CN202558958U

CN202558958U - 一种新型的气体导流控制装置

Info

Publication number: CN202558958U
Application number: CN 201220218486
Authority: CN
Inventors: 林洪峰; 王临水; 方志文; 李书森; 姚志东; 冯媛; 刘兴翀; 兰洵; 张凤鸣
Original assignee: Baoding Tianwei Group Co Ltd; Tianwei New Energy Holdings Co Ltd
Current assignee: Baoding Tianwei Group Co Ltd; Tianwei New Energy Holdings Co Ltd
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2022-05-16

Abstract

本实用新型公开了一种新型的气体导流控制装置，包括石英坩埚以及设置在石英坩埚上的盖板，所述盖板连接有石墨套管，且石墨套管的底端穿透盖板，所述石墨套管的底端连接有气体控制器。该气体导流控制装置使得氩气流向可有效控制，可有效控制气流场方向，有效地以最快的速度将铸锭过程中产生的CO、CO₂及SiO等气体迅速带走，且由于分流管和导气孔的特殊设计，可使保护气体更有效的在熔硅上方形成一层惰性气体保护层，阻止了挥发气体和盖板的反应；且由于盖板可上下调节，避免在硅熔体表面形成涡流，可大大降低杂质气体与硅熔体表面的接触几率，从而明显降低铸造多晶硅中碳氧含量。

Description

一种新型的气体导流控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种新型的气体导流控制装置，属于太阳能光伏领域。

背景技术

在太阳能光伏领域，铸造多晶硅作为一种低成本材料，占据了目前50%以上的商业化晶体硅太阳能电池市场。但由于铸锭过程中加热器、隔热笼以及石墨护板等碳材料的使用，引入大量碳杂质。高温下，石墨部件与氧、石英坩埚等发生热化学反应，产生的CO气体通过内部气流进入硅熔体中，极易被熔硅吸收，从而引入碳氧杂质。

常规铸锭中硅锭的氧浓度为1×10¹⁷/cm³～1×10¹⁸/cm³，主要以间隙态存在呈过饱和状态。由于铸锭工艺经历了从高温到低温的热处理过程，如果氧浓度过高就容易形成热施主或氧沉淀，成为复合中心或引入复合中心的二次缺陷，导致硅材料中少数载流子寿命降低，直接影响到太阳电池的光电转换效率。此外氧与硼原子作用形成的B-O对，也会导致太阳电池效率的降低；碳浓度可达1×10¹⁷/cm³，甚至超过碳在硅中的固溶度（4×10¹⁷/cm³）。碳杂质可以作为氧沉淀的形成核心产生原生氧沉淀，而高浓度的碳可在硅熔体中形成SiC颗粒，影响硅锭的有效利用率。因此制备低碳低氧含量铸造多晶硅锭对于多晶硅太阳电池实现低成本高效率具有重要的意义。现有的铸锭过程中，为了防止热场中碳材料在高温下产生的杂质进入石英坩埚，在坩埚顶部加盖一个碳/碳复合材料盖板，盖板略大于坩埚，固定于坩埚四周的石墨护板上，盖板中间设有圆孔，使得从石墨管道流入的惰性气体氩气可导入至碳/碳盖板下，从而带走热场中的CO等杂质气体，使得硅料尽可能不受到热场挥发物污染。

如图1所示，现有技术在产业化生产过程中的产能虽然较大，但是所得多晶硅铸锭中碳氧含量偏高，主要原因如下：由于石墨护板与石英坩埚直接接触，在高温条件下，石墨护板与石英坩埚发生反应同时硅熔体表面也会有SiO气体挥发，挥发的气体会对盖板产生侵蚀作用，在铸锭过程中产生的CO、CO₂以及SiO等气体，长期停留在硅熔体表面附近，进而熔入硅熔体当中。现有技术条件下，由于仅通过石墨套筒将保护气体通入盖板下方，气流场不可控，且铸锭中由于盖板到熔硅表面的距离不可调，易在熔硅表面产生涡流，导致铸锭过程中产生的CO、CO₂以及SiO等气体在硅熔体表面的长期滞留，从而使气体熔入到硅熔体中的几率大大增加，熔硅中的氧碳杂质含量增加。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种新型的气体导流控制装置，该气体导流控制装置使得氩气流向可有效控制，可有效控制气流场方向，有效地以最快地速度将铸锭过程中产生的CO、CO₂及SiO等气体迅速带走，且由于分流管和导气孔的特殊设计，可使保护气体更有效的在熔硅上方形成一层惰性气体保护层，阻止了挥发气体和盖板的反应；且由于盖板可上下调节，避免在硅熔体表面形成涡流，可大大降低杂质气体与硅熔体表面的接触几率，从而明显降低铸造多晶硅中碳氧含量。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种新型的气体导流控制装置，包括石英坩埚以及设置在石英坩埚上的盖板，所述盖板连接有石墨套管，且石墨套管的底端穿透盖板，所述石墨套管的底端连接有气体控制器。

所述气体控制器包括集气盒以及均匀分布于集气盒四周的分流管，分流管一端与集气盒连通，所述分流管上均设置有若干导气孔。

所述导气孔越远离集气盒端分布越密集，且分流管的远离集气盒一端的尺寸小于靠近集气盒一端的尺寸。进一步说明，靠近集气盒处的导气孔分布较边缘处稍稀疏，或分流管靠近集气盒一端直径较边缘处稍大。

进一步地集气盒为圆柱体或长方体。

所述集气盒和盖板之间通过钼钉固定。

所述集气盒和分流管均由高纯金属钼制成。

所述盖板的尺寸小于石英坩埚的尺寸，且盖板能在石英坩埚内移动。

所述石英坩埚的外壁上设置有石墨护板。

综上所述，本实用新型的有益效果是：

（1）、与常规多晶硅铸锭工艺比较，本实用新型采用气流控制装置，可以明显改善硅熔体表面上方气体的流动，可以将铸造过程中产生的CO、CO₂及SiO等气体迅速地带走，从而大大降低了上述气体进入过熔体的几率，可以明显降低多晶硅锭中碳氧含量。

（2）、在熔化以及长晶阶段，升降装置调整盖板高度使得盖板与硅熔体表面的距离在一定范围内，防止熔体上方氩气涡流现象的产生，可以有效的排出杂质气体，减少硅锭中的碳氧杂质。

附图说明

图1是现有技术下的铸锭炉示意图；

图2是改进后的铸锭炉示意图；

图3是图2的局部结构图；

图4是气体控制器及气流场示意图；

图5是涡流示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：1-炉体；2-隔热笼；3-隔热笼提升杆；4-隔热笼提升波纹管；5-石墨套管；6-加热器；7-盖板；8-石墨护板；9-石英坩埚；10-硅熔体；11-热交换台；12-隔热底板；13-支柱；14-分流管；15-集气盒；16-导气孔；17-钼钉；18-盖板提升杆；19-盖板提升波纹管。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不仅限于此。

实施例：

如图2、图3所示，一种新型的气体导流控制装置，包括石英坩埚以及设置在石英坩埚上的盖板，所述盖板连接有石墨套管，且石墨套管的底端穿透盖板，所述石墨套管的底端连接有气体控制器。包括铸锭炉炉体1和炉体内的隔热笼2，隔热笼内设有石墨加热器6，石英坩埚9放于侧加热器中间。隔热笼2顶部中间设有保护气体通道，该通道为可伸缩的石墨套管5，可延伸至坩埚上方的碳/碳复合材料盖板7的中心圆孔处。作为一种改进，盖板7尺寸略小于石英坩埚9内径，并可上下移动，可降至石英坩埚9内部。石英坩埚9安装在热交换台11上，热交换台11下方设置有隔热底板12，保证热量与地面的隔绝，支柱13支撑热交换台11。石英坩埚9的外壁上设置有一层石墨护板8。隔热笼2连接有隔热笼提升杆3，通过升降装置提升隔热笼2的位置，隔热笼提升波纹管4与隔热笼提升杆3链接保证连接的紧密性，

如图4所示，所述气体控制器包括集气盒15以及均匀分布于集气盒15四周的分流管14，分流管14一端与集气盒15连通，所述分流管14上均设置有若干导气孔16。导气孔16气流流向与熔硅液面平行，确保生长界面稳定。

所述导气孔16越远离集气盒15端分布越密集，且分流管14的远离集气盒15一端的尺寸小于靠近集气盒15一端的尺寸。这种设计便于气流的导入和流通，使得流通的效果更好。

所述集气盒15为圆柱体或长方体。

基于以上的技术方案，我们做了两个实例与常规铸锭过程相比较，实例中采用圆形集气盒，并在集气盒四周均匀分布四根直径均一的圆形分流管，在分流管上分布不等距导气孔16个，靠近集气盒处的导气孔16分布较边缘处稍稀疏。试验结果如下：

	硅料利用率（%）	硅块少子寿命(μs)	电池转换效率（%）
				实例1	72.10	5.32	16.65
实例2	71.95	5.44	16.70
				常规铸锭	70.90	5.02	16.52

从实验结果看出设置有气体控制器的生产过程，对硅料利用率高，硅块少子寿命长，电池转换效率高。

所述集气盒15和盖板之间通过钼钉17固定。将气体集气盒15用钼钉17固定于碳/碳盖板7上，在铸锭过程中使气体分散装置与盖板7同时升降。盖板的升降有其独立的升降装置，外部由盖板提升杆18控制其升降，盖板提升波纹管19与通过盖板吊杆18链接保证连接的紧密性，从而可以更好地起到排除气体以及节能降耗的目的。所述集气盒和分流管均由高纯金属钼制成。金属钼不仅可以使集气盒和分流管在高温下有效工作，也避免了碳杂质的引入。

常规铸锭过程中，硅料熔化结束后，盖板与熔体表面之间的气流将会发生严重的涡流现象（图5所示），使得无法有效排出含有碳氧等杂质的气体，同时石英坩埚外部的热场材料高温下反应产生的气体也会扩散至石英坩埚9内部，致使杂质气体不断混入硅熔体10，造成硅锭内碳氧杂质含量增加。将盖板7尺寸略小于石英坩埚9内径，且上下可调，进气口处加置气体控制器可将产生的杂质气体及时随氩气气流排出，不会产生上述的涡流现象，减少了杂质气体混入硅熔体内，降低了硅锭中的氧碳含量。

以上对本实用新型做了进一步详细的说明，但对本实用新型的保护范围并不局限于此。本领域技术人员在对本实用新型之上还可对本装置做出许多变形和改进，具体可能包括尺寸的大小，升降装置的变化，小孔位置和形状的变化，材料的变化以及其他部件的改进，都应视为对本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种新型的气体导流控制装置，包括石英坩埚（9）以及设置在石英坩埚（9）上的盖板（7），所述盖板（7）连接有石墨套管（5），且石墨套管（5）的底端穿透盖板（7），其特征在于：所述石墨套管（5）的底端连接有气体控制器。

2.根据权利要求1所述的一种新型的气体导流控制装置，其特征在于：所述气体控制器包括集气盒（15）以及均匀分布于集气盒（15）四周的分流管（14），分流管（14）一端与集气盒（15）连通，所述分流管（14）上均设置有若干导气孔（16）。

3.根据权利要求2所述的一种新型的气体导流控制装置，其特征在于：所述导气孔（16）越远离集气盒（15）端分布越密集，且分流管（14）的远离集气盒（15）一端的尺寸小于靠近集气盒（15）一端的尺寸。

4.根据权利要求3所述的一种新型的气体导流控制装置，其特征在于：所述集气盒（15）为圆柱体或长方体。

5.根据权利要求4所述的一种新型的气体导流控制装置，其特征在于：所述集气盒（15）和盖板之间通过钼钉（17）固定。

6.根据权利要求5所述的一种新型的气体导流控制装置，其特征在于：所述集气盒（15）和分流管（14）均由金属钼制成。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的一种新型的气体导流控制装置，其特征在于：所述盖板（7）的尺寸小于石英坩埚（9）的尺寸，且盖板（7）能在石英坩埚（9）内移动。

8.根据权利要求7所述的一种新型的气体导流控制装置，其特征在于：所述石英坩埚（9）的外壁上设置有石墨护板（8）。