CN203795016U - 一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼，包括升降隔热板、隔热底板、定向助凝块、隔热垫、内隔热笼、外隔热笼、石墨护板、成核涂层、陶瓷坩埚、散热锥孔、提升机构、加热器、支撑柱和液压机构；所述下炉体设置有控制升降隔热板机构；所述炉体中设置有内隔热笼和外隔热笼；所述内隔热笼下部沿四周等距离均匀设置有多层散热锥孔，所述坩埚四周设有护板，底部设有定向助凝块、隔热底板和升降隔热板，所述上炉体内设有加热器；本新型采取套层内、外隔热笼方式，在内隔热笼上设置散热锥孔，在坩埚底部设置升降式隔热板，解决了降温不均匀、温度变化过于突然、中心温度降低效率差的问题，所制备的多晶硅铸锭晶粒细小、光能转化率高。

Description

一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能电池多晶硅铸锭生产技术设备领域，特别涉及一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼。

背景技术

太阳能电池制造业发展最速，以超过50%的速度高速增长。在各种类型的太阳能电池中，晶体硅太阳能电池由于转换率高，技术成熟而保持领先地位。晶体硅太阳能光伏组件的完整产业链包括铸锭、切片、电池和组件四部分，而铸造多晶硅锭是生产多晶硅太阳能光伏组件的第一个步骤。

多晶硅锭一般采用多晶硅铸锭炉，通过多晶硅铸锭炉铸造高品质多晶硅锭是提高电池转换效率的关键因素和基本前提。制备晶粒均匀细小的多晶硅能够保证多晶硅铸锭的品质。目前制备均匀小晶粒的方法主要依靠在长晶初期加大铸锭炉底部的降温速度，以获得较大的过冷度，达到细化晶粒的目的。具体操作方案是在硅料熔化完成后，迅速提升隔热笼，使得铸锭炉底部散热量加大，形核量增大，在坩埚底部形成晶粒比较细小的母相后，适当减小隔热笼的开度，在适宜的温度下继续完成剩余的长晶过程。

增大长晶初期铸锭炉底部散热速度以加大过冷度的方法可以实现生长小晶粒的目的，但是这种生产方法存在以下缺点：1、突然增大温度变化率对坩埚和涂层产生影响，如果坩埚涂层存在缺陷，则很容易发生粘埚甚至泄露等生产事故；2、突然增大的降温变化率会对后面正常的长晶过程造成影响，导致硅锭长晶速率波动较大，造成多晶硅锭缺陷、位错增多；3、铸锭炉主要依靠提升隔热笼来实现降低底部温度的目的，但是单纯的提升隔热笼，定向助凝块四边的散热速率高于中央的散热速率，这种降温模式会形成水平方向上的温度梯度，最终会影响硅锭晶粒的垂直度。因此，本实用新型提供了一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼，针对现有技术中硅铸锭工艺降温不均匀、温度变化过于突然以及铸锭低部温度冷却不均匀、铸锭中心温度降低效率差的问题，采取套层内、外隔热笼方式，并在内层隔热笼壁上设置多层散热锥孔，在坩埚底部隔热板上设置可升降式隔热板，从而实现多晶硅铸锭生产过程温度控制的均匀性、稳定性，并获得超细晶粒多晶硅铸锭产品。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼，包括升降隔热板、隔热底板、定向助凝块、隔热垫、内隔热笼、外隔热笼、石墨护板、硅料、成核涂层、陶瓷坩埚、散热锥孔、炉架、下炉体、上炉体、提升机构、铜馈线管、惰性气体管、加热器、支撑柱和液压机构，其特征在于：

所述多晶硅铸锭炉结构是：由炉架支撑上炉体和下炉体，所述上炉体与下炉体由双层冷却系统构成并扣合为一体，所述下炉体通过底部的液压系统或电机驱动打开或关闭，并设置有控制升降隔热板机构；所述上炉体外侧设置有惰性气体管、测温传感器、电源馈入铜管、真空管道、防护层等配套设施；所述下炉体内设置有支撑柱，用于支撑坩埚组件；所述下炉体炉壁为大流量冷却水壁，主要用于吸收高温坩埚所辐射出来的热量；所述炉体中设置有套层隔热笼，包括内隔热笼和外隔热笼，分别通过提升机构可以提升或者下降控制；所述内隔热笼下部沿四周等距离均匀设置有多层散热锥孔，所述散热锥孔为喇叭口形，所述喇叭口方向朝向外侧，便于散射更多的热量；所述坩埚四周设置有石墨护板，所述坩埚底部石墨护板下方设置有定向助凝块，所述定向助凝块下方设置有隔热底板，所述隔热底板为方环形隔热板，所述隔热底板中间设置有四棱锥形的可升降隔热板，在炉体底部液压控制下可实现升降隔热板的打开或者关闭操作；所述上炉体内坩埚四周和上方设置有多组加热器，所述坩埚内装填有待熔融硅料，所述坩埚底部与定向助凝块相接，所述定向助凝块下方设置有与升降隔热板四棱锥体匹配的空心锥体结构，在升降隔热板关闭时，恰好彼此匹配对接。

所述内隔热笼下部分设置有多层散热孔，所述散热孔为喇叭口形状，朝向外侧开口，所述散热孔设置有多层，每层散热孔至少设置5个以上，所述散热孔外孔直径为80mm—220mm；内孔直径为60mm—165mm；所述散热孔从下至上，逐层孔径缩小，缩小直径距离为10mm—50mm；所述散热孔层间距为下层孔径的二分之一。

所述内隔热笼的散热孔设置，配合外散热笼一起提升作用，可很好的实现对坩埚中硅液的温度控制，使得定向温差方向正确，避免了体系中突然大幅度温度变化带来的缺陷；由于使用内隔热笼设计，可以分别提升内隔热笼与外隔热笼体，而内隔热笼壁上设置有多层散热孔，就发挥了减缓温度突然变化的缺点，使温度缓慢降低，坩埚辐射的热量均匀扩散。

所述升降隔热板设置于下炉体内，与定向助凝块匹配互接，均为四棱锥体结构，所述升降隔热板通过炉外液压系统可降低可升起，在长晶过程中，特别是初生晶期间，升降隔热板打开后，由于定向助凝块底部设置有四棱锥空心结构，一方面增加了定向助凝块底部的散热面积，另一方面是降低的升降助凝块四棱锥体表面是倾斜面，可将助凝块辐射的热量折射到下炉体水冷却壁上，实现了坩埚体中心区域降低温度的作用，由此可确保整体硅晶内部与四周的温度散射均匀，为整体硅晶的定向生长提供充足的散热条件。

所述坩埚内底面经过预处理，喷涂有石英砂涂层，涂层用于为多晶硅成核提供微观结构的形核区域；进一步的，所述坩埚内表面喷涂有氮化硅涂层，用于隔离硅液与陶瓷坩埚体，以便于脱模和防止黏埚现象发生。

所述定向助凝块与坩埚底护板之间，沿坩埚四周设置有硬碳毡隔热垫，用于减缓坩埚四周的热量散失，确保温度均匀和避免晶体内外温度差异。

本实用新型的工艺流程是：1、上炉体、下炉体和各种配套设备检查与准备；2、坩埚组件准备；3、坩埚内部底面喷涂石英砂涂层；4、坩埚内部表面喷涂氮化硅涂层；5、装配坩埚组件；6、装填硅料；7、装埚；8、封炉；9、产前检测；10、工艺参数设定；11、真空换气；12、加热升温工序；13、硅料熔化工序；14、初期形核工序，开起升降隔热板；15、定向长晶工序，分步骤开起内隔热笼与外隔热笼；16、退火工序；17、冷却工序；18、出炉。

通过上述技术方案，本实用新型技术方案的有益效果是：通过采取套层内、外隔热笼方式，并在内层隔热笼壁上设置多层散热锥孔，在坩埚底部隔热板上设置可升降式隔热板技术手段，解决了硅铸锭工艺降温不均匀、温度变化过于突然以及铸锭低部温度冷却不均匀、铸锭中心温度降低效率差的问题，实现了多晶硅铸锭生产过程温度控制的均匀性、稳定性，使温程过程均匀稳定，温差定向性好，铸锭中心与铸锭四周温度变化相近，整体温度梯度可控，缩短了铸锭工艺时间，所制备的多晶硅铸锭产品晶粒细小、光能转化率高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例所公开的一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼外隔热笼提升示意图；

图2为本实用新型实施例所公开的一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼内隔热笼提升示意图；

图3为本实用新型实施例所公开的一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼可升降式隔热底板俯视图示意图；

图4为本实用新型实施例所公开的一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼可升降式隔热底板剖视图示意图；

图5为本实用新型实施例所公开的一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼可升降式隔热底板仰视图示意图；

图6为本实用新型实施例所公开的一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼内笼剖示图示意图；

图7为本实用新型实施例所公开的一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼散热锥孔左视图示意图；

图8为本实用新型实施例所公开的一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼总装配示意图。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1.升降隔热板   2.隔热底板    3.定向助凝块   4.隔热垫

5.内隔热笼     6.外隔热笼    7.石墨护板     8.硅料

9.成核涂层     10.陶瓷坩埚   11.散热锥孔    12.炉架

13.下炉体      14.上炉体     15.提升机构    16.铜馈线管

17.惰性气体管  18.加热器     19.支撑柱      20.液压机构

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

根据图1、图2、图3和图4，本实用新型提供了一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼，包括升降隔热板1、隔热底板2、定向助凝块3、隔热垫4、内隔热笼5、外隔热笼6、石墨护板7、硅料8、成核涂层9、陶瓷坩埚10、散热锥孔11、炉架12、下炉体13、上炉体14、提升机构15、铜馈线管16、惰性气体管17、加热器18、支撑柱19和液压机构20，其特征在于：

所述多晶硅铸锭炉结构是：由炉架12支撑上炉体14和下炉体13，所述上炉体14与下炉体13由双层冷却系统构成并扣合为一体，所述下炉体13通过底部的液压系统或电机驱动打开或关闭，并设置有控制升降隔热板1机构；所述上炉体14外侧设置有惰性气体管17、测温传感器、电源铜馈线管16、真空管道、防护层等配套设施；所述下炉体13内设置有支撑柱19，用于支撑陶瓷坩埚10组件；所述下炉体13炉壁为大流量冷却水壁，主要用于吸收高温坩埚所辐射出来的热量；所述炉体中设置有套层隔热笼，包括内隔热笼5和外隔热笼6，分别通过提升机构15可以提升或者下降控制；所述内隔热笼5下部沿四周等距离均匀设置有多层散热锥孔11，所述散热锥孔11为喇叭口形，所述喇叭口方向朝向外侧，便于散射更多的热量；所述坩埚10四周设置有石墨护板7，所述坩埚10底部石墨护板7下方设置有隔热底板2，所述坩埚10底部石墨护板下方设置有定向助凝块3，所述定向助凝块3下方设置有隔热底板2，所述隔热底板2为方环形隔热板，所述隔热底板2中间设置有四棱锥形的可升降隔热板1，在炉体底部液压控制下可实现升降隔热板1的打开或者关闭操作；所述上炉体14内坩埚10四周和上方设置有多组加热器18，所述坩埚10内装填有待熔融硅料8，所述坩埚10底部与定向助凝块3相接，所述定向助凝块3下方设置有与升降隔热板1四棱锥体匹配的空心锥体结构，在升降隔热板1关闭时，恰好彼此匹配对接。

所述内隔热笼5下部分设置有多层散热锥孔11，所述散热锥孔11为喇叭口形状，朝向外侧开口；

优选的，所述散热锥孔11设置有五层，每层散热孔设置8个；

优选的，所述散热锥孔11最底层外孔直径为150mm；内孔直径为100mm；

优选的，所述散热锥孔11从下至上，逐层孔径缩小，缩小直径距离为15；所述散热锥孔11层间距为下层外孔径的二分之一。

所述内隔热笼5的散热锥孔11设置，配合外散热笼6一起提升作用，可很好的实现对坩埚10中硅液的温度控制，使得定向温差方向正确，避免了体系中突然大幅度温度变化带来的缺陷；由于使用内隔热笼5设计，可以分别提升内隔热笼5与外隔热笼体6，而内隔热笼5壁上设置有多层散热锥孔11，就发挥了减缓温度突然变化的缺点，使温度缓慢降低，坩埚辐射的热量均匀扩散。

所述升降隔热板1设置于下炉体内，与定向助凝块3空心四棱锥匹配互接，所述升降隔热板1通过炉外液压系统可降低可升起，在长晶过程中，特别是初生晶期间，升降隔热板1打开后，由于定向助凝块3底部设置有四棱锥空心结构，一方面增加了定向助凝块3底部的散热面积，另一方面是降低的升降助凝块3四棱锥体表面是倾斜面，可将助凝块3辐射的热量折射到下炉体13水冷却壁上，实现了坩埚体中心区域降低温度的作用，由此可确保整体硅晶内部与四周的温度散射均匀，为整体硅晶的定向生长提供充足的散热条件。

优选的，所述升降隔热板1四棱锥体的尺寸是：底面尺寸为640mm*640mm；高度为所述助凝块3高度的四分之三。

所述坩埚10内底面经过预处理，喷涂有石英砂涂层，涂层用于为多晶硅成核提供微观结构的形核区域；进一步的，所述坩埚内表面喷涂有氮化硅涂层，用于隔离硅液与陶瓷坩埚体，以便于脱模和防止黏埚现象发生。

所述定向助凝块3与坩埚10底石墨护板7之间，沿坩埚10四周设置有硬碳毡隔热垫4，用于减缓坩埚四周的热量散失，确保温度均匀和避免晶体内外温度差异。

本实用新型的具体操作步骤是：1、上炉体、下炉体和各种配套设备检查与准备；2、坩埚组件准备；3、坩埚内部底面喷涂石英砂涂层；4、坩埚内部表面喷涂氮化硅涂层；5、装配坩埚组件；6、装填硅料；7、装埚；8、封炉；9、产前检测；10、工艺参数设定；11、真空换气；12、加热升温工序；13、硅料熔化工序；14、初期形核工序，开起升降隔热板；15、定向长晶工序，分步骤开起内隔热笼与外隔热笼；16、退火工序；17、冷却工序；18、出炉。

通过上述具体实施例，本实用新型的有益效果是：通过采取套层内、外隔热笼方式，并在内层隔热笼壁上设置多层散热锥孔，在坩埚底部隔热板上设置可升降式隔热板技术手段，解决了硅铸锭工艺降温不均匀、温度变化过于突然以及铸锭低部温度冷却不均匀、铸锭中心温度降低效率差的问题，实现了多晶硅铸锭生产过程温度控制的均匀性、稳定性，使温程过程均匀稳定，温差定向性好，铸锭中心与铸锭四周温度变化相近，整体温度梯度可控，缩短了铸锭工艺时间，所制备的多晶硅铸锭产品晶粒细小、光能转化率高。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼，其特征在于，包括升降隔热板、隔热底板、定向助凝块、隔热垫、内隔热笼、外隔热笼、石墨护板、硅料、成核涂层、陶瓷坩埚、散热锥孔、炉架、下炉体、上炉体、提升机构、铜馈线管、惰性气体管、加热器、支撑柱和液压机构；所述炉架支撑上炉体和下炉体，所述下炉体通过底部的液压系统或电机驱动与上炉体扣合打开或关闭，并设置有控制升降隔热板机构；所述下炉体内设置有支撑柱；所述炉体中设置有套层隔热笼，包括内隔热笼和外隔热笼，通过提升机构可以分别控制提升或下降；所述内隔热笼下部沿四周等距离均匀设置有多层散热锥孔，所述坩埚四周设置有石墨护板，所述坩埚底部的石墨护板下方设置有定向助凝块，所述定向助凝块下方设置有隔热底板和升降隔热板，所述坩埚四周和上方设置有多组加热器，所述坩埚内装填有待熔融硅料。

2.根据权利要求1所述的一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼，其特征在于，所述内隔热笼下部分设置有多层散热锥孔，所述散热锥孔为喇叭口形状，朝向外侧开口；所述散热锥孔为喇叭口形，所述喇叭口方向朝向外侧，便于散射更多的热量。

3.根据权利要求1所述的一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼，其特征在于，所述散热锥孔至少设置二层，每层散热孔至少设置5个以上，所述散热锥孔外孔直径为80mm—220mm；内孔直径为60mm—165mm；所述散热锥孔从下至上，逐层孔径缩小，缩小直径距离为10mm—50mm；所述散热锥孔层间距为下层孔径的二分之一。

4.根据权利要求1所述的一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼，其特征在于，所述升降隔热板，位于方环形隔热底板中间，在炉体底部液压机构控制下可实现升降隔热板的打开或者关闭操作。

5.根据权利要求1所述的一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼，其特征在于，所述定向助凝块下方设置有与升降隔热板四棱锥体匹配的空心锥体结构，并与升降隔热板匹配对接。

6.根据权利要求1所述的一种多晶硅铸锭炉套层隔热笼，其特征在于，所述坩埚内底面经过预处理，所述坩埚内部底面喷制有石英砂成核涂层，所述坩埚内表面喷涂有氮化硅涂层。