部穿过上炉盖1-2、隔热笼并延伸至石英坩埚1-7开口处，以使氩气通过其进入所述石英坩埚1-7；所述抽气管1-4由外部穿过上炉盖1-2并延伸至隔热笼内，出气管1-6由外部穿过炉体1-1延伸至隔热笼内，以使其从所述隔热笼内向炉体1-1外抽送氩气，且所述抽气管1-4为石墨管。
所述升降柱1-5穿过水冷装置1-11并与石英坩埚1-7底部定位接触。
采用实施例1的一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉来制备多晶硅晶体时，具体实施方法如下：将多晶硅料装入底部带均匀盲孔的石英坩埚1-7内并将其放在升降柱1-5上；将石英坩埚1-7下降到设定位置后关闭上炉盖1-2，对炉内抽真空，然后向炉体1-1内通入氩气，通过石墨加热器加热直至多晶硅料完全熔化；控制石墨加热板1-8的温度形成从上外下、逐层降低的竖直温度梯度，并且加快底部水冷装置1-11内水的流速，从而将硅料结晶时释放的热量带走，进一步降低石英坩埚1-7底部的温度。这个温度梯度使石英坩埚1-7内的硅液从底部开始凝固，并通过降温使多晶硅继续向顶部生长，直至完全凝固。硅料凝固后，通过石墨加热器加热对硅锭进行退火，待硅锭冷却后打开上炉盖1-2取出多晶硅，完成整个铸锭过程。
如图2所示为实施例2：一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉，包括炉体2-1、石英坩埚、热场及热交换台2-13；
其中，所述炉体2-1从中部分开为上炉体及下炉体，炉体2-1顶部设有输气管2-2及抽气管2-3，炉体2-1底部设有三个支撑柱2-4，炉体2-1侧面设有出气管2-5；所述上炉体外部与升降机构2-14相连。
所述石英坩埚包括敞口的坩埚本体2-6及坩埚盖板2-7，坩埚本体2-6及坩埚盖板2-7之间设有通气道，所述坩埚本体2-6的内部底面设有若干均匀分布的盲孔。
所述热场包括侧壁保温板2-8、顶部保温板2-9、底部保温板2-11及若干石墨加热环2-12，所述侧壁保温板2-8、顶部保温板2-9、底部保温板2-11围成一个腔室，设置于石英坩埚外围；顶部保温板2-9固定于侧壁保温板2-8上端，且两侧设有吊杆2-10，吊杆2-10穿过炉体2-1顶部与升降机相连；底部保温板2-11通过一个支撑柱2-4固定于炉体2-1底部；石墨加热环2-12设置于侧壁保温板2-8、顶部保温板2-9内部；所述侧壁保温板2-8、顶部保温板2-9及底部保温板2-11为碳纤维材料或碳碳复合材料。
所述热交换台2-13通过两个支撑柱2-4固定于炉体2-1底部，且设置于底部保温板2-11上方，上表面与石英坩埚的底部定位接触。
所述输气管2-2由外部穿过炉体2-1顶部、顶部保温板2-9及坩埚盖板2-7延伸至石英坩埚开口处；所述抽气管2-3由外部穿过炉体2-1顶部、顶部保温板2-9并延伸至热场内，且所述抽气管2-3为石墨管。
采用实施例2中的一种用于多晶硅定向凝固工艺的晶体炉来制备多晶硅晶体时，具体实施方法如下：将多晶硅料装入底部带均匀盲孔的石英坩埚内，合上坩埚盖板2-7并将石英坩埚放在热交换台2-13上，控制上炉体下降与下炉体合为一体；控制侧壁保温板2-8及顶部保温板2-9下降与底部保温板2-11配合形成封闭的热场，利用抽气管2-3对炉内抽真空，然后向炉体内通入氩气，通过热场加热直至多晶硅料完全熔化；缓慢提起侧壁保温板2-8及顶部保温板2-9，使得石英坩埚的下部脱离热场而上部处于热场内，从而形成一个竖直温度梯度，且硅液的热量从底部传给热交换台2-13，加快石英坩埚底部的冷却速度。这个温度梯度使石英坩埚内的硅液从底部开始凝固，并通过降温使多晶硅继续向顶部生长，直至完全凝固。经硅料凝固、退火、冷却后打开上炉体，从石英坩埚内取出多晶硅晶体，完成整个铸锭过程。
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来说，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 (5)

1.一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉，其特征在于，包括炉体(1-1)、石英坩埚(1-7)及定向凝固装置；
其中，所述炉体(1-1)包括上炉盖(1-2)，所述上炉盖(1-2)处设有输气管(1-3)及抽气管(1-4)，炉体(1-1)底部设有升降柱(1-5)，炉体(1-1)侧面设有出气管(1-6)；所述石英坩埚(1-7)包括敞口的坩埚本体；
所述定向凝固装置包括石墨加热器、隔热笼及水冷装置(1-11)；其中，所述石墨加热器包括若干石墨加热板(1-8)及上部石墨环(1-9)；所述石墨加热板(1-8)设置于石英坩埚(1-7)四周，且从上往下依次层叠，形成多层加热模式；所述上部石墨环(1-9)设置于石英坩埚(1-7)上方；所述隔热笼为一个由若干保温板(1-10)围成的腔室，设置于石英坩埚(1-7)及石墨加热器外围；所述水冷装置(1-11)设置于石英坩埚(1-7)下方；
所述输气管(1-3)由外部穿过上炉盖(1-2)、隔热笼并延伸至石英坩埚(1-7)开口处；所述抽气管(1-4)由外部穿过上炉盖(1-2)并延伸至隔热笼内，出气管(1-6)由外部穿过炉体(1-1)并延伸至隔热笼内；
所述升降柱(1-5)穿过水冷装置(1-11)并与石英坩埚(1-7)底部定位接触。
2.根据权利要求1所述的一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉，其特征在于，所述坩埚本体的内部底面设有若干均匀分布的盲孔。
3.根据权利要求1所述的一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉，其特征在于，所述保温板(1-10)为碳纤维材料或碳碳复合材料。
4.根据权利要求1所述的一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉，其特征在于，所述上炉盖(1-2)与升降机构(1-12)相连。
5.根据权利要求1所述的一种用于多晶硅铸锭工艺的晶体炉，其特征在于，所述抽气管(1-4)为石墨管。
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