CN201729910U - 多晶硅铸锭炉的气流控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种多晶硅铸锭炉的气流控制装置，属于多晶硅铸锭炉技术领域。它解决了现有多晶硅铸锭炉内含碳的气体都会在腔体内不断回流、气流所载杂质也会不断侵入硅熔体而导致铸锭质量降低的问题。本多晶硅铸锭炉的气流控制装置，所述的多晶硅铸锭炉包括炉体和设置在炉体内的隔热笼，在隔热笼内设有加热器和坩埚，所述的隔热笼顶部设有导气管，导气管与隔热笼上下滑动连接，在炉体上设有升降结构，上述的导气管固接在升降结构上。通过气流控制装置对多晶硅铸锭炉内的气流进行控制，使得多晶铸锭中的碳含量能够得到有效地降低，提高了铸锭质量。
Description
技术领域
本发明属于多晶硅铸锭炉技术领域，涉及一种多晶硅铸锭炉的气流控制装置。
背景技术
多晶硅原料通过定向凝固法制成多晶硅锭，通过剖方、切片制成太阳能电池片的方法已经逐渐成为电池片生产的主流。多晶铸锭具有高产能，低能耗，工艺便捷，性价比高等优势。但是和直拉单晶比较，定向凝固法的多晶铸锭还存在着不足之处，其中对铸锭影响最为严重的便是碳含量过高引起微晶及少子寿命下降，最终影响电池片的转换效率及使用寿命。
碳在熔体硅中的分凝系数约为0.07，直拉单晶在生产过程中，只要工艺控制合适，外界的碳杂质侵入硅熔体后，绝大多数都残留在坩埚底的熔硅当中，而硅晶体中碳含量能够保持在很低的数量级上。多晶铸锭则不同，由于整个铸锭工艺期内，硅都是保留在坩埚内，所以一旦外部侵入的碳及其它杂质过多，并达到一定浓度时，就会转变为SiC的形式，重新引起成核，直接导致了微晶现象，影响到铸锭及后续产品质量。
目前国际上对多晶铸锭中碳含量的要求愈来愈严格，而对于如何有效降低碳含量的研究也成为光伏行业中的一个重要课题。目前国际上有一些研究成果，例如在石英坩埚和石墨坩埚之间添加合适的涂层，使用表面颗粒挥发较小的碳材料保温层，选用其他非金属材料的保温层，增加熔硅的搅动促进硅液中杂质挥发，降低炉内压力氛围。这些方法有些卓有成效，但成本较高；有些虽然实施简便，但稳定性差，难以控制并保持工艺一致性。
可见，本领域内的技术人员没有考虑到多晶硅铸锭炉内的气流对整个铸锭工艺的影响。分析目前多晶铸锭中碳成分的来源，除了硅原料自身所含的C成分外，其余皆为外界热场中的挥发的反应物。其中最主要的物质交换过程都是由内部气流场作为载体进行的。在整个固液气三相转换中，绝大多数的碳都来自石英坩埚和石墨坩埚的反应式SiO2+C＝SiO+CO，然后通过物质交换，进入到硅熔体当中。由于碳杂质相对硅熔体来说是极稀溶液，远不能达到平衡态，碳一旦进入了硅熔体就很难再挥发出来。
普通的多晶硅铸锭炉包括炉体，在炉体内设置隔热笼，在隔热笼下方设置与隔热笼形成封闭腔体的隔热板，在隔热笼内设置加热器和坩埚，在隔热笼顶部中间处固接一根导气管，该导气管的另一端固接于炉体上，通过该导气管使隔热笼与外界相通。在隔热笼的顶部还设有出气口，该出气口位于加热器内侧，且接近导气管。对导气管通入气流所产生的气流场进行分析，见图1所示，该气流场使得含碳的气体都会在腔体内不断回流，气流所载杂质也会不断侵入硅熔体，降低了铸锭质量。
发明内容
本发明针对上述的问题，提供一种多晶硅铸锭炉的气流控制装置，以应用在当前所有多晶硅铸锭炉，通过对多晶硅铸锭炉内的气流进行控制，使得多晶铸锭中的碳含量能够得到有效地降低，提高了铸锭质量。
本发明通过下列技术方案来实现：一种多晶硅铸锭炉的气流控制装置，所述的多晶硅铸锭炉包括炉体和设置在炉体内的隔热笼，在隔热笼内设有加热器和坩埚，所述的隔热笼顶部设有导气管，其特征在于，导气管与隔热笼上下滑动连接，在炉体上设有升降结构，上述的导气管固接在升降结构上。
通过升降结构移动导气管后进行仿真计算，当导气管处于合适位置时，气流能够产生有效地分层，破坏气流在腔体内不断回流的状态，使得坩埚和隔热笼之间产生的反应气体难以侵入硅熔体，减少了气体杂质混入硅熔体。
在上述的多晶硅铸锭炉的气流控制装置中，所述的隔热笼顶部设有出气口，该出气口位于加热器外侧，且接近隔热笼侧壁。在气流产生分层后，气流的流向发生改变，将出气口设置在加热器的外侧，气流流出的效果最好。
在上述的多晶硅铸锭炉的气流控制装置中，所述的导气管的下端固接有气流导向罩。安装气流导向罩后，还能加强硅液表面的气体流动，随着导向罩的不断下降，硅液面处将不会有任何形式的回流产生，进一步减少了气体杂质混入硅熔体，而导向罩上侧的气流因导向罩的阻挡无法侵入硅液面。
在上述的多晶硅铸锭炉的气流控制装置中，所述的气流导向罩为无通孔的平板。
在上述的多晶硅铸锭炉的气流控制装置中，所述的导气管采用石墨材料制成。
在上述的多晶硅铸锭炉的气流控制装置中，所述的升降结构包括固定在炉体上的定位导轨，在定位导轨内设有密封波纹管，密封波纹管和导气管之间设有不锈钢导气管，不锈钢导气管的一端与密封波纹管固接，另一端与导气管周向转动连接，密封波纹管外套有连接在定位导轨上的锁定螺母，锁定螺母通过螺纹与密封波纹管连接。转动锁定螺母，由于锁定螺母只能转动无法上下移动，在螺纹的作用下，密封波纹管沿着定位导轨上升或者下降，密封波纹管通过不锈钢导气管带动导气管上升或者下降。
在上述的多晶硅铸锭炉的气流控制装置中，所述的隔热笼内侧壁设有将隔热笼分隔为上下两个腔体的环形挡块。
与现有技术相比，本多晶硅铸锭炉的气流控制装置能够改变隔热笼内的气流场，减少了气体杂质混入硅熔体，使得多晶铸锭中的碳含量能够得到有效地降低，有效简便地减少硅锭内部的碳杂质。除气流控制装置外，保持同样实验条件，可以将硅锭内部平均碳浓度减少至9即ma以下，极大地提高了铸锭质量。
附图说明
图1是现有多晶硅铸锭炉隔热笼内气流场的示意图。
图2是本发明在导气管下降时所产生的气流场示意图。
图3是本发明在装有气流导流板时所产生的气流场示意图。
图4是本发明在装有气流导流板接近硅液面时所产生的气流场示意图。
图5是本发明的升降结构的示意图。
图中，1、炉体；2、隔热笼；3、导气管；4、出气口；5、加热器；6、坩埚；7、气流导向罩；8、定位导轨；9、密封波纹管；10、锁定螺母；11、环形挡块；12、观察组件；13、不锈钢导气管；14、硅液面；15、热交换台。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本多晶硅铸锭炉的气流控制装置，如图4和图5所示，多晶硅铸锭炉包括炉体1和设置在炉体1内的隔热笼2，在隔热笼2内设有加热器5、坩埚6和热交换台15，坩埚6放置在热交换台15上，隔热笼2顶部设有由石墨材料制成的导气管3，导气管3与隔热笼2上下滑动连接，在炉体1上设有升降结构，导气管3固接在升降结构上。隔热笼2顶部设有出气口4，该出气口4位于加热器5外侧，且接近隔热笼2侧壁。如图2所示，当导气管3处于下降到硅液面14合适位置时，气流能够产生有效地分层，使得坩埚之间产生的反应气体难以侵入硅熔体。导气管3的下端固接有气流导向罩7。气流导向罩7为无通孔的平板。如图3所示，当进一步安装气流导向罩7后，还能加强硅液表面的气体流动，随着气流导向罩7的不断下降，硅液面14处将不会有任何形式的回流产生，进一步减少了气体杂质混入硅熔体，见图4所示。
升降结构包括固定在炉体1上的定位导轨8，在定位导轨8内设有密封波纹管9，密封波纹管9和导气管3之间设有不锈钢导气管13，不锈钢导气管13的一端与密封波纹管9固接，另一端与导气管3周向转动连接，密封波纹管9外套有连接在定位导轨8上的锁定螺母10，锁定螺母10通过螺纹与密封波纹管9连接，在密封波纹管9上设有观察组件12。转动锁定螺母10，由于锁定螺母10只能转动无法上下移动，在螺纹的作用下，密封波纹管9沿着定位导轨8上升或者下降，密封波纹管9通过不锈钢导气管13带动导气管3上升或者下降。隔热笼2内侧壁设有将隔热笼2分隔为上下两个腔体的环形挡块11。
当工艺处于加热及熔化阶段，坩埚6内固态硅原料往往超过坩埚6高度，导气管3必须处于较高位置，若导气管3直接和硅原料接触，那么两种材料C和Si就会直接反应，形成的化合物就会留在硅熔体中。此时使用锁定螺母10将观察组件12连同导气管3固定在高位。
当处于长晶阶段，需要发挥导气管3作用时，使用锁定螺母10将导气管3固定在工作位置。完成晶体生长。
除了采用上述的升降结构外，还可以采用自动化的结构，用电机驱动螺旋丝杆来进行气管升降。当对应不同装料量时，液面位置也是变化的，此时使用自动化控制系统能保证气管始终处于合适的位置，来使气流能够符合设计要求。
Claims (7)
1.一种多晶硅铸锭炉的气流控制装置，所述的多晶硅铸锭炉包括炉体(1)和设置在炉体(1)内的隔热笼(2)，在隔热笼(2)内设有加热器(5)和坩埚(6)，所述的隔热笼(2)顶部设有导气管(3)，其特征在于，导气管(3)与隔热笼(2)上下滑动连接，在炉体(1)上设有升降结构，上述的导气管(3)固接在升降结构上。
2.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉的气流控制装置，其特征在于，所述的隔热笼(2)顶部设有出气口(4)，该出气口(4)位于加热器(5)外侧，且接近隔热笼(2)侧壁。
3.根据权利要求2所述的多晶硅铸锭炉的气流控制装置，其特征在于，所述的导气管(3)的下端固接有气流导向罩(7)。
4.根据权利要求3所述的多晶硅铸锭炉的气流控制装置，其特征在于，所述的气流导向罩(7)为无通孔的平板。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的多晶硅铸锭炉的气流控制装置，其特征在于，所述的导气管(3)采用石墨材料制成。
6.根据权利要求5所述的多晶硅铸锭炉的气流控制装置，其特征在于，所述的升降结构包括固定在炉体(1)上的定位导轨(8)，在定位导轨(8)内设有密封波纹管(7)，密封波纹管(7)和导气管(3)之间设有不锈钢导气管(13)，不锈钢导气管(13)的一端与密封波纹管(7)固接，另一端与导气管(3)周向转动连接，密封波纹管(7)外套有连接在定位导轨(8)上的锁定螺母(10)，锁定螺母(10)通过螺纹与密封波纹管(7)连接。
7.根据权利要求6所述的多晶硅铸锭炉的气流控制装置，其特征在于，所述的隔热笼(2)内侧壁设有将隔热笼(2)分隔为上下两个腔体的环形挡块(11)。
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| CN110929436A (zh) * | 2019-10-10 | 2020-03-27 | 新余学院 | 一种多晶硅铸锭生长界面的仿真模拟方法 |
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