CN109183148A - 一种铸锭炉 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种铸锭炉，包括铸锭炉本体，所述铸锭炉本体的中上部位置开设有第一出气口，所述第一出气口连接有第一抽真空部件，用于将所述铸锭炉本体内的气体抽出，所述铸锭炉本体的中上部位置开设有至少一个第二出气口，所述第二出气口连接有第二抽真空部件，用于将所述铸锭炉本体内的气体抽出，所述第二出气口与所述第一出气口之间在水平方向上具有预设间距，因此铸锭炉左右两部分处气体循环都较为顺畅，有害气体可以快速排出，减少铸锭中的氧碳含量，而且铸锭各部分散热情况较为相似，能够减少了各部分的温差，提高铸锭质量，减少切片的断线风险，提高制成太阳能电池的转化效率。

Description

一种铸锭炉

技术领域

本发明属于光伏设备制造技术领域，特别是涉及一种铸锭炉。

背景技术

多晶硅铸锭是一种重要的太阳能电池材料，占据着50％以上的市场份额，其生产过程是将太阳能级多晶硅在石英坩埚中熔融后采取定向凝固方法生长而成的。目前定向凝固生长的多晶硅铸锭的一个缺点是氧碳含量较高，氧元素与多晶硅铸锭中的掺杂元素硼形成B-O对，导致转换效率发生衰减及出现光致衰减；碳元素增多会在铸锭中形成SiC硬质锭，影响铸锭线切割过程，出现断线和线痕，且含有SiC硬质点的硅片会导致其后制成的太阳能电池漏电流增大，降低转换效率。

因为多晶硅铸锭所使用的坩埚为石英坩埚，氧由石英坩埚和硅在高温下反应而引入：(1)Si+SiO2→SiO(g)；(2)SiO→Si+O。第一步反应生成的SiO蒸汽一部分排出，还有一部分溶于硅溶液发生第二步反应进入多晶硅晶体中。由于铸锭炉使用的加热器为石墨加热器，其他热场材料为碳元素材料，因此在高温下会发生以下反应：(1)硅蒸汽与石墨加热器和热场材料反应C+Si→SiC，在加热器上生成的SiC掉落到硅熔体中；(2)石墨加热器和热场材料在高温下石英坩埚发生反应C+SiO2→SiO，C+SiO→CO+Si，CO溶解到硅熔体中。因此，想要降低多晶硅铸锭中的氧碳含量，关键是将有害气体SiO、CO和硅蒸汽尽快排出。现有的方法是在多晶硅铸锭的熔化和长晶过程中从顶部充入一定量的惰性气体氩气，用氩气将有害气体从侧部的排气泵中带出。

然而，现有的多晶铸锭炉如图1所示，图1为现有多晶铸锭炉的示意图，可见其从一处通入氩气，另一处(左侧)通过真空泵抽气将氩气和有害气体排出，此种设置容易在远离出气口的地方(右侧)发生气体循环堵塞，使得炉内换气不畅，有害气体不能及时排出，导致多晶硅铸锭靠近排气孔的位置处氧碳含量较低，而远离排气孔位置的铸锭部分氧碳含量较高，使得铸锭品质下降，此外由于通入的氩气温度较低，靠近排气孔位置气流循环较快，铸锭散热也较快，这部分温度较低，而远离排气孔位置气体循环流动较为缓慢，铸锭散热较慢，这部分温度较高，铸锭两部分温度不均匀会影响长晶质量，也会降低铸锭品质。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种铸锭炉，能够使炉内气流循环更为稳定高效，加快有害气体的排出，减少铸锭氧碳含量，提高铸锭品质，减少切片时的断线风险，提高制成太阳能电池的转化效率。

本发明提供的一种铸锭炉，包括铸锭炉本体，所述铸锭炉本体的中上部位置开设有第一出气口，所述第一出气口连接有第一抽真空部件，用于将所述铸锭炉本体内的气体抽出，所述铸锭炉本体的中上部位置开设有至少一个第二出气口，所述第二出气口连接有第二抽真空部件，用于将所述铸锭炉本体内的气体抽出，所述第二出气口与所述第一出气口之间在水平方向上具有预设间距。

优选的，在上述铸锭炉中，所述第二出气口的位置与所述第一出气口的位置为其所处圆形水平面的等分点。

优选的，在上述铸锭炉中，所述第二出气口的数量为一个，且其与所述第一出气口分别位于其所处圆形水平面的二等分点。

优选的，在上述铸锭炉中，所述第二出气口的数量为两个，且其与所述第一出气口分别位于其所处圆形水平面的三等分点。

优选的，在上述铸锭炉中，所述第二出气口的孔径范围为13厘米至17厘米。

优选的，在上述铸锭炉中，所述铸锭炉本体内的隔热笼也在其中上部开设有通孔，所述通孔的数量和位置与所述第一出气口和所述第二出气口一一对应。

优选的，在上述铸锭炉中，所述第一抽真空部件和所述第二抽真空部件为同一个真空泵，且所述真空泵利用三通管道部件同时连接至所述第一出气口和所述第二出气口。

通过上述描述可知，本发明提供的上述铸锭炉，由于所述铸锭炉本体的中上部位置开设有至少一个第二出气口，所述第二出气口连接有第二抽真空部件，用于将所述铸锭炉本体内的气体抽出，所述第二出气口与所述第一出气口之间在水平方向上具有预设间距，因此铸锭左右两部分处气体循环都较为顺畅，有害气体可以快速排出，减少了铸锭中的氧碳含量，而且铸锭炉各部分散热情况较为相似，减少了各部分的温差，提高铸锭质量，可见，这种铸锭炉能够使炉内气流循环更为稳定高效，加快有害气体的排出，减少铸锭氧碳含量，提高铸锭品质，减少切片时的断线风险，提高制成太阳能电池的光电转化效率。

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为现有多晶铸锭炉的示意图；

图2为本申请提供的一种铸锭炉的示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种铸锭炉，能够使炉内气流循环更为稳定高效，加快有害气体的排出，减少铸锭氧碳含量，提高铸锭品质，减少切片时的断线风险，提高制成太阳能电池的光电转化效率。

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。

本申请提供的一种铸锭炉的实施例如图2所示，图2为本申请提供的一种铸锭炉的示意图，该铸锭炉包括铸锭炉本体1，铸锭炉本体1的中上部位置开设有第一出气口2，第一出气口2连接有第一抽真空部件(未示出)，用于将铸锭炉本体1内的气体抽出，这与现有的铸锭炉相同，本实施例中，还在铸锭炉本体1的中上部位置开设有至少一个第二出气口3，第二出气口3连接有第二抽真空部件(未示出)，用于将铸锭炉本体1内的气体抽出，第二出气口3与第一出气口2之间在水平方向上具有预设间距。该预设间距可以根据实际需要来选用，只要二者距离不过于接近即可，这样就能够将距离第一出气口2较远位置的气体抽出，避免该位置的温度过高而引起铸锭炉本体的温度不均，而且避免气体堆积并进入硅液中造成对产品的污染，对于第二出气口3的开设，是针对现有铸锭炉的一种改造，由于铸锭炉本体1上的炉壁分为内壁和外壁，具有通冷却水的中空部，在炉壁上增加第二出气口3时，需要对铸锭炉本体1的内壁和外壁进行精细的切除，以便增加排气孔，然后需要进行精细焊接，并且焊接后续确认是否已经焊接完全，以避免出现焊接不完全导致的漏水现象发生，因为在高温下，如果该第二出气口3的位置漏水变成水蒸气，就会导致炉内压力增大，这就容易造成事故发生。

为了将该方案说明得更清楚，图1中还示出了隔热笼4、顶加热器5、侧加热器6、坩埚内的硅液7、DS块8和底保温板9，一般而言，隔热笼4是不需要开孔的，在铸锭过程中随着隔热笼4的上升，隔热笼4底部出现空隙，气体从空隙被抽走，参考图1，气体进入硅液7的上部之后向四周流动，带走硅液7的热量，其中，向左移动的气体被隔热笼4的左侧壁挡住，并转而向下流动，如较大箭头所示，直到从隔热笼的底部流到隔热笼4的外部，转而向上流动，从第一出气口2流到铸锭炉之外，完成一个排气流程，而本实施例中添加了第二出气口3之后，除了左边的气路，还增加了右边的气路，也就是说，气体进入硅液7的上部之后向四周流动，带走硅液7的热量，向右移动的气体被隔热笼4的右侧壁挡住，并转而向下流动，如大箭头所示，直到从隔热笼的底部流到隔热笼4的外部，转而向上流动，从第二出气口3流到铸锭炉之外，同样完成一个排气流程，可见第二出气口3就能够与第一出气口2相配合，更快的带走硅液7的热量，并避免气体在隔热笼内做过多的停留，从而保证生产的硅锭的质量更好。另外需要说明的是，图1仅仅以一个第二出气口3进行了说明，实际上，还可以设置两个、三个或者更多的第二出气口3来实现更多位置的排气，相应的，可以设置各自之间的间距均相同，以实现各个位置更均匀的散热，以减少铸锭中的氧碳含量。

通过上述描述可知，本申请提供的上述铸锭炉，由于铸锭炉本体的中上部位置开设有至少一个第二出气口，第二出气口连接有第二抽真空部件，用于将铸锭炉本体内的气体抽出，第二出气口与第一出气口之间在水平方向上具有预设间距，因此铸锭炉左右两部分处气体循环都较为顺畅，有害气体可以快速排出，减少了铸锭中的氧碳含量，而且铸锭炉各部分散热情况较为相似，减少了各部分的温差，提高铸锭质量，可见，这种铸锭炉能够使内部气流循环更为稳定高效，加快有害气体的排出，减少铸锭氧碳含量，提高铸锭品质，减少切片时的断线风险，提高制成太阳能电池的光电转化效率。

在一个具体的实施例中，第二出气口3的位置与第一出气口2的位置为其所处圆形水平面的等分点，二者可以位于同一个高度，这样能够更加均匀的将铸锭炉内的气体排出去，最大限度的降低铸锭炉内各个位置的温度差异。这里列举两个具体的例子，第一个例子中，第二出气口3的数量为一个，且其与第一出气口2分别位于其所处圆形水平面的二等分点；第二个例子中，第二出气口3的数量为两个，且其与第一出气口2分别位于其所处圆形水平面的三等分点。当然这只是两个优选方案，还可以设置更多的第二出气口3，此处并不对数量进行限制。

进一步的优选方案中，第二出气口的孔径范围为13厘米至17厘米，这样的孔径能够保证出气的效果足够好，当然还可根据实际需要减小或增加该第二出气口的孔径，此处并不限制。

为了更好的排气，这里还提供了另外的优选方案，可以继续参考图1，铸锭炉本体1内的隔热笼4也在其中上部开设有通孔10，通孔10的数量和位置与第一出气口2和第二出气口3一一对应，图1中示意性的画出了两个通孔10，分别与第一出气口2和第二出气口的位置相邻。该实施例增加了通孔10之后，就增加了气体路径的数量，当气体从硅液7上部流动到隔热笼4的内壁上之后，就还可以如小箭头所说的那样，转而向上流动并从该通孔10中直接流动到隔热笼4外部，然后继续向外流动从第一出气口2或第二出气口3中流到铸锭炉的外部，完成整个排气过程，可见这种排气路径的距离得到大大的降低，进一步提高了排气效率，更好的保证铸锭过程不受杂质和温度梯度的影响，减少铸锭中的氧碳含量。当然这个排气过程是可以与前面提到的从隔热笼4下部排气的过程同时进行的，两种过程并不排斥。

另外，基于成本考虑，还可将第一抽真空部件和第二抽真空部件设置为同一个真空泵，且真空泵利用三通管道部件同时连接至第一出气口和第二出气口，这样利用一个真空泵就能够实现两个出气口排气的目的，减少真空泵的数量，从而降低生产成本，而且同一个真空泵来排气，能够使两个出气口的排气速率相同，能够更好的保证铸锭炉内温度的均匀性，并且容易控制，想要开始或停止排气时，只需要打开或关闭一个真空泵即可，操作起来更加简便。

下面以铸锭的流程对上述铸锭炉进行说明：

多晶硅铸锭的生产流程主要有：加热、熔化、长晶、退火、冷却。

(1)加热过程是在真空状态下，将硅料加热到1175℃，此时真空泵可以将加热时产生的水蒸气、油脂蒸汽等快速排出，硅料升温速度很快。

(2)熔化时，开始通过顶部的导流筒向炉内冲入高纯氩气，通过通入流量和炉压保持换气速率，将高温下挥发的硅蒸汽和发生化学反应产生的有害气体通过氩气带出，由于在铸锭炉隔热笼和炉壁上设置了更多对称式的排气孔，从而将铸锭炉内更多位置的气体更快速的排出，铸锭左右两部分处气体循环都较为顺畅，从而能够减少铸锭中的氧碳含量。

(3)长晶过程也是在通入氩气的情况下进行的，此时的温度低于硅料的熔点，熔融硅液通过定向凝固的方式从下往上生成柱状晶，此时对炉内温度的均匀性要求较高，越均匀的温度场生长出铸锭晶体质量越好。本实施例提供的铸锭炉在对称位置的抽力相同，气体的循环速度也近似相同，铸锭各部分散热情况较为相似，从而能够减少各部分的温差，提高铸锭质量。

(4)铸锭从底部凝固到顶部存在一个明显的温度梯度，这个温度梯度在硅锭内部产生热应力，将铸锭的温度在高温下保持一定时间，很容易地将应力传递到坩埚上充分释放，此时也是在冲入氩气情况下，如上所述，本铸锭炉可以使铸锭各部分温度更加均匀，更有利于消除应力。

(5)冷却阶段是将铸锭快速冷却到出炉温度(一般为450℃)，此时也是在充入氩气的情况下进行的，但此时其他条件对铸锭的影响基本不大。

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 (7)

1.一种铸锭炉，包括铸锭炉本体，所述铸锭炉本体的中上部位置开设有第一出气口，所述第一出气口连接有第一抽真空部件，用于将所述铸锭炉本体内的气体抽出，其特征在于，所述铸锭炉本体的中上部位置开设有至少一个第二出气口，所述第二出气口连接有第二抽真空部件，用于将所述铸锭炉本体内的气体抽出，所述第二出气口与所述第一出气口之间在水平方向上具有预设间距。

2.根据权利要求1所述的铸锭炉，其特征在于，所述第二出气口的位置与所述第一出气口的位置为其所处圆形水平面的等分点。

3.根据权利要求2所述的铸锭炉，其特征在于，所述第二出气口的数量为一个，且其与所述第一出气口分别位于其所处圆形水平面的二等分点。

4.根据权利要求2所述的铸锭炉，其特征在于，所述第二出气口的数量为两个，且其与所述第一出气口分别位于其所处圆形水平面的三等分点。

5.根据权利要求1-4任一项所述的铸锭炉，其特征在于，所述第二出气口的孔径范围为13厘米至17厘米。

6.根据权利要求1-4任一项所述的铸锭炉，其特征在于，所述铸锭炉本体内的隔热笼也在其中上部开设有通孔，所述通孔的数量和位置与所述第一出气口和所述第二出气口一一对应。

7.根据权利要求3所述的铸锭炉，其特征在于，所述第一抽真空部件和所述第二抽真空部件为同一个真空泵，且所述真空泵利用三通管道部件同时连接至所述第一出气口和所述第二出气口。