CN202558967U

CN202558967U - 设置有新型盖板的制备低碳低氧高质量多晶硅的铸锭炉

Info

Publication number: CN202558967U
Application number: CN 201220218490
Authority: CN
Inventors: 罗大伟; 王临水; 路忠林; 林洪峰; 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设置有新型盖板的制备低碳低氧高质量多晶硅的铸锭炉，包括石英坩埚，所述石英坩埚上设置有盖板，所述盖板上设置有若干小孔，所述盖板的截面尺寸小于石英坩埚的端口内径尺寸，且盖板能在石英坩埚内上下移动。能够明显改善硅熔体表面上方气体的流动，能够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，能够明显境地多晶硅锭中碳氧含量；盖板结构简单，同时可以升降，深入到石英坩埚内部，在熔体熔化、长晶以及退火阶段起到节能降耗的目的，从而降低生产成本；盖板的设计简单、成本低廉，与现有的铸锭炉的兼容性好，适合产工业化生产的大范围推广，具有非常好的产业前景。

Description

设置有新型盖板的制备低碳低氧高质量多晶硅的铸锭炉

技术领域

本实用新型涉及设置有新型盖板的制备低碳低氧高质量多晶硅的铸锭炉，属于太阳能光伏原料生产领域。

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大量碳材料的使用，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。

常规铸锭中硅锭氧的浓度为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。

已有专利如（专利CN 201485281U）为了改善单一进气管条件下氩气的分散不均匀性，对进气管进行了改造，将喷气嘴的位置由盖板中间调整为炉壁和炉底进气管，可改善氩气的均匀性，但是气路改造相对复杂，与现有设备兼容性不太好，因此很难得到产业化应用。专利（CN 201971920U）对盖板的结构进行了简单调整，在盖板进气管周围对称性地开了一些小孔，但是护板位置不变，虽然能够对铸造过程中产生的一氧化碳、二氧化碳以及一氧化硅等气体的流通起到一定的改善作用，但是当气体流量大时，在硅熔体上表面的气体漩涡，仍然存在，因此仍然会对硅熔体产生污染。专利（CN101812729 A）将护板的最高点高度设置为低于石英坩埚的最高点，同时采用支撑件将护板与盖板进行连接，支撑件的间隙可以调整，同时可以采用涂有碳化硅或氮化硅涂层的护板或直接采用碳化硅或氮化硅护板。虽然采用氮化硅或碳化硅涂层可以起到降低碳氧含量的作用，但是使用寿命仍需考虑，且成本较高。上述技术方案到目前为止很难在大规模工业化生产中得到推广。

常规铸锭中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可能会发生以下反应：

同时硅熔体表面也会有一氧化硅气体挥发，挥发的气体会对盖板产生侵蚀作用，发生如下的反应：

常规多晶铸锭炉中石墨盖板是固定的（铸锭炉结构示意图见图1），但是由于铸锭过程中盖板与硅料的距离较大，极易在盖板附近形成涡流，使得含有碳、氧杂质的气体长期滞留在熔体上部，杂质极易溶入熔体，降低硅锭质量。

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，提供设置有新型盖板的制备低碳低氧高质量多晶硅的铸锭炉，该铸锭炉能够明显改善硅熔体表面上方气体的流动，能够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，能够明显境地多晶硅锭中碳氧含量。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：设置有新型盖板的制备低碳低氧高质量多晶硅的铸锭炉，包括石英坩埚，所述石英坩埚上设置有盖板，所述盖板上设置有若干小孔，所述盖板的截面尺寸小于石英坩埚的端口内径尺寸，且盖板能在石英坩埚内上下移动。在硅料熔化、长晶以及退火阶段，盖板可以上下移动，从而可以更好地起到排除气体以及节能降耗的目的。

所述小孔均匀分布在盖板上。小孔对称性地分布在盖板上，保证排气过程的均匀。

所述小孔的总面积约占整个盖板面积的3%-10%。

所述小孔的总面积约占整个盖板面积的6%。具体的比例根据实际加工现场进行调整。

所述盖板下方设置有钼片，钼片贴附在盖板的表面。钼片隔离复合材料盖板与硅蒸汽的反应。

所述钼片通过钼钉固定在盖板上。

所述盖板采用复合材料制成。

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，本新型复合式盖板能够明显改善硅熔体表面上方气体的流动，能够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，能够明显境地多晶硅锭中碳氧含量。

（2）、新型盖板结构简单，同时可以升降，深入到石英坩埚内部，在熔体熔化、长晶以及退火阶段起到节能降耗的目的，从而降低生产成本。

（3）、新型盖板的设计简单、成本低廉，与现有的铸锭炉的兼容性好，适合产工业化生产的大范围推广，具有非常好的产业前景。

附图说明

图1为常规铸锭炉内部结构示意图；

图2为改进后铸锭炉内部结构示意图；

图3为复合盖板剖面示意图；

图4为新型盖板气流孔俯视示意图；

图5为盖板改进后的石英坩埚内部气流示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：1-炉体；2-隔热笼；3-热交换台；4-支柱；5-隔热底板；6-加热器；7-盖板；8-钼片；9-钼钉；10-小孔；11-石墨护板；12-石英坩埚；13-石墨套管；14-硅熔体；15-盖板吊杆；16-隔热笼提升波纹管；17-隔热笼提升杆；18-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所示，设置有新型盖板的制备低碳低氧高质量多晶硅的铸锭炉，包括石英坩埚12，所述石英坩埚12上设置有盖板7，所述盖板7上设置有若干小孔10，所述盖板7的截面尺寸小于石英坩埚12的端口内径尺寸，且盖板7能在石英坩埚12内上下移动。所述小孔10均匀分布在盖板7上。石英坩埚12安装在热交换台3上，热交换台3下方设置有隔热底板5，保证热量与地面的隔绝，支柱4支撑热交换台3。石英坩埚12的外壁上设置有一层石墨护板11。

如图4，所述小孔10的总面积约占整个盖板7面积的3%-10%。最佳比例是小孔10的总面积约占整个盖板7面积的6%。所述盖板7采用复合材料制成。小孔10大小可以调整，形状也可以变化，小孔10以盖板7中心为中心，呈圆环状阵列排布在盖板7上，小孔10便于气体的排放。

所述盖板7的截面尺寸小于石英坩埚12内部的尺寸。在硅料熔化、长晶以及退火阶段，盖板7通过盖板吊杆15可以上下移动，盖板提升波纹管18与通过盖板吊杆15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。

如图3所示，所述盖板7下方设置有钼片8，钼片8贴附在盖板7的表面。所述钼片8与盖板7之间设置有钼钉9，且钼钉9同时穿过钼片8和盖板7。

所述装置包括铸锭炉炉体1和炉体内的隔热笼2，隔热笼2内设有石墨加热器6，石英坩埚12放于石墨加热器6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13，可延伸至坩埚上方的碳/碳复合材料盖板7的中心圆孔处。隔热笼2连接有隔热笼提升杆17，通过升降装置提升隔热笼2的位置，隔热笼提升波纹管16与隔热笼提升杆17链接保证连接的紧密性，盖板7尺寸略小于石英坩埚12内径，并可上下移动，可降至石英坩埚12内部，且可在碳/碳复合材料盖板7表面贴附一层1~2mm厚的高纯钼片8，隔离复合材料盖板7与硅蒸汽的反应，由钼钉9将钼片8固定在碳/碳复合材料盖板7上；同时在盖板7上均匀地分布一些小孔10，可以有效地以最快地速度将铸造过程中产生的CO、CO₂及SiO等气体迅速带走，从而不会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。

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1），使得无法有效排出含有碳氧等杂质的气体，同时石英坩埚12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12内部，致使杂质气体不断混入硅熔体14，造成硅锭内碳氧杂质含量增加。如图4、图5所示，而当在盖板7上均匀地分布一些小孔时，气体可以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14内，降低硅锭中的碳氧含量。

以上对本实用新型做了进一步详细的说明，但本实用新型的保护范围并不局限于此。本领域技术人员在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，都应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.设置有新型盖板的制备低碳低氧高质量多晶硅的铸锭炉，包括石英坩埚（12），所述石英坩埚（12）上设置有盖板（7），其特征在于：所述盖板（7）上设置有若干小孔（10），所述盖板（7）的截面尺寸小于石英坩埚（12）的端口内径尺寸，且盖板（7）能在石英坩埚（12）内上下移动。

2.根据权利要求1所述的设置有新型盖板的制备低碳低氧高质量多晶硅的铸锭炉，其特征在于：所述小孔（10）均匀分布在盖板（7）上。

3.根据权利要求1所述的设置有新型盖板的制备低碳低氧高质量多晶硅的铸锭炉，其特征在于：所述小孔（10）的总面积约占整个盖板（7）面积的3%-10%。

4.根据权利要求3所述的设置有新型盖板的制备低碳低氧高质量多晶硅的铸锭炉，其特征在于：所述小孔（10）的总面积约占整个盖板（7）面积的6%。

5.根据权利要求1所述的设置有新型盖板的制备低碳低氧高质量多晶硅的铸锭炉，其特征在于：所述盖板（7）下方设置有钼片（8），钼片（8）贴附在盖板（7）的表面。

6.根据权利要求5所述的设置有新型盖板的制备低碳低氧高质量多晶硅的铸锭炉，其特征在于：所述钼片（8）通过钼钉（9）固定在盖板（7）上。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的设置有新型盖板的制备低碳低氧高质量多晶硅的铸锭炉，其特征在于：所述盖板（7）采用复合材料制成。