CN203795017U - 一种超细晶粒多晶硅铸锭炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超细晶粒多晶硅铸锭炉，包括炉架、下炉体、散热块、坩埚、上炉体、隔热笼、提升机、固定架、加热器、护板、成核层、隔热条、定向助凝块和隔热底板；所述上炉体和下炉体均为钟罩形，固定焊接于炉架上；所述隔热笼下部设置有隔热底板，所述隔热板通过支撑柱与下炉体固定连接，所述隔热底板上设置有定向助凝块，所述定向助凝块上装配有坩埚；所述坩埚底部设置有一体式散热块；在所述坩埚底部四周设置有隔热条；所述坩埚四周和顶部设置有护板；所述坩埚的内部底面喷制的细粒径的石英砂成核层和氮化硅涂层；本新型石英砂成核层、坩埚外底面散热块和隔热条，使铸锭晶粒形核均匀细小一致，铸出超细晶粒多晶硅产品。

Description

一种超细晶粒多晶硅铸锭炉

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，特别涉及一种超细晶粒多晶硅铸锭炉。

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制备超细晶粒多晶硅铸锭炉。

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超细晶粒多晶硅铸锭炉，针对现有技术的缺陷，本新型采取坩埚内底面设置微观结构形核层、坩埚外底面增加散热块、坩埚外底面四周增加隔热条来实现在多晶硅形核长晶过程中，生产出超细晶粒的多晶硅铸锭。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种超细晶粒多晶硅铸锭炉，包括炉架、下炉体、散热块、坩埚、惰气出口、上炉体、隔热笼、提升机、固定架、惰气入口、加热器、护板、硅料、成核层、隔热条、定向助凝块、隔热底板、起重电机、方环散热条和圆柱散热块，其特征在于：

所述炉体为不锈钢双层壁水冷式炉体，所述上炉体为钟罩形，通过方钢结构焊接固定于炉架上，所述下炉体呈倒钟罩形，通过三个重型起重螺杆与上炉体相连，由大型电机驱动三个起重螺杆上下移动，从而实现下炉体的打开和关闭操作。上炉体顶部设置有多个绝缘铜馈入装置将高交流电流导入石墨加热器；所述上炉体顶部设置有三个滑动装置，彼此间通过柔韧的驱动缆线连接在一起，所述缆线将加热区隔热笼上下移动，来控制硅铸锭的生长；所述隔热笼下部设置有隔热底板，所述隔热板通过支撑柱与下炉体固定连接，所述隔热底板上设置有定向助凝块，所述定向助凝块上装配有坩埚，所述坩埚为陶瓷坩埚；所述坩埚底部设置有散热块，所述散热块与坩埚为一体结构，所述散热块包括方环散热条和圆满柱散热块，在所述坩埚底部四周设置有隔热条；所述坩埚四周和顶部设置有护板，所述护板为热导石墨材质；所述坩埚的内部底面喷制的细粒径的石英砂粉体涂层，即成核层；进一步的，所述坩埚内表面喷涂有氮化硅涂层，所述坩埚内部装填有硅料。

所述铸锭炉配套设置有电源控制台、变压器、真空泵系统、人机界面控制台、惰性气体输送系统和冷却系统；所述冷却水装配在炉架支脚上，由两条冷却水歧管分别将冷却水导入到下炉体，并吸收长晶过程中炉体表面辐射出来的大量热量。

所述加热器由坩埚埚体上方的顶部加热器和围绕在坩埚上部的侧面加热器，形成一个方形加热区域；所述加热器外侧设置有隔热笼，所述隔热笼由不锈钢薄板内外装配有隔热板构成，其底部与隔热底板配套连接，所述隔热底板上装配有助凝块。所述助凝块为大型热导石墨块体，其上放置一个内表面喷涂有氮化硅层，并且内部装有硅料的陶瓷坩埚；所述炉体为封闭真空状态，加热通电数小时后，硅料熔化，所述加热器的一半悬掉在坩埚的上方，另一半在坩埚的上四分之一部分周围，环绕坩埚体四周；所述定向助凝块和坩埚埚体周围均设置有护板，所述护板为石墨板材质；所述加热器外侧设置有隔热笼，所述隔热笼的垂直侧面可以上下移动，以便使助凝块爆露出来，从而使热量可以辐射到下炉体的水冷壁上，从而可以冷却助凝块和坩埚底部，并使硅铸锭由熔体的底部向顶部生长，待全部硅液都凝固后，多晶硅铸锭就会热退火，随后以可控方式冷却，最后得到高质量的多晶硅铸锭。

所述坩埚内部底表面，喷制有石英砂涂层，所述石英砂涂层厚度为0.1mm—1.0mm;所述石英砂粒径为50—120微米；所述坩埚内部底面石英砂涂层，在坩埚底面形成了微观成核结构，微观表面的物理状态是众多的石英砂颗粒涂层中间，存在着众多的颗粒间隙。当硅料熔化后，形成熔融的硅液，所述硅液会填充到所述的微观石英砂颗粒间隙之中，相当厚度的石英砂颗粒涂层，造就了物理微观的粗糙表面，使石英砂涂层与熔融硅液相互渗透，将熔融硅液在微观结构上被分散开来。当铸锭过程进入长晶阶段时，由于坩埚底部的过冷状态，使得石英砂涂层中的熔融硅液遇冷而结晶成超细晶粒晶核，众多的超细晶粒晶核在石英砂涂层中产生；随着晶体的定向生长，涂层中的众多超细晶核就会定向生长成为超细晶粒的多晶硅铸锭。

为了进一步确保初期形核阶段的温度降低，确保坩埚中心区域与坩埚四周区域的温度均匀一致，从而使超细晶粒晶核发挥出效能，本实用新型在坩埚底部设置了散热块，所述散热块是凸出于坩埚底平面的结构，包括环绕坩埚底部的方形，称为方环散热条和设置于坩埚底部中部区域的圆柱散热块组成；所述散热块高度相同，其高度为50mm—200mm；所述方环散热条至少设置二条，所述圆柱散热块沿中心区域环形分布，所述圆柱散热块越靠近中心区域设置的散热规密度越大，至少设置一环六个以上；所述方环散热条宽度为20mm—100mm；所述圆柱散热块直径为30mm—80mm。

所述坩埚底部四周区域为空置区，设置有硬碳毡隔热条；所述隔热条填充到坩埚底部四周边缘，起到减缓坩埚四周热量过快冷却，因而造成坩埚四周温度比坩埚中心温度过低的温差现象，从而造成结晶不均匀。所述硬碳毡隔热条至少设置二块以上，尺寸为：长度*宽度*厚度=（800mm—1200mm）*（80mm—120mm）*（30mm—60mm）。

所述超细晶粒多晶硅铸锭炉工艺流程为：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；15、定向长晶工序；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：通过在坩埚内底面设置微观结构形核层，使熔融硅液在形核初期就从超细晶核的微观层开始长晶，初始状态的超细晶核导致整体铸锭中生成超细晶粒；通过在坩埚外底面增加多种形状散热块，使坩埚底部中心区域的散热面积较坩埚四周区域增大数倍，因此中心区域的散热呈立体方式，从而使整体铸锭的形核均匀一致，晶粒度细小；通过在坩埚外底面四周增加隔热条，使坩埚底部四周的散热速度减缓，确保坩埚四周与坩埚中心地区域的热传递与热扩散均一化，确保坩埚内部的形核、长晶始终在均匀细晶粒状态下进行，从而生产出超细晶粒多晶硅产品。

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超细晶粒多晶硅铸锭炉结构示意图；

图2为本实用新型实施例所公开的一种超细晶粒多晶硅铸锭炉坩埚仰视图示意图;

图3为本实用新型实施例所公开的一种超细晶粒多晶硅铸锭炉坩埚仰视图A—A剖面图示意图;

图4为本实用新型实施例所公开的一种超细晶粒多晶硅铸锭炉坩埚局部放大图示意图。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1.炉架       2.下炉体      3.散热块        4.坩埚

5.惰气出口   6.上炉体      7.隔热笼        8.提升机

9.固定架     10.惰气入口   11.加热器       12.护板

13.硅料      14.成核层     15.隔热条       16.定向助凝块

17.隔热底板  18.起重电机   19.方环散热条   20.圆柱散热块

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超细晶粒多晶硅铸锭炉，包括炉架1、下炉体2、散热块3、坩埚4、惰气出口5、上炉体6、隔热笼7、提升机8、固定架9、惰气入口10、加热器11、护板12、硅料13、成核层14、隔热条15、定向助凝块16、隔热底板17、起重电机18、方环散热条19和圆柱散热块20，其特征在于：

所述上、下炉体（6、2）为不锈钢双层壁水冷式炉体，所述上炉体6为钟罩形，通过方钢结构焊接固定于炉架1上，所述下炉体2呈倒钟罩形，通过三个重型起重螺杆与上炉体6相连，由起重电机18驱动三个起重螺杆上下移动，从而实现下炉体2的打开和关闭操作。上炉体6顶部设置有多个绝缘铜馈入装置将高交流电流导入石墨加热器11；所述上炉体6顶部设置有三个滑动装置，彼此间通过柔韧的驱动缆线连接在一起，所述缆线将加热区隔热笼7上下移动，来控制硅铸锭的生长；所述隔热笼7下部设置有隔热底板17，所述隔热板17通过支撑柱与下炉体2固定连接，所述隔热底板17上设置有定向助凝块16，所述定向助凝块16上装配有坩埚4，所述坩埚4为陶瓷坩埚；所述坩埚4底部设置有散热块3，所述散热块3与坩埚4为一体结构，所述散热块3包括方环散热条19和圆满柱散热块20，在所述坩埚4底部四周设置有隔热条15；所述坩埚4四周和顶部设置有护板12，所述护板为热导石墨板，厚度为30；所述坩埚4的内部底面喷制的细粒径的石英砂粉体涂层，即成核层14；进一步的，所述坩埚4内表面喷涂有氮化硅涂层，所述坩埚4内部装填有硅料13。

所述铸锭炉配套设置有电源控制台、变压器、真空泵系统、人机界面控制台、惰性气体输送系统和冷却系统；所述冷却水装配在炉架1支脚上，由两条冷却水歧管分别将冷却水导入到下炉体2，并吸收长晶过程中炉体表面辐射出来的大量热量。

所述加热器11由坩埚4埚体上方的顶部加热器11和围绕在坩埚4上部的侧面加热器11，形成一个方形加热区域；所述加热器11外侧设置有隔热笼7，所述隔热笼7由不锈钢薄板内外装配有隔热板构成，其底部与隔热底板17配套连接，所述隔热底板17上装配有定向助凝块16。所述定向助凝块16为大型热导石墨块体，其上放置一个内表面喷涂有氮化硅层，并且内部装有硅料的陶瓷坩埚4；所述炉体1为封闭真空状态，加热通电数小时后，硅料13熔化，所述加热器11的一半悬掉在坩埚4的上方，另一半在坩埚4的上四分之一部分周围，环绕坩埚4埚体四周；所述定向助凝块16和坩埚4埚体周围均设置有护板12，所述护板为石墨板材质；所述加热器外侧设置有隔热笼7，所述隔热笼7的垂直侧面可以上下移动，以便使助凝块16爆露出来，从而使热量可以辐射到下炉体2的水冷壁上，从而可以冷却助凝块16和坩埚4底部，并使硅铸锭由熔体的底部向顶部生长，待全部硅液都凝固后，多晶硅铸锭就会热退火，随后以可控方式冷却，最后得到高质量的多晶硅铸锭。

所述坩埚4内部底表面，喷制有石英砂成核层14；

优选的，所述石英砂成核层14厚度为0.3mm—0.6mm;

优选的，所述石英砂粒径为80微米。

为了进一步确保初期形核阶段的温度降低，确保坩埚4中心区域与坩埚4四周区域的温度均匀一致，从而使超细晶粒晶核发挥出效能，本实用新型在坩埚4底部设置了散热块3，所述散热块3是凸出于坩埚4底平面的结构，包括环绕坩埚4底部的方形，称为方环散热条19和设置于坩埚底部中部区域的圆柱散热块20组成。

优选的，所述散热块高度相同，其高度为60mm；

优选的，所述方环散热条19设置二条，所述方环散热条19宽度为50mm；

所述圆柱散热块20沿中心区域环形分布，所述圆柱散热块20越靠近中心区域设置的散热规密度越大；

优选的，所述圆柱散热块20设置三环共计18个；所述圆柱散热块20直径为45mm。

所述坩埚4底部四周区域为空置区，设置有硬碳毡隔热条15；所述隔热条15填充到坩埚4底部四周边缘，起到减缓坩埚4四周热量过快冷却，因而造成坩埚4四周温度比坩埚4中心温度过低的温差现象，从而造成结晶不均匀。

优选的，所述硬碳毡隔热条15设置四块，尺寸为长度*宽度*厚度=1000mm*100mm*45mm。

所述超细晶粒多晶硅铸锭炉操作步骤：1、上炉体6、下炉体2和各种配套设备检查与准备；2、坩埚4组件准备；3、坩埚4内部底面喷涂石英砂成核层14；4、坩埚4内部表面喷涂氮化硅涂层；5、装配坩埚组件；6、装填硅料13；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；15、定向长晶工序；16、退火工序；17、冷却工序；18、出炉。

通过上述具体实施方案，本实用新型的有益效果是：通过在坩埚内底面设置微观结构形核层，使熔融硅液在形核初期就从超细晶核的微观层开始长晶，初始状态的超细晶核导致整体铸锭中生成超细晶粒；通过在坩埚外底面增加多种形状散热块，使坩埚底部中心区域的散热面积较坩埚四周区域增大数倍，因此中心区域的散热呈立体方式，从而使整体铸锭的形核均匀一致，晶粒度细小；通过在坩埚外底面四周增加隔热条，使坩埚底部四周的散热速度减缓，确保坩埚四周与坩埚中心地区域的热传递与热扩散均一化，确保坩埚内部的形核、长晶始终在均匀细晶粒状态下进行，从而生产出超细晶粒多晶硅产品。

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 (4)

1.一种超细晶粒多晶硅铸锭炉，其特征在于，包括炉架、下炉体、散热块、坩埚、惰气出口、上炉体、隔热笼、提升机、固定架、惰气入口、加热器、护板、硅料、成核层、隔热条、定向助凝块、隔热底板、起重电机、方环散热条和圆柱散热块；所述炉体为不锈钢双层壁水冷式炉体，所述上炉体为钟罩形，通过方钢结构焊接固定于炉架上，所述下炉体呈倒钟罩形，通过三个重型起重螺杆与上炉体相连，由电机驱动上下移动，实现下炉体打开和关闭操作；上炉体顶部设置有多个绝缘铜馈入装置将高交流电流导入石墨加热器；所述上炉体顶部设置有滑动装置，彼此间通过柔韧的驱动缆线连接在一起，所述缆线将加热区隔热笼上下移动，来控制硅铸锭的生长；所述隔热笼下部设置有隔热底板，所述隔热板通过支撑柱与下炉体固定连接，所述隔热底板上设置有定向助凝块，所述定向助凝块上装配有坩埚；所述坩埚底部设置有散热块，所述散热块与坩埚为一体结构，所述散热块包括方环散热条和圆满柱散热块，在所述坩埚底部四周设置有隔热条；所述坩埚四周和顶部设置有护板；所述坩埚的内部底面喷制的细粒径的石英砂成核层；所述坩埚内表面喷涂有氮化硅涂层，所述坩埚内部装填有硅料。 

2.根据权利要求1所述的一种超细晶粒多晶硅铸锭炉，其特征在于，所述坩埚内部底表面，喷制有石英砂成核层，所述石英砂成核层厚度为0.1mm—1.0mm;所述石英砂粒径为50—120微米。 

3.根据权利要求1所述的一种超细晶粒多晶硅铸锭炉，其特征在于，所述散热块包括方环散热条和圆柱散热块组成；所述散热块高度相同，其高度为50mm—200mm；所述方环散热条至少设置二条，所述圆柱散热块沿中心区域环形分布，所述圆柱散热块越靠近中心区域设置的散热规密度越大，至少设置一环六个以上；所述方环散热条宽度为20mm—100mm；所述圆柱散热块直径为30mm—80mm。 

4.根据权利要求1所述的一种超细晶粒多晶硅铸锭炉，其特征在于，所述隔热条填充到坩埚底部四周边缘，所述隔热条至少设置二块以上，尺寸为长度*宽度*厚度=（800mm—1200mm）*（80mm—120mm）*（30mm—60mm）。