CN108588830A - 提纯太阳能级多晶硅的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提纯太阳能级多晶硅的装置。所述装置主要通过对工业硅进行冶金法熔炼后，经过对提拉定向生长多晶硅进行多级电磁约束区域提纯的方法来获得太阳能级多晶硅。首先通过冶金法熔炼硅合金熔体，然后经过提拉定向生长多晶硅来初步提纯多晶硅后，在提拉出的多晶硅锭周围设置对称偶数个电磁约束熔炼器，实现多级电磁约束区域提纯，并进一步实现高纯度提纯多晶硅。

Description

提纯太阳能级多晶硅的装置
技术领域
本发明涉及太阳能级多晶硅的制备装置技术领域，尤其涉及一种提纯太阳能级多晶硅的装置。
背景技术
太阳能作为再生能源，清洁无污染，取之不尽，用之不竭，是解决当前危机的理想选择。硅基太阳能主要利用光生伏特效应将光能转化为太阳能，由于硅是地壳中含量最丰富的元素，因此硅基太阳能是未来最经济且最有前途的能源。
冶金法提纯多晶硅相对于改良西门子法具有成本低，工艺简单，污染少，投资少的特点，是当前最优前途的多晶硅提纯方法。冶金法主要是利用杂质元素的分凝效应来提纯金属的方法，理论上冶金法提纯多晶硅的极限纯度为7N，提纯的主要杂质为金属元素、硼及磷等元素，合金定向凝固提纯法是冶金法的一种，迄今为止常用的合金体系有：铝-硅、硅-铁、铜-硅、硅-锡等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够实现进一步的提高太阳能级多晶硅纯度的装置。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种提纯太阳能级多晶硅的装置，其特征在于：包括炉体，所述炉体的底部设置有坩埚杆，所述坩埚杆的一端位于所述炉体的外侧，所述坩埚杆的另一端位于所述炉体内，坩埚支撑固定在所述坩埚杆位于炉体内的一端上，坩埚位于所述坩埚支撑内，所述坩埚支撑的外周设置有加热器，所述坩埚的上方设置有偶数个电磁约束熔炼器，所述电磁约束熔炼器用于产生区域熔炼熔池，区域熔炼熔池对多晶硅锭进行熔化加热的同时进行电磁约束，所述电磁约束熔炼器从下到上设置，且相邻的所述熔炼器左右错开设置，上一个所述电磁约束熔炼器的高度高于相邻的下侧的电磁约束熔炼器的高度，电磁约束器所产生的熔炼熔池伴随多晶硅锭的提拉运动对多晶硅锭进行提纯，所述炉体的顶部设置有籽晶杆，所述籽晶杆的上端位于所述炉体外侧，所述籽晶杆的下端位于所述炉体内，位于所述炉体内的籽晶杆的一端上固定有籽晶，且所述籽晶杆在左右方向上位于电磁约束熔炼器之间，位于所述炉体外侧一端籽晶杆上设置有籽晶杆升降装置，用于驱动所述籽晶杆上下升降及旋转运动；位于所述炉体外的所述坩埚杆的一端设置有坩埚杆旋转驱动装置，用于通过驱动所述坩埚杆转动带动所述坩埚转动。
进一步的技术方案在于：所述电磁约束熔炼器设置有四个，从下到上为电磁约束熔炼器a、电磁约束熔炼器b、电磁约束熔炼器c和电磁约束熔炼器d，其中所述电磁约束熔炼器a和电磁约束熔炼器c位于左侧，电磁约束熔炼器b和电磁约束熔炼器d位于右侧，电磁约束熔炼器a、电磁约束熔炼器b、电磁约束熔炼器c和电磁约束熔炼器d，用于对多晶硅锭上区域熔炼熔池内的熔体产生对称的电磁约束力，保持多晶硅锭受力平衡，并可以上下运动和左右运动。
进一步的技术方案在于：每个所述电磁约束熔炼器的下侧设置有一个位置传感器，所述位置传感器用于感应所述多晶硅锭的直径，根据直径变化来调整电磁约束器的位置。
进一步的技术方案在于：与每个所述电磁约束熔炼器相对的位置设置有一个厚度探测器，所述厚度传感器用于控制所述电磁约束熔炼器形成的区域熔炼熔池的大小，从下到上分别为与电磁约束熔炼器a相对应的厚度探测器a、与电磁约束熔炼器b相对应的厚度探测器b、与电磁约束熔炼器c相对应的厚度探测器c以及与电磁约束熔炼器d相对应的厚度探测器d。
进一步的技术方案在于：所述电磁约束熔炼器包括区域熔炼线圈、线圈绝缘支撑以及电磁约束熔炼器运动杆，所述区域熔炼线圈通过所述线圈绝缘支撑进行支撑并进行绝缘隔离，所述运动杆水平设置，且所述运动杆的一端位于所述炉体内，所述运动杆的另一端位于所述炉体外，位于所述炉体内的所述运动杆的一端与所述线圈绝缘支撑固定连接。
进一步的技术方案在于：所述线圈绝缘支撑的整体为在其侧壁上设置有上下方向延伸的开口的筒状结构，所述绝缘支撑的横截面的圆心角大于180°且小于225°。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述装置首先通过冶金法熔炼硅合金熔体，并通过降温使硅从硅合金熔体中长出，完成多晶硅锭的第一次提纯；在提拉出的多晶硅锭周围设置对称偶数个电磁约束熔炼器，通过所述电磁约束熔炼器产生的区域熔炼熔池对多晶硅锭进行熔化加热，区域熔炼熔池内熔化的多晶硅随着多晶硅锭的提拉离开区域熔炼熔池后凝固，在多晶硅凝固的过程中，多晶硅内的杂质要进行分凝，凝固的部分将杂质排到未凝固的熔体中，实现已凝固材料的提纯，因为设置有多个电磁约束熔炼器，每个电磁约束熔炼器都会产生相应的区域熔炼熔池，区域熔炼熔池分别对多晶硅锭进行提纯，因而，进一步的提高了制备的多晶硅锭的纯度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例中所述装置的结构示意图；
图2是本发明实施例所述装置中区域熔炼线圈以及线圈绝缘支撑部分的结构示意图；
其中：1：籽晶杆；2：籽晶；3：多晶硅锭；4：区域熔炼熔池d；5：区域熔炼熔池c；6：区域熔炼熔池b；7：区域熔炼熔池a；8：电磁约束熔炼器d；8-1：区域熔炼线圈；8-2：电磁约束熔炼器运动杆；8-3：位置传感器；9：厚度探测器d；10：电磁约束熔炼器c；11：厚度探测器c；12：电磁约束熔炼器b：13：厚度探测器b；14：电磁约束熔炼器a；15：厚度探测器a；16：加热器；17：坩埚支撑；18：坩埚；19：硅合金熔体；20：坩埚杆；21：炉体。
具体实施方式
下面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的一部分实施例，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明实施例公开了一种提纯太阳能级多晶硅的装置，包括炉体21，所述炉体21的底部设置有坩埚杆20，所述坩埚杆20的一端位于所述炉体21的外侧，所述坩埚杆20的另一端位于所述炉体21内，坩埚支撑17固定在所述坩埚杆20位于炉体21内的一端上；坩埚18位于所述坩埚支撑17内，所述坩埚支撑17的外周设置有加热器16，所述坩埚18的上方设置有偶数个电磁约束熔炼器，所述电磁约束熔炼器用于产生区域熔炼熔池，通过区域熔炼熔池对多晶硅锭进行熔化加热的同时进行电磁约束；所述电磁约束熔炼器从下到上设置，且相邻的所述熔炼器左右错开设置，上一个所述电磁约束熔炼器的高度高于相邻的下侧的电磁约束熔炼器的高度，电磁约束器所产生的熔炼熔池伴随多晶硅锭的提拉运动对多晶硅锭进行提纯，所述炉体21的顶部设置有籽晶杆1，所述籽晶杆1的上端位于所述炉体21外侧，所述籽晶杆1的下端位于所述炉体21内，位于所述炉体21内的籽晶杆的一端上固定有籽晶2，且所述籽晶杆1在左右方向上位于电磁约束熔炼器之间，位于所述炉体21外侧一端籽晶杆1上设置有籽晶杆升降及旋转装置，用于驱动所述籽晶杆1上下升降运动；位于所述炉体21外的所述坩埚杆20的一端设置有坩埚杆旋转驱动装置，用于通过驱动所述坩埚杆20转动带动所述坩埚转动。
电磁约束熔炼器可以设置为4个、6个、8个或者10个等等。当所述电磁约束熔炼器设置为四个时，从下到上为电磁约束熔炼器a、电磁约束熔炼器b、电磁约束熔炼器c和电磁约束熔炼器d。其中所述电磁约束熔炼器a和电磁约束熔炼器c位于左侧，电磁约束熔炼器b和电磁约束熔炼器d位于右侧，电磁约束熔炼器a、电磁约束熔炼器b、电磁约束熔炼器c和电磁约束熔炼器d，用于对多晶硅锭上区域熔炼熔池内的熔体产生对称的电磁约束力，保持多晶硅锭受力平衡，并可以上下运动和左右运动。且电磁约束熔炼器a、电磁约束熔炼器b、电磁约束熔炼器c、电磁约束熔炼器d不仅区域熔化多晶硅锭3，同时对区域熔炼熔池a、区域熔炼熔池b、区域熔炼熔池c、区域熔炼熔池d内熔化的多晶硅产生约束力，防止熔化后的多晶硅熔体回流到坩埚18中。
进一步的，如图1所示，每个所述电磁约束熔炼器的下侧设置有一个位置传感器8-3，所述位置传感器8-3用于感应所述多晶硅锭3的直径，根据直径变化来调整电磁约束器的位置。
进一步的，如图1所示，与每个所述电磁约束熔炼器相对的位置设置有一个厚度探测器，所述厚度传感器用于控制所述电磁约束熔炼器形成的区域熔炼熔池的大小，从下到上分别为与电磁约束熔炼器a相对应的厚度探测器a、与电磁约束熔炼器b相对应的厚度探测器b、与电磁约束熔炼器c相对应的厚度探测器c以及与电磁约束熔炼器d相对应的厚度探测器d。
进一步的，如图1和2所示，所述电磁约束熔炼器包括区域熔炼线圈8-1、线圈绝缘支撑8-4以及电磁约束熔炼器运动杆8-2，所述区域熔炼线圈8-1通过所述线圈绝缘支撑8-4进行支撑并进行绝缘隔离，所述运动杆水平设置，且所述运动杆的一端位于所述炉体21内，所述运动杆的另一端位于所述炉体21外，位于所述炉体21内的所述运动杆的一端与所述线圈绝缘支撑8-4固定连接。通过所述线圈绝缘支撑8-4可以实现对所述线圈的支撑，并可以防止线圈之间的放电。如图2所示，所述线圈绝缘支撑8-4的整体为在其侧壁上设置有上下方向延伸的开口的筒状结构，所述绝缘支撑的横截面的圆心角大于180°且小于225°，可防止所述区域熔炼熔池的面积过大，造成多晶硅锭断裂。
本发明实施例还公开了一种提纯太阳能级多晶硅的方法，包括如下步骤：
配制硅铝合金、硅铜合金或硅铁合金，并将所述硅铝合金、硅铜合金或硅铁合金放置于炉体的坩埚18内，所述坩埚18位于坩埚支撑17内，坩埚支撑17的底部设置有坩埚杆20，所述坩埚杆20的下端位于炉体21外，通过控制所述炉体21外的坩埚杆旋转驱动装置驱动所述坩埚18旋转；坩埚支撑17的外侧设置有加热器16，然后通过加热器16，给坩埚18内的硅合金进行加热熔炼硅合金，直至熔化均匀；
所述炉体21的顶部设置有籽晶杆1，所述籽晶杆1的一端位于炉体内，籽晶杆1位于炉体内的一端设置有籽晶1，籽晶杆1的另一端位于炉体21外，位于炉体21外的籽晶杆1上设置有籽晶杆升降及旋转驱动装置，利用籽晶杆升降及旋转驱动装置驱动籽晶杆1降下籽晶2至所述坩埚18的熔体内，降低加热器16的功率，直至硅从硅合金熔体19中长出，形成多晶硅锭3，然后提拉籽晶杆1；
所述坩埚18的上方设置有偶数个电磁约束熔炼器，所述电磁约束熔炼器用于产生区域熔炼熔池，通过区域熔炼熔池对多晶硅锭进行进行熔化加热的同时进行电磁约束，所述电磁约束熔炼器从下到上设置，且相邻的所述熔炼器左右错开设置，上一个所述电磁约束熔炼器的高度高于相邻的下侧的电磁约束熔炼器的高度，分别为电磁约束熔炼器a、电磁约束熔炼器b、电磁约束熔炼器c、电磁约束熔炼器d，依次类推直到最后上侧的第偶数个电磁约束熔炼器，所述籽晶杆在左右方向上位于电磁约束熔炼器之间；当提拉的多晶硅锭3的肩部超过电磁约束熔炼器b的上部时，同时启动电磁约束熔炼器a和电磁约束熔炼器b，在多晶硅锭3提拉过程中，通过电磁约束熔炼器的位置探测器8-3来控制电磁约束熔炼器a和电磁约束熔炼器b与多晶硅锭3的距离；通过厚度探测器a控制电磁约束熔炼器a所产生区域熔炼熔池a的深度；通过厚度探测器b控制电磁约束熔炼器b所产生区域熔炼熔池b的深度；
随着多晶硅锭3提拉的进行，当多晶硅锭3的肩部超过电磁约束熔炼器d的上部时，同时启动电磁约束熔炼器d和电磁约束熔炼器c，在多晶硅锭提拉过程中，通过相应的电磁约束熔炼器的位置探测器8-3来控制电磁约束熔炼器d和电磁约束熔炼器c与多晶硅锭3的距离；通过厚度探测器d控制电磁约束熔炼器d所产生区域熔炼熔池d深度；通过厚度探测器b控制电磁约束熔炼器c所产生区域熔炼熔池c深度；
依次类推，随着多晶硅锭3提拉的进行，当多晶硅锭3的肩部超过最上侧的电磁约束熔炼器的上部时，同时启动最上侧的两个电磁约束熔炼器，在多晶硅锭3提拉过程中，通过相应的电磁约束熔炼器的位置探测器8-3来控制最上侧的两个电磁约束熔炼器与多晶硅锭3的距离；并通过与最上侧的两个电磁约束熔炼器相对应的厚度探测器控制最上侧的两个电磁约束熔炼器所产生的区域熔炼熔池；
随着提拉的进行，从下到上方向上的电磁约束熔炼器产生的区域熔炼熔池依次对提拉出的多晶硅锭3进行区域提纯；
最后当提拉完毕后，将未完成多次区域提纯的多晶硅锭3尾部切掉，回炉，而剩余的最上侧的电磁约束熔炼器以上部分的多晶硅锭3为提纯后的多晶硅锭3。
所述装置和方法首先通过冶金法熔炼硅合金熔体，并通过降温使硅从硅合金熔体中长出，完成多晶硅锭的第一次提纯；在提拉出的多晶硅锭周围设置对称偶数个电磁约束熔炼器，通过所述电磁约束熔炼器产生的区域熔炼熔池对多晶硅锭进行进行熔化加热，区域熔炼熔池内熔化的多晶硅随着多晶硅锭的提拉离开区域熔炼熔池后凝固，在多晶硅凝固的过程中，多晶硅内的杂质要进行分凝，凝固的部分将杂质排到未凝固的熔体中，实现已凝固材料的提纯，因为设置有多个电磁约束熔炼器，每个电磁约束熔炼器都会产生相应的区域熔炼熔池，区域熔炼熔池分别对多晶硅锭进行提纯，因而，进一步的提高了制备的多晶硅锭的纯度。

Claims (6)

1.一种提纯太阳能级多晶硅的装置，其特征在于：包括炉体（21），所述炉体（21）的底部设置有坩埚杆（20），所述坩埚杆（20）的一端位于所述炉体（21）的外侧，所述坩埚杆（20）的另一端位于所述炉体（21）内，坩埚支撑（17）固定在所述坩埚杆（20）位于炉体（21）内的一端上，坩埚（18）位于所述坩埚支撑（17）内，所述坩埚支撑（17）的外周设置有加热器（16），所述坩埚（18）的上方设置有偶数个电磁约束熔炼器，所述电磁约束熔炼器用于产生区域熔炼熔池，通过区域熔炼熔池对多晶硅锭进行熔化加热的同时进行电磁约束，所述电磁约束熔炼器从下到上设置，且相邻的所述熔炼器左右错开设置，上一个所述电磁约束熔炼器的高度高于相邻的下侧的电磁约束熔炼器的高度，电磁约束器所产生的熔炼熔池伴随多晶硅锭的提拉运动对多晶硅锭进行提纯，所述炉体（21）的顶部设置有籽晶杆（1），所述籽晶杆（1）的上端位于所述炉体（21）外侧，所述籽晶杆（1）的下端位于所述炉体（21）内，位于所述炉体（21）内的籽晶杆的一端上固定有籽晶（2），且所述籽晶杆（1）在左右方向上位于电磁约束熔炼器之间，位于所述炉体（21）外侧一端籽晶杆（1）上设置有籽晶杆升降及旋转装置，用于驱动所述籽晶杆（1）上下升降运动；位于所述炉体（21）外的所述坩埚杆（20）的一端设置有坩埚杆旋转驱动装置，用于通过驱动所述坩埚杆（20）转动带动所述坩埚转动。
2.如权利要求1所述的提纯太阳能级多晶硅的装置，其特征在于：所述电磁约束熔炼器设置有四个，从下到上为电磁约束熔炼器a（14）、电磁约束熔炼器b（12）、电磁约束熔炼器c（10）和电磁约束熔炼器d（8），其中所述电磁约束熔炼器a（14）和电磁约束熔炼器c（10）位于左侧，电磁约束熔炼器b（12）和电磁约束熔炼器d（8）位于右侧，电磁约束熔炼器a（14）、电磁约束熔炼器b（12）、电磁约束熔炼器c（10）和电磁约束熔炼器d（10），用于对多晶硅锭（3）上区域熔炼熔池内的熔体产生对称的电磁约束力，保持多晶硅锭（3）受力平衡，并可以上下运动和左右运动。
3.如权利要求2所述的提纯太阳能级多晶硅的装置，其特征在于：每个所述电磁约束熔炼器的下侧设置有一个位置传感器（8-3），所述位置传感器（8-3）用于感应所述多晶硅锭（3）的直径，根据直径变化来调整电磁约束器的位置。
4.如权利要求2所述的提纯太阳能级多晶硅的装置，其特征在于：与每个所述电磁约束熔炼器相对的位置设置有一个厚度探测器，所述厚度传感器用于控制所述电磁约束熔炼器形成的区域熔炼熔池的大小，从下到上分别为与电磁约束熔炼器a（14）相对应的厚度探测器a（15）、与电磁约束熔炼器b（12）相对应的厚度探测器b（13）、与电磁约束熔炼器c（10）相对应的厚度探测器c（11）以及与电磁约束熔炼器d（8）相对应的厚度探测器d（9）。
5.如权利要求2所述的提纯太阳能级多晶硅的装置，其特征在于：所述电磁约束熔炼器包括区域熔炼线圈（8-1）、线圈绝缘支撑（8-4）以及电磁约束熔炼器运动杆（8-2），所述区域熔炼线圈（8-1）通过所述线圈绝缘支撑（8-4）进行支撑并进行绝缘隔离，所述运动杆水平设置，且所述运动杆的一端位于所述炉体（21）内，所述运动杆的另一端位于所述炉体（21）外，位于所述炉体（21）内的所述运动杆的一端与所述线圈绝缘支撑（8-4）固定连接。
6.如权利要求5所述的提纯太阳能级多晶硅的装置，其特征在于：所述线圈绝缘支撑（8-3）的整体为在其侧壁上设置有上下方向延伸的开口的筒状结构，所述绝缘支撑的横截面的圆心角大于180°且小于225°。
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