CN108998831A - 一种多晶铸锭炉 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种多晶铸锭炉，包括多晶铸锭炉本体，所述多晶铸锭炉本体的内部设置有溶液对流装置，用于加速所述铸锭炉本体内的液体在垂直方向上的对流运动。上述多晶铸锭炉，利用这种溶液对流装置的上下往复运动对液体形成加强的扰动，让液体在上下方向上的对流运动得以增强，因此能够提升多晶晶体品质，提高多晶生长速度，提高制作效率，降低生产成本。

Description

一种多晶铸锭炉

技术领域

本发明属于光伏设备制造技术领域，特别是涉及一种多晶铸锭炉。

背景技术

晶体硅的生长过程是晶体硅太阳能电池生产过程中的重要环节，晶体的质量从根本上决定了硅晶体太阳能电池的性能。目前多晶硅太阳能电池对应的多晶硅的晶体生长主要在多晶硅铸锭炉内通过定向凝固过程完成，这个过程中除了多晶硅原料自身携带的杂质外，还会受到氮化硅涂层、熔融石英坩埚包括坩埚内壁的高纯层以及热场气氛的污染，这些污染会严重影响多晶硅的品质。

其中，碳、氮元素是多晶硅晶体中的两种主要的杂质元素，虽然这两者在硅的固液界面处的分凝系数很小，分别为7×10^-2和7×10^-4，可以通过分凝作用偏聚于多晶硅的中上部，但是由于这两种杂质元素的来源很丰富，仍然对多晶硅品质产生很大影响。目前，对硬质杂质十分敏感的超细金刚线切割技术在多晶硅片加工中的迅速普及，要求多晶硅中硬质杂质含量尽可能低，这也就是要求多晶硅中碳、氮等杂质元素必须严格可控，所以降低多晶中碳、氮、金属等杂质含量，可以有效提升多晶晶体品质，同时排杂效果提升，有助于晶体生长速度提升。

相对于单晶的拉制工艺而言，多晶铸锭拉制过程中的液体对流强度不够大，尤其是垂直分量的流速较低，而且多晶铸锭长晶速度慢，多晶平均生长速度为0.16～0.18mm/min，而单晶生长速度1.0～1.4mm/min，但多晶生长加速后会带来阴影、隐裂等严重缺陷，所以多晶在生长速度方面比单晶差距较大，不利于进一度提升产能和降低成本，可见，多晶拉制工艺在排杂和长晶速度两方面均不如单晶拉制工艺，尤其是多晶拉制的过程中，垂直方向上的对流强度较弱，这就限制了多晶制作成本的下降和电池的光电转换效率的提升。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种多晶铸锭炉，能够提升多晶晶体品质，提高多晶生长速度，提高制作效率，降低生产成本。

本发明提供的一种多晶铸锭炉，包括多晶铸锭炉本体，所述多晶铸锭炉本体的内部设置有溶液对流装置，用于加速所述铸锭炉本体内的液体在垂直方向上的对流运动。

优选的，在上述多晶铸锭炉中，所述溶液对流装置为与升降装置连接的连杆，所述连杆沿重力方向设置，其下端位于所述铸锭炉本体内的液体中，且用于在所述升降装置的带动下加速所述液体在垂直方向上的对流运动。

优选的，在上述多晶铸锭炉中，所述连杆的下端还设置有横截面积大于所述连杆的横截面积的阻挡板。

优选的，在上述多晶铸锭炉中，所述阻挡板为以所述连杆横截面中心为旋转轴的扇叶，且所述扇叶在与其连接的旋转电机驱动下实现转动。

优选的，在上述多晶铸锭炉中，所述连杆位于所述多晶铸锭炉本体的中轴线位置。

优选的，在上述多晶铸锭炉中，所述连杆为表面具有阻挡层的石墨棒。

优选的，在上述多晶铸锭炉中，所述阻挡层为碳化硅涂层。

优选的，在上述多晶铸锭炉中，所述旋转电机设置于所述多晶铸锭炉本体的顶部。

优选的，在上述多晶铸锭炉中，所述阻挡板的直径范围为50mm至150mm。

优选的，在上述多晶铸锭炉中，所述扇叶为氮化硅扇叶、碳化硅扇叶或钨钼合金扇叶。

通过上述描述可知，本发明提供的上述多晶铸锭炉，由于所述多晶铸锭炉本体的内部设置有溶液对流装置，用于加速所述铸锭炉本体内的液体在垂直方向上的对流运动，利用这种溶液对流装置的上下往复运动对液体形成加强的扰动，让液体在上下方向上的对流运动得以增强，因此能够提升多晶晶体品质，提高多晶生长速度，提高制作效率，降低生产成本。

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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种多晶铸锭炉的示意图；

图2为本申请实施例中采用的升降电机和旋转电机的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于提供一种多晶铸锭炉，能够提升多晶晶体品质，提高多晶生长速度，提高制作效率，降低生产成本。

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。

本申请实施例提供的一种多晶铸锭炉如图1所示，图1为本申请实施例提供的一种多晶铸锭炉的示意图，该铸锭炉包括多晶铸锭炉本体1，所述多晶铸锭炉本体1的内部设置有溶液对流装置2，用于加速所述铸锭炉本体1内的液体在垂直方向上的对流运动。

需要说明的是，图1中只是示意性的画出了通过机械方式实现溶液对流，利用这种溶液对流装置2的上下往复运动对液体形成加强的扰动，让液体在上下方向上的对流运动得以增强，其实该方案的实现并不仅限于机械方式，还可以通过包括施加磁场在内的方式来加速溶液内垂直方向上的扰动，利用该方案，能够让溶液形成上下垂直对流，将对流强度增强至5至10mm/s，该对流设计可以降低固液界面处边界层的厚度δ，降低硅晶体结晶所需的温度梯度，因此可以同时达到降低晶体杂质浓度和提高晶体生长速度的目的。

通过上述描述可知，本申请实施例提供的上述多晶铸锭炉，由于所述多晶铸锭炉本体的内部设置有溶液对流装置，用于加速所述铸锭炉本体内的液体在垂直方向上的对流运动，因此能够提升多晶晶体品质，提高多晶生长速度，提高制作效率，降低生产成本。

本申请实施例还有进一步的优选实现方案，就是在上述多晶铸锭炉的基础上，将所述溶液对流装置2选择为与升降装置连接的连杆，所述连杆沿重力方向设置，其下端位于所述铸锭炉本体内的液体中，且用于在所述升降装置的带动下加速所述液体在垂直方向上的对流运动。

这种利用连杆方式实现液体加速对流的方案更加容易实现，易于制造，且无需对炉体进行较大幅度的改进，因此改造成本较低，而且利用升降装置来实现连杆的上下运动的控制，可以做到精确控制和自动化控制，这里采用的升降装置应该安装在炉体的温度相对较低的位置，以防止内部部件被高温灼伤而引起失效，而且这种升降装置可以但不限于是升降电机，无需过高的成本。所述连杆可进一步优选为位于所述多晶铸锭炉本体的中轴线位置，这样容易设置，无需对炉体过多改造，成本较低，当然还可以根据实际需要设置于其他位置，此处并不限制，而且所述连杆还可进一步优选为表面具有阻挡层的石墨棒，这种阻挡层是为了避免向溶液内引入杂质而影响铸锭质量，所述阻挡层可以但不限于为碳化硅涂层，而石墨材质的棒体具备足够的机械强度和耐高温特性，稳定性更好因此这种方案可以优选为这种材质，但并不仅限于这种棒体，还可以钨钼金属材质的棒体，此处并不限制。

上述方案没有对连杆的形状尺寸进行限定，而一个进一步的方案就是在上述方案的基础上，所述连杆的下端还设置有横截面积大于所述连杆的横截面积的阻挡板，这种优选方案就能够使得连杆在相同速率的上下运动过程中对更多的液体形成扰动，这样扰动效果会更强，能够起到更好的降低晶体杂质浓度和提高晶体生长速度的作用，而且连杆下端的横截面积在一定程度内是越大越好，但是也要与炉体相匹配，不宜过大，这都是可以根据具体实际情况来设置的，其中一个优选方案是将所述阻挡板的直径范围设置为50mm至150mm，更进一步的，这种直径可设置为100mm。

在实际的铸锭过程中，还会面临水平生长应力过大造成生产出的铸锭产品内部应力过大问题，而为了减少这种水平生长应力，可以在上一段所述方案的基础上，只需做一个小的改进就可以实现：具体的，就是将所述阻挡板设置为以所述连杆横截面中心为旋转轴的扇叶，且所述扇叶在与其连接的旋转电机驱动下实现转动，在这种情况下，一方面可以减少水平生长应力，另一方面可以对边界层厚度进行冲刷，降低边界层厚度，以提高排杂能力，而且能够降低长晶的过冷度，提升长晶速度。进一步的，所述扇叶可以选择为氮化硅扇叶、碳化硅扇叶或钨钼合金扇叶，这些材质在高温下均为难熔物质，因此都可以用作扇叶材料，保证铸锭过程中具有足够高的强度。

作为进一步的优选方案，上一段所述方案中的所述旋转电机设置于所述多晶铸锭炉本体的顶部，具体的，上述升降电机和旋转电机的结构如图2所示，图2为本申请实施例中采用的升降电机和旋转电机的结构示意图，包括升降电机201、主滑轨202、配重203、旋转电机204、感应滑轨205、搅拌连杆206和正压密封207。

利用上述多晶铸锭炉进行生产时，以如下四个例子对工艺和效果进行说明：

(1)将升降机、连杆、扇叶等组装好，铸锭炉开始投料运行，熔化结束后先利用扇叶进行高度测量，长晶阶段第3步开启启动控制程序，设定垂直速度为10mm/s，水平转速10转/min，持续运行，直到长晶结束时停止，期间需对晶体长晶速度进行测量，每1小时测量1次。出锭后观察表面情况，晶锭整体表面干净无粘锅现象，计算平均长晶速度0.18mm/min，取头部碳含量样片，测试碳含量值11ppma(同期11～12ppma)，跟同期降低部明显。

(2)将升降机、连杆、扇叶等组装好，铸锭炉开始投料运行，熔化结束后先利用扇叶进行高度测量，长晶阶段第3步开启启动控制程序，设定垂直速度为20mm/s，水平转速30转/min，持续运行，直到长晶结束时停止，期间需对晶体长晶速度进行测量，每1小时测量1次，出锭后观察表面情况，晶锭整体表面干净无粘锅现象，计算平均长晶速度0.22mm/min，取头部碳含量样片，测试碳含量值10ppma(同期11～12ppma)，跟同期比略有降低。

(3)将升降机、连杆、扇叶等组装好，铸锭炉开始投料运行，熔化结束后先利用扇叶进行高度测量，长晶阶段第3步开启启动控制程序，设定垂直速度为30mm/s，水平转速60转/min，持续运行，直到长晶结束时停止，期间需对晶体长晶速度进行测量，每1小时测量1次，出锭后观察表面情况，晶锭整体表面干净侧部有轻微粘锅，计算平均长晶速度0.40mm/min，取头部碳含量样片，测试碳含量值9ppma(同期11～12ppma)，跟同期降低部明显。

(4)将升降机、连杆、扇叶等组装好，铸锭炉开始投料运行，熔化结束后先利用扇叶进行高度测量，长晶阶段第3步开启启动控制程序，设定垂直速度为20mm/s，水平转速60转/min，持续运行，直到长晶结束时停止，期间需对晶体长晶速度进行测量，每1小时测量1次，出锭后观察表面情况，晶锭整体表面干净无粘锅现象，计算平均长晶速度0.35mm/min，取头部碳含量样片，测试碳含量值8ppma(同期11～12ppma)，跟同期降低部明显。

通过上述不同工艺对比，可见不同的对流强度对排杂的影响差异较大，只有控制合适的垂直和水平速度才能达到不粘锅的同时，提升排杂效果和提升长晶速度，可以降低碳含量3ppma，同时提高切片良率0.3％，对应电池片的效率提升0.02％。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种多晶铸锭炉，包括多晶铸锭炉本体，其特征在于，所述多晶铸锭炉本体的内部设置有溶液对流装置，用于加速所述铸锭炉本体内的液体在垂直方向上的对流运动。

2.根据权利要求1所述的多晶铸锭炉，其特征在于，所述溶液对流装置为与升降装置连接的连杆，所述连杆沿重力方向设置，其下端位于所述铸锭炉本体内的液体中，且用于在所述升降装置的带动下加速所述液体在垂直方向上的对流运动。

3.根据权利要求2所述的多晶铸锭炉，其特征在于，所述连杆的下端还设置有横截面积大于所述连杆的横截面积的阻挡板。

4.根据权利要求3所述的多晶铸锭炉，其特征在于，所述阻挡板为以所述连杆横截面中心为旋转轴的扇叶，且所述扇叶在与其连接的旋转电机驱动下实现转动。

5.根据权利要求2所述的多晶铸锭炉，其特征在于，所述连杆位于所述多晶铸锭炉本体的中轴线位置。

6.根据权利要求2所述的多晶铸锭炉，其特征在于，所述连杆为表面具有阻挡层的石墨棒。

7.根据权利要求6所述的多晶铸锭炉，其特征在于，所述阻挡层为碳化硅涂层。

8.根据权利要求4所述的多晶铸锭炉，其特征在于，所述旋转电机设置于所述多晶铸锭炉本体的顶部。

9.根据权利要求3所述的多晶铸锭炉，其特征在于，所述阻挡板的直径范围为50mm至150mm。

10.根据权利要求2所述的多晶铸锭炉，其特征在于，所述扇叶为氮化硅扇叶、碳化硅扇叶或钨钼合金扇叶。