CN203559159U - 一种电子束熔炼多晶硅除氧与连续铸锭的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于冶金熔炼领域，特别涉及一种电子束熔炼多晶硅除氧与连续铸锭的设备，该设备包括电子束熔炼组件和连续铸锭组件，包括水冷的熔炼坩埚和该熔炼坩埚一侧设有的水冷传输带，熔炼坩埚顶部炉体上固定安装有熔炼用电子枪，水冷传输带顶部炉体上固定安装有辐射用电子枪，位于熔炼坩埚的一侧炉体壁上设置有加料装置，该加料装置的出料口位于熔炼坩埚的上方，铸锭装置为3-6台，固定安装于旋转平台上，本实用新型首次提出了电子束熔炼除氧和连续铸锭的设备，实现了电子束除氧的效果，同时结合连续铸锭，降低了铸锭加热原料所需的能耗，大大提高了生产效率。

Description

一种电子束熔炼多晶硅除氧与连续铸锭的设备

技术领域

本发明属于冶金熔炼领域，特别涉及一种电子束熔炼多晶硅除杂与连续铸锭的设备。

背景技术

目前，我国已成为世界能源生产和消费大国，但人均能源消费水平还很低。随着经济和社会的不断发展，我国能源需求将持续增长，针对目前的能源紧张状况，世界各国都在进行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促进可再生能源的开发和应用，减少对进口石油的依赖，加强能源安全。

作为可再生能源的重要发展方向之一的太阳能光伏发电近年来发展迅猛，其所占比重越来越大。根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，中国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW。预计到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。预计2030年之前，中国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。

太阳能光伏产业的发展依赖于对多晶硅原料的提纯。多晶硅原料的提纯工艺目前主要依赖以下几种工艺：西门子法、硅烷法、气体流化床法和冶金法。冶金法制备太阳能级多晶硅技术作为发展低成本、环境友好的太阳能级多晶硅制备技术的必经之路，目前已经取得了长足发展，并实现了工业化生产。冶金法提纯多晶硅是指采用物理冶金手段，在硅不参与发生化学反应的情况下，依次去除硅中的各种杂质元素(磷、硼及金属)的方法，它不是单一的制备方法，而是一种集成法，主要利用饱和蒸汽压原理、偏析原理及氧化性差异原理，分别采用不同的工艺方法，来去除硅中的杂质元素，从而得到满足太阳能多晶硅纯度要求的硅料。

在冶金法工艺中，硅料的磷、硼、金属等杂质均可通过有效的工艺手段去除，达到了较理想的效果。但是，近年来，在对多晶硅太阳能电池片光电转化效率的研究中发现，氧元素的含量对电池片的光电转化效率产生重要影响，一般氧处于间隙位置时，通常不显电活性，然而铸造多晶硅中氧浓度通常在3×10¹⁷～1.4×10¹⁸cm^-3之间，高浓度的间隙氧在随后的器件制造工艺过程中，经历各种温度的热处理，会在硅晶体中偏聚和沉淀，形成氧关施主、氧沉淀等缺陷。同时，在硅晶体材料生长、冷却的过程中由于氧的溶解度随温度降低而迅速下降，过饱和的氧将在铸造多晶硅中形成原生氧沉淀，也可能与其它杂质形成各种各样的复合体，如N-O、C-O复合体。这些氧沉淀及其复合体不仅会降低磷外吸杂的效果，甚至直接成为电池的短路通道。

这些氧缺陷对硅材料和器件具有有利和不利两方面的影响，它可以结合器件工艺形成内吸杂，吸除金属杂质，还可以钉扎位错，提高硅片的机械强度，但当氧沉淀过量时又会诱生其它的晶体缺陷，引入大量的二次缺陷，还会吸引铁等金属元素，形成铁氧沉淀复合体，具有很强的少子复合能力，能够显著降低材料的太阳能电池转换效率。

在冶金法的定向凝固、铸锭等工艺中，坩埚中的氧元素或通入气体中的氧元素不可避免地会进入到硅料中，是氧杂质产生的主要原因。传统的测试硅中氧含量的普遍方法为红外光谱，用红外光谱分别对高纯硅料与混料（铸铸后的边角料与高纯料混合）进行检测，两种料中氧的含量相差不大，这也导致了冶金法工艺中引入的氧杂质未受到重视。

实际上，在硅中，氧元素有两种状态：替代位，即氧代替了硅的位置；间隙位，即氧在硅原子的间隙中。传统的测试硅中氧含量的红外光谱只能检测间隙位的氧含量，不能真实反映两种硅料中的氧含量水平。经申请人的实验测试，替代位的氧会释放电子，与硅中杂质磷产生的作用相似，能够影响多晶硅电池片光电转化效率。申请人通过二次离子质谱仪多次检测，在上述两种硅料中，氧元素含量相差很大，主要是替代位的氧元素含量的差别。因此，对于铸锭等工艺中引入的杂质氧不能忽视，必需寻求有效的手段降低硅中杂质氧的含量。

但是，现有技术中，对氧元素的去除效果不佳。对于氧杂质的去除方法，检索到发明专利CN200810070925一种降低金属硅中氧、碳含量的方法，该发明采用在硅液中吹入氧气、氢气和水蒸气，使氢气和氧气在硅液中反应产生局部高温，使硅液中的氧、碳元素随气体排放而去除，但是该方法需要在硅熔融状态下通入氧气和氢气，操作难度大，危险性高，氧的去除效果不佳。

同时，有效降低多晶硅铸锭原料中氧含量之后，即可通过定向长晶工艺获得多晶硅铸锭，但是之前的铸锭方法都是直接加热铸锭原料，用时长，能耗大，铸锭单炉进行，不能实现连续铸锭，需要反复抽取真空，能耗也较大。

实用新型内容

为了克服以上现有技术的不足，本发明提出了一种电子束熔炼多晶硅除氧与连续铸锭的设备，该设备安装有电子束熔炼组件和连续铸锭组件，通过电子束熔炼去除多晶硅原料中的杂质氧，得到高纯低氧的多晶硅液，将该多晶硅液直接引导进入连续铸锭装置完成长晶铸锭工艺，得到高纯低氧的多晶硅铸锭，有效降低了硅料中的氧含量，提高了电池的转换效率，减少了铸锭原料加热的工序，该设备安装的多个铸锭装置，可实现连续铸锭效果，减少工艺时间，降低生产过程中的总能耗，节省成本。

本发明所述的电子束熔炼多晶硅除氧与连续铸锭的设备，包括炉体，其特征在于：炉体中设置有电子束熔炼组件和连续铸锭组件，其中：

电子束熔炼组件包括安装于炉体内上部的水冷的熔炼坩埚，该熔炼坩埚上开设有凹形熔炼池，该熔炼坩埚一侧设有水冷传输带，该水冷传输带一侧与熔炼坩埚侧部开口平齐，另一侧向下倾斜并设有导流口，熔炼坩埚顶部炉体上固定安装有熔炼用电子枪，水冷传输带顶部炉体上固定安装有辐射用电子枪，位于熔炼坩埚的一侧炉体壁上设置有加料装置，该加料装置的出料口位于熔炼坩埚的上方；

连续铸锭组件包括安装于炉体底部的旋转轴，旋转平台固定安装于旋转轴上，且围绕旋转轴水平转动，旋转平台上圆周分布式的安装有铸锭装置，铸锭装置位于水冷传输带下方，且水冷传输带的导流口所在位置的竖直轴线位于铸锭装置的运动轨迹范围之内。

所述水冷传输带向下倾斜，其与水平面之间的倾斜角度为5°～15°，水冷传输带单体成型或与熔炼坩埚整体成型。

铸锭装置为3-6台，固定安装于旋转平台上。

铸锭装置包括固定安装于旋转平台上的水冷机构，该水冷机构上设有石英坩埚，石英坩埚外壁上由内到外设有加热器和保温套筒。

在本发明中，首次提出了实现电子束熔炼除氧及连续铸锭的设备，利用电子束熔炼高温蒸发去除杂质的特性，通过熔炼用电子枪在熔炼坩埚中熔化并熔炼初步除氧，在水冷传输带上的较大表面积之上在辐射用电子枪的作用下进一步高效除氧，并维持液态进入铸锭装置中，为铸锭工艺提供低氧的液态高纯多晶硅原料，提出的设备中设置多个铸锭装置，在一个铸锭装置完成铸锭工艺后，旋转下一个铸锭装置接收低氧多晶硅液并进行定向长晶铸锭工艺，实现了连续铸锭的效果，本发明实现了电子束除氧的效果，同时结合连续铸锭，减少了电子束熔炼后凝固和铸锭加热原料的时间，降低了铸锭加热原料所需的能耗，大大提高了生产效率。

本发明的优点在于：

（1）提出了电子束除氧的设备，解决了多晶硅中杂质氧去除的难题，氧含量可以降低于0.0571ppmw以下，满足太阳能电池对多晶硅铸锭含氧量的要求。

（2）实现了熔炼初步除氧和多晶硅液态流动时通过辐射电子束进一步除氧，缩短除氧时间20%以上。

（3）电子束熔炼除氧技术与连续化铸锭技术耦合的设备，实现连续化生产，可提高生产效率50%以上，节约能耗25%以上。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图中：1、炉体  2、熔炼坩埚  3、熔炼用电子枪  4、辐射用电子枪  5、加料装置  6、石英坩埚  7、水冷拉锭机构  8、石墨发热体  9、保温套筒  10、旋转平台  11、旋转轴  12、水冷传输带  13、导流口

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图详细说明本发明，但本发明并不局限于具体实施例。

实施例1：

如图1所示，电子束熔炼多晶硅除氧与连续铸锭的设备，包括炉体，炉体1中设置有电子束熔炼组件和连续铸锭组件，其中：

电子束熔炼组件包括安装于炉体内上部的水冷的熔炼坩埚2，该熔炼坩埚上开设有凹形熔炼池（附图中未指出），该熔炼坩埚一侧设有水冷传输带12，该水冷传输带一侧与熔炼坩埚侧部开口平齐，另一侧向下倾斜并设有导流口13，水冷传输带上开有凹形槽，用于将熔炼初步除氧的多晶硅液引导向铸锭装置的方向流动，并通过水冷传输带上的导流口进入铸锭装置中，熔炼坩埚顶部炉体上固定安装有熔炼用电子枪3，该电子枪用于熔炼含氧量较高的多晶硅料初步去除其中的杂质氧，水冷传输带顶部炉体上固定安装有辐射用电子枪4，位于熔炼坩埚的一侧炉体壁上设置有加料装置5，该加料装置的出料口位于熔炼坩埚的上方。

熔炼用电子枪用于熔炼多晶硅料去除杂质，一段时间后，硅液流入水冷传输带的凹形槽，该凹形槽表面积较大，硅液平铺其上后有利于快速除杂，水冷传输带单体成型，熔炼坩埚和水冷传输带由铜材料制成，其中通入循环冷却水，以避免熔化和损坏，水冷传输带向下倾斜，其与水平面之间的倾斜角度为5°，以便硅液沿着水冷传输带上凹形槽顺利向下流动，并通过导流口进入铸锭装置中的石英坩埚中。

连续铸锭组件包括安装于炉体底部的旋转轴11，旋转轴与炉体底部之间通过动密封连接，以保证炉体的密封性，并可以实现水平匀速圆周的转动，圆周运动速率控制在10mm/s-50mm/s，旋转平台10固定安装于旋转轴上，可以围绕旋转轴水平转动，旋转平台上圆周分布式的安装有铸锭装置，每两个铸锭装置之间的夹角相等，铸锭装置位于水冷传输带下方，且水冷传输带的导流口所在位置的竖直轴线位于铸锭装置的运动轨迹范围之内，以保证从导流口流出的硅液顺利加入铸锭装置的石英坩埚中。

铸锭装置为6台，圆周分布式固定安装于旋转平台上，每两台铸锭装置之间的夹角为60°，铸锭装置包括固定安装于旋转平台上的水冷机构，该水冷机构上设有石英坩埚，石英坩埚外壁上由内到外设有加热器和保温套筒，水冷机构可以采用水冷拉锭机构，此时采用一体的石墨加热器，通过加热保持液态和拉锭来实现定向长晶工艺；也可以采用固定的水冷机构，此时采用分体的石墨加热器，该石墨加热器分成上、中、下三个石墨加热片，通过调节上、中、下的石墨加热片的加热功率来进行定向长晶工艺，该铸锭装置能实现定向长晶铸锭工艺的全部过程。

实施例2：

采用实施例1所述的装置，进行电子束熔炼多晶硅除氧与连续铸锭工艺，具体步骤如下：

（1）装料抽真空：将颗粒大小为10-12mm、纯度为99.996%、氧含量为20ppmw的多晶硅料清洗烘干后放入加料装置中，在铸锭装置的石英坩埚底部铺设6N的多晶硅铸锭底料，并将炉体的真空度抽至3×10^-2Pa，电子枪的真空度抽至4×10^-3Pa，预热电子枪15min；

（2）初步除氧：通过加料装置向电子束熔炼炉熔炼坩埚中连续加入步骤（1）中的多晶硅料，启动熔炼用电子枪，设定熔炼用电子枪的电子束束流为1200mA熔化并熔炼15min多晶硅料初步去除其中的杂质氧；

（3）进一步除氧：初步除氧后的多晶硅液进入水冷传输带并在辐射用电子枪作用下保持液态进一步除氧，得到除氧后的多晶硅液，此过程中设定辐射用电子枪的电子束束流为800mA；

（4）多晶硅铸锭工艺：加热熔化铸锭装置的石英坩埚底部铺设的6N（质量分数为99.9999%）多晶硅铸锭底料，将除氧后的多晶硅液通过导流口引导进入铸锭装置的石英坩埚中，控制铸锭装置的加热器功率维持该多晶硅液为液态，连续向铸锭装置的石英坩埚中加入该多晶硅液，至达到石英坩埚体积的80%后，通过旋转平台转动将该铸锭装置旋转离开并进行定向长晶铸锭工艺，此过程中控制定向长晶速度为1.2cm-1.3cm/h(厘米每小时)，同时另一个铸锭装置转动至水冷传输带导流口下方；

（5）连续铸锭：重复进行步骤（2）、（3）和（4）中的操作，待最后一个铸锭装置石英坩埚中除氧后的多晶硅液达到其体积的80%时，停止电子束熔炼，待所有铸锭装置中定向长晶铸锭工艺完成后取出多晶硅铸锭，得到电子束除氧的多晶硅铸锭，该多晶硅铸锭经二次离子质谱（SIMS）检测，其氧含量低于二次离子质谱检测极限，即低于0.0571ppmw。

Claims (5)

1.一种电子束熔炼多晶硅除氧与连续铸锭的设备，包括炉体，其特征在于：炉体中设置有电子束熔炼组件和连续铸锭组件，其中， 

电子束熔炼组件包括安装于炉体内上部的水冷的熔炼坩埚，该熔炼坩埚上开设有凹形熔炼池，该熔炼坩埚一侧设有水冷传输带，该水冷传输带一侧与熔炼坩埚侧部开口平齐，另一侧向下倾斜并设有导流口，熔炼坩埚顶部炉体上固定安装有熔炼用电子枪，水冷传输带顶部炉体上固定安装有辐射用电子枪，位于熔炼坩埚的一侧炉体壁上设置有加料装置，该加料装置的出料口位于熔炼坩埚的上方； 

连续铸锭组件包括安装于炉体底部的旋转轴，旋转平台固定安装于旋转轴上，且围绕旋转轴水平转动，旋转平台上圆周分布式的安装有铸锭装置，铸锭装置位于水冷传输带下方，且水冷传输带的导流口所在位置的竖直轴线位于铸锭装置的运动轨迹范围之内。 

2.根据权利要求1所述的一种电子束熔炼多晶硅除氧与连续铸锭的设备，其特征在于：所述水冷传输带向下倾斜，其与水平面之间的倾斜角度为5°～15°。 

3.根据权利要求1或2任一所述的一种电子束熔炼多晶硅除氧与连续铸锭的设备，其特征在于：所述水冷传输带单体成型或与熔炼坩埚整体成型。 

4.根据权利要求1所述的一种电子束熔炼多晶硅除氧与连续铸锭的设备，其特征在于：所述铸锭装置为3-6台，固定安装于旋转平台上。 

5.根据权利要求1或4任一所述的一种电子束熔炼多晶硅除氧与连续铸锭的设备，其特征在于：所述铸锭装置包括固定安装于旋转平台上的水冷机构，该水冷机构上设有石英坩埚，石英坩埚外壁上由内到外设有加热器和保 温套筒。 

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