CN201224781Y - 带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉。本实用新型包括储料部件，闸阀；其中：储料部件上开设有投料口盖板，储料部件通过闸阀与多晶硅定向凝固铸造炉炉壁连通。本实用新型可以提高多晶硅铸造炉中耐热坩埚空间的使用效率，在硅原料在耐热坩埚中融化后，开启二次加料装置，加入新的原料。与不安装二次加料装置现有工艺相比，本实用新型可以提高耐热坩埚空间的使用效率约20－45％，提高单炉硅晶体产出量超过30％，同时降低生产每公斤硅晶体的能耗。本实用新型还有结构简单，安装方便的优点。本实用新型克服了大容量的定向凝固多晶硅铸造炉存在没有合适的配套技术所以不需要采用补充加料的附属装置的偏见。

Description

带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉

技术领域

本实用新型涉及一种可再加料的定向生长铸造多晶硅硅锭的设备，特别是一种带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，该带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉能铸造尺寸更高、重量更大的多晶硅硅锭。

背景技术

以晶体硅为基材的太阳能电池可分为单晶硅和多晶硅两种。单晶硅晶体通常采用直拉单晶法(Czchoralski，或简称CZ)拉制而成。而多晶硅晶体有多种方法，目前在工业生产中普遍采用的可以粗略地分为定向凝固法，浇铸法，电磁冷坩埚连续铸锭法等。其中的定向凝固法由于其所产硅锭重量大，单炉产出量高，耗能低而受到最广泛的应用。定向凝固法的基本工艺特征是配料好的硅原料装满一石英坩埚，在控制的环境下，硅原料被加热并熔化，随后，硅溶液在同一坩埚中由于单一方向的冷却(通常为坩埚底面)开始结晶凝固，晶体逐渐逆着冷却方向生长，直至全部硅液凝固成为硅锭。

在定向凝固铸锭中，坩埚中所装的硅料量由于硅料的形状，体积等原因达不到实体硅充满整个坩埚所应有的重量。实际所装量和最大可容量的比值被称为填充因子。随着硅料形状，体积的不同，这个填充因子在目前多晶硅生产中可达到30％到65％，在大部分情况下是58％左右。以目前使用较多的美国GT太阳能公司(GT Solar Technologies，Inc.)的DSS系列多晶硅定向铸锭炉为例，当其使用的坩埚内尺寸为69cm×69cm×42cm，将硅料堆起来装，一般可装270公斤左右。长出的铸锭尺寸69cm×69cm×24cm，填充因子是57％左右。

二次填料方法和装置在直拉单晶炉中已得到应用。这一方法和装置在一些特殊的多晶硅生长炉中也被提到。例如JP62260710是通过高真空中直接采用电子束枪熔化固体硅并铸造熔融硅。通过进料器可连续向坩埚内加固体硅料。但JP62260710涉及的是非定向凝固工艺的早期的铸造炉，其体积有限，只能生产数十公斤的铸锭。

而生产数十公斤的铸锭与生产数百公斤的铸锭在工艺上、设备上差异非常大，生产数百公斤并得到高度超过24-30厘米的铸锭在生产技术上遇到的困难远高于生产数十公斤并得到高度超过24-30厘米的铸锭。其生产技术至少相差10年以上。

Directional Solidification System是定向凝固系统的英文关键词，以美国GT太阳能公司DSS系列为代表的多晶硅定向凝固铸锭炉，一直以来并没有采用补充加料的附属装置。特别是内置69cm×69cm×42cm坩埚、69cm×69cm×48cm坩埚84cm×84cm×48cm坩埚等大容量的多晶硅定向凝固铸造炉一直以来并没有采用补充加料的附属装置。

在大容量的定向凝固多晶硅铸造炉领域中存在没有合适的配套技术、没有合适的定向凝固法工艺、多晶硅晶体生长时热量散发困难等多方面的限制，所以不需要采用补充加料的附属装置的偏见。

其原因如下：

目前GT公司的多晶硅定向凝固铸造炉当使用69cm×69cm×42cm坩埚时，可以得到多晶硅硅锭重250-300Kg，其外形尺寸在长69cm×宽69cm×高24-27cm。坩埚可利用空间不足60％。坩埚利用率低。

由于尺寸更高的多晶硅硅锭在切割成硅块和硅片时候产生的边脚料相对较少，其使用效率更高。努力获得尺寸更高、重量更大的多晶硅硅锭是有意义的。

多晶硅铸造技术目前发展迅速，多晶硅的铸造工艺和设备也千差万别，例如早期的通过在高真空中直接采用电子束枪熔化固体硅并铸造熔融硅技术的多晶硅铸造炉所得到的硅锭体积小，重量小，大约只有数十公斤。因为后续处理体积不大，重量不大的硅锭并不困难。体积小，重量小的硅锭在生产过程中可以选择补充加料适当增加尺寸或重量。

但大尺寸的多晶硅硅锭在定向凝固生产过程中，很少采用补充加料。这是因为大尺寸的多晶硅硅锭在定向凝固生产过程中也有很多限制。由于多晶硅晶体生长时热量散发的问题，多晶硅的高度很难增加。

为超过正常高度的多晶硅所配套的设备的体积也非常庞大，设备造价急剧上升，以目前的生长高度为35-60厘米的定向凝固法生产的硅锭为例，其配套的如果只采用一次加料，不采用补充加料方式的多晶硅定向凝固铸造炉高度可能超过5-8米。

所以，要增加多晶硅的体积和重量的主要方法是增加其长度和宽度。但是，边长尺寸的增加也不是无限制的，因为在多晶硅硅锭的加工过程中，目前的多晶硅硅锭的加工过程中外圆切割机或带锯对大尺寸如长69cm×宽69cm，但高度超过30cm的多晶硅硅锭处理困难。这些内容在普通的《太阳能电池材料》的科普读物第144页中都有类似的记载。

而且在定向凝固生产过程中的长60-100cm×宽60-100cm×高40-60cm的坩埚中获得长60-100cm×宽60-100cm×高24-30cm的多晶硅锭是行业普遍认为的极限，在生产高度超过35厘米的大的多晶硅锭受传统定向凝固法工艺的限制完全可能带来产品质量上的致命缺陷。

所以尽管GT公司的DSS系列多晶硅定向铸锭炉内的69cm×69cm×42-48cm坩埚在减去硅锭24-30cm的高度后仍有剩余的利用空间，但受后续配套加工手段的限制、传统定向凝固法工艺的限制、以及多晶硅晶体生长时热量散发困难等多方面的限制，并没有采用补充加料的附属装置来增加坩埚利用率。

因此在大容量的定向凝固多晶硅铸造炉领域中存在没有合适的配套技术、没有合适的定向凝固法工艺、多晶硅晶体生长时热量散发困难等多方面的限制；所以不需要采用补充加料的附属装置的偏见。

但随着本申请人调整了定向凝固铸锭生产工艺，已经有能力生产合格的长为69cm、宽为69cm、但高为30-45cm以上的多晶硅硅锭，以及改进了后续配套加工手段后能很好的对高为30-35cm以上的多晶硅硅锭进行良好的切块或切割成片，那么没有采用补充加料附属装置的多晶硅定向铸锭炉就显得落后实际生产应用了。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，该装置可以提高大容量的定向凝固多晶硅铸造炉中坩埚空间的使用效率，克服了大容量的定向凝固多晶硅铸造炉领域中存在没有合适的配套技术、没有合适的定向凝固法工艺、多晶硅晶体生长时热量散发困难等多方面的限制；所以不需要采用补充加料的附属装置的偏见。

本实用新型的技术方案为：

带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，包括储料部件，闸阀；其中：储料部件上开设有投料口盖板，储料部件通过闸阀与多晶硅定向凝固铸造炉炉壁连通。

带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：储料部件可以是储料筒。

带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：在储料筒和闸阀之间增设给料器；储料筒通过给料器与闸阀连通。

带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：给料器采用螺旋推进器。

带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：还增加设置进气部件，进气部件通过控制阀与储料部件连通。

带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：铸造炉内部采用长为65-75cm、宽为65-75cm、高为40-55cm的坩埚。

带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：铸造炉内部采用长为76-100cm、宽为76-100cm、高为40-80cm的坩埚。

本实用新型提出的再次填料方法和装置可以提高填充因子，使得单炉单位时间的产出量得到提高。这一方法的基本思想是在初始所装的硅料在坩埚中溶化以后，坩埚有近一半的空间在硅液表面上空出来，这时再往坩埚中添加硅料，使这部分坩埚空间得到有效的利用。

本实用新型的优点和工作原理：在多晶硅铸锭过程中，加热坩埚中的固体硅料至熔融状态，这时坩埚内硅料体积变小至坩埚内的一半左右，启动补充加料装置，加入适量的固体颗粒料。再将固体颗粒料加热至熔融状态。此补充加料装置配合补充加料方法可使用坩埚利用率达到80％，多晶硅重量可提高50-100Kg。多晶硅铸锭尺寸高度可提高30％，产能可增长30％。本实用新型还有结构简单，安装方便的优点。

附图说明

附图1是本实用新型的使用状态示意图。

附图标记：储料筒1、储料筒气体节流阀2、给料器气体节流阀3、电磁阀4、给料器5、连接管6、进气口7、闸阀8、多晶硅定向凝固铸造炉9、漏斗10、支承件11，投料口盖板12、观察镜13、下料管14。

具体实施方式

实施例1、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，包括储料部件，闸阀8；其中：储料部件上开设有投料口盖板12，储料部件通过闸阀8与多晶硅定向凝固铸造炉9连通。

实施例2、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：储料部件可以是储料筒1。其余同实施例1。

实施例3、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：在储料筒1和闸阀8之间增设给料器5；储料筒1通过给料器5与闸阀8连通。其余同实施例2。

根据不同的物料情况配置不同的给料器5，例如有块状、粉状、颗粒状的物料，可以设计不同的给料器5。

实施例4、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：还增加设置进气部件，进气部件通过控制阀与储料部件连通。其余同实施例2或3。

在使用粉状物料的时候，粉状物料质地轻，由于多晶硅铸造炉内有一定压力，粉状物料很难顺利下沉进入多晶硅铸造炉，增加进气部件可以依靠气流带动使得粉状物料下降顺利。

但如果使用质地重的块状物料，块状物料可以克服多晶硅铸造炉内的一定压力直接顺利下滑，因此也可以不采用进气部件。

实施例5、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：进气部件包括进气口7，进气管；控制阀包括电磁阀4，储料筒气体节流阀2；进气口7通过电磁阀4、储料筒气体节流阀2、进气管与储料筒1连接。其余同实施例4。

电磁阀4和储料筒气体节流阀2的设置可以控制二次加料中的进气步骤，从而更好的控制加料。

实施例6、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：进气部件包括进气口7，进气管；控制阀包括电磁阀4，给料器气体节流阀3；进气口7通过电磁阀4、给料器气体节流阀3、进气管与给料器5连接。其余同实施例4。

电磁阀4和给料器气体节流阀3的设置可以控制二次加料中的进气步骤，从而更好的控制加料。

实施例7、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：储料部件上增设观察镜13。其余同实施例1。

观察镜13有利于直接观察加料状况。

实施例8、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：增设用于支承储料部件的支承件11，储料部件通过支承件11与多晶硅铸造炉连接。其余同实施例1。

实施例9、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：增设用于支承储料部件的支承件11，储料部件通过支承件11与地面连接。其余同实施例1。

实施例10、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：给料器5与多晶硅定向凝固铸造炉9之间增设漏斗10。其余同实施例3。

毕竟给料器5与多晶硅铸造炉炉壁所存在的温度压力环境有明显差异，增加漏斗10可以让物料更好的过渡。

实施例11、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：漏斗10下面加装下料管14。

下料管14的底端口对准多晶硅铸造炉中的坩埚。其余同实施例10。

有的多晶硅铸造炉中的坩埚距离多晶硅铸造炉的顶部较远，增加下料管14有利于加料。

实施例12、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：储料部件的容量为30—80升。其余同实施例1。

传统的多晶硅铸造炉通常只能制造300公斤以下的硅锭，而定向凝固系统的多晶硅铸造炉由于设备结构和工艺不同于传统的多晶硅铸造，允许制备高达300多公斤的多晶硅锭，因此用于多晶硅的补充加料的装置的容量通常大于30升。

实施例13、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：储料部件的容量为30升。其余同实施例1。

实施例14、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：储料部件的容量为40升。其余同实施例1。

实施例15、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：储料部件的容量为50升。其余同实施例1。

实施例16、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：储料部件的容量为60升。其余同实施例1。

实施例17、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：储料部件的容量为80升。其余同实施例1。

实施例18、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其中：给料器5采用螺旋推进器。其余同实施例3。

给料器可以采用多种形式，但采用螺旋推进器相对于传统的给料方式更容易控制，給料均匀，不受压力，物料特性影响；适应工艺系统压力变化能力强，而且給料量稳定可调；結构合理，性能可靠，维修简单。

实施例19、以上实施例中带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉是带有补充加料装置的定向凝固系统的多晶硅铸造炉。

实施例20、一组带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，铸造炉内部采用长为65cm、宽为65cm、高为40cm的坩埚。其余分别同实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19。

实施例21、一组带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，铸造炉内部采用长为75cm、宽为75cm、高为55cm的坩埚。其余分别同实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19。

实施例22、一组带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，铸造炉内部采用长为69cm、宽为69cm、高为48cm的坩埚。其余分别同实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19。

实施例23、一组带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，铸造炉内部采用长为84cm、宽为84cm、高为48cm的坩埚。其余分别同实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19。

实施例24、一组带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，铸造炉内部采用长为100cm、宽为100cm、高为40cm的坩埚。其余分别同实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19。

实施例25、一组带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，铸造炉内部采用长为76cm、宽为76cm、高为80cm的坩埚。其余分别同实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19。

Claims (18)

1、带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，包括储料部件，闸阀(8)；其特征在于：储料部件上开设有投料口盖板(12)，储料部件通过闸阀(8)与多晶硅定向凝固铸造炉(9)连通。

2、根据权利要求1所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：储料部件可以是储料筒(1)。

3、根据权利要求2所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：在储料筒(1)和闸阀(8)之间增设给料器(5)；储料筒(1)通过给料器(5)与闸阀(8)连通。

4、根据权利要求2或3所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：还增加设置进气部件，进气部件通过控制阀与储料部件连通。

5、根据权利要求4所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：进气部件包括进气口(7)，进气管；控制阀包括电磁阀(4)，储料筒气体节流阀(2)；进气口(7)通过电磁阀(4)、储料筒气体节流阀(2)、进气管与储料筒(1)连接。

6、根据权利要求4所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：进气部件包括进气口(7)，进气管；控制阀包括电磁阀(4)，给料器气体节流阀(3)；进气口(7)通过电磁阀(4)、给料器气体节流阀(3)、进气管与给料器(5)连接。

7、根据权利要求1所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：储料部件上增设观察镜(13)。

8、根据权利要求1所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：增设用于支承储料部件的支承件(11)，储料部件通过支承件(11)与多晶硅铸造炉连接。

9、根据权利要求1所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：增设用于支承储料部件的支承件(11)，储料部件通过支承件(11)与地面连接。

10、根据权利要求3所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：给料器(5)与多晶硅定向凝固铸造炉(9)之间增设漏斗(10)。

11、根据权利要求10所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：漏斗(10)下面加装下料管(14)。

12、根据权利要求1所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：储料部件的容量为30—80升。

13、根据权利要求3所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：给料器(5)采用螺旋推进器。

14、根据权利要求1-13任意一项所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉是带有补充加料装置的定向凝固系统的多晶硅铸造炉。

15、根据权利要求1-13任意一项所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：铸造炉内部采用长为65-75cm、宽为65-75cm、高为40-55cm的坩埚。

16、根据权利要求1-13任意一项所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：铸造炉内部采用长为76-100cm、宽为76-100cm、高为40-80cm的坩埚。

17、根据权利要求1-13任意一项所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：铸造炉内部采用长为69cm、宽为69cm、高为48cm的坩埚。

18、根据权利要求1-13任意一项所述的带有补充加料装置的定向凝固多晶硅铸造炉，其特征在于：铸造炉内部采用长为84cm、宽为84cm、高为48cm的坩埚。

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