CN205188478U - 多晶硅铸锭炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种占地较小且炉体冷却效果较好的多晶硅铸锭炉。该多晶硅铸锭炉通过在进水管上设置第一控制阀，在排水管上设置第二控制阀，排水管上连接第一引水管，第一引水管的端头连接有冷却设备，第一引水管上设置有第一水泵，冷却设备的出口连接有第二引水管，第二引水管的端头连接在炉体与第一控制阀之间的排水管上，第二引水管上设置有第三控制阀与第二水泵，该多晶硅铸锭炉的冷却方式，用水量较少，同时只需增加冷却设备、水泵、水管即可，占地较小，可以大大减小整个多晶硅铸锭炉的占地面积，同时，利用冷却设备进行冷却，可以使自来水的温度快速降低，炉体的冷却效果较好。适合在多晶硅生产设备领域推广应用。

Description

多晶硅铸锭炉

技术领域

本实用新型涉及多晶硅生产设备领域，尤其是一种多晶硅铸锭炉。

背景技术

太阳能电池可以将光能转换为电能，是现代节能社会发展的一个重点。根据基体材料的不同，现有的太阳能电池分为多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池和类单晶硅太阳能电池。其中，单晶硅太阳能电池的转化效率高，但生产成本也高，多晶硅太阳能电池的转化效率比单晶硅太阳能电池低1％-2％，但其生产成本也低，而类单晶硅太阳能电池是介于单晶硅电池和多晶硅太阳能电池之间的电池。综合考虑，目前市场上的太阳能电池仍以多晶硅太阳能电池为主。

现有用于生产多晶硅太阳能电池的多晶硅锭通常采用铸锭工艺制的，铸锭工艺一般是通过多晶硅铸锭炉实现的，现有的多晶硅铸锭炉包括，包括炉体，炉体上设置有抽气孔，所述炉体内设置有下托保温板与保温罩，保温罩放置在下托保温板上，保温罩与下托保温板共同构成保温隔热笼，所述保温罩上连接有能够使保温罩上下移动的升降杆，所述保温隔热笼内设置有坩埚、坩埚护板、石墨底板、石墨盖板、侧部加热器、顶部加热器、热交换平台，所述石墨底板放置在热交换平台上，坩埚放置在石墨底板上，坩埚护板设置在坩埚外侧，侧部加热器设置在坩埚护板的外侧，石墨盖板设置在坩埚上方，顶部加热器设置在石墨盖板上方，所述热交换平台通过石墨立柱固定在炉体底部，坩埚护板的上端设置有尾气排放孔，还包括进气管，所述进气管依次穿过炉体、保温罩、顶部加热器、石墨盖板后伸入坩埚内。

目前的铸锭工艺，首先是经过喷涂-装料工序后，再进入铸锭工序。

喷涂：硅料高温熔化后会与坩埚发生反应，引入杂质，并且造成粘锅，影响硅锭的质量，所以需要在坩埚与硅料之间喷涂一层氮化硅溶液，利用氮化硅可以有效的隔离硅料与坩埚，氮化硅溶液喷涂完成以后，再进行高温烘干，将氮化硅溶液中的水分蒸发，就可以使坩埚内壁附着一层氮化硅涂层。

装料：坩埚烘干以后，将散碎的硅料，按顺序、要求及重量将硅料装入坩埚中。

装完料的坩埚就可以进行下一步的铸锭工艺，首先将装好料的坩埚装入铸锭炉的炉体内，按要求装好后，将铸锭炉合盖，合盖以后的铸锭炉，就形成一个密封的腔室，将装好硅料的坩埚密封在铸锭炉内部，开始运行铸锭工艺，整个铸锭工艺分6个过程，抽真空-加热-熔化-长晶-退火-冷却。

S11、抽真空：将炉体内的空气从抽气孔抽走，防止升温的过程中空气中的氧气与硅料发生氧化反应，影响硅锭质量。抽真空是利用真空泵将炉体内的空气抽出，直到达到设备开启要求。

S12、加热：抽真空完成以后，进入加热阶段，加热是为了快速使硅料升温接近熔化温度，此时炉腔内的环境为真空环境，可以有利于将附着在硅料表面的水蒸气，通过抽真空的方法抽出，并且快速升温。

S13、熔化：熔化过程中，需要在密封的腔室内填充氩气，避免附着在坩埚内壁的氮化硅涂层发生分解反应，氩气是通过进气管充入炉体内。熔化开始后，炉体内开始充气，按工艺程序充气到规定压力后，开始动态保持。

S14、长晶：熔化完成的硅料，开始进行长晶，长晶的过程是将炉体内部的保温罩向上升，液态硅从底部开始散热，底部的液态硅变成固态硅，并伴随着保温罩的上升及热量的散失，缓慢向上凝固，直至整个硅锭凝固完成。

S15、退火：由于长晶过程在底部开始，并伴随保温罩升起，直至顶部，这样顶底之间因为散热的原因，就会存在一定得温度差，产生内应力。退火的作用就是在保证恒温环境下，消除温度差，从而消除内应力。

S16、冷却：在炉腔内快速冷却硅锭到出炉温度。

现有的多晶硅铸锭炉，包括具有夹层空间的炉体，炉体上设置有抽气孔，所述炉体内设置有下托保温板与保温罩，保温罩放置在下托保温板上，保温罩与下托保温板共同构成保温隔热笼，所述保温罩上连接有能够使保温罩上下移动的升降杆，所述保温隔热笼内设置有坩埚、坩埚护板、石墨底板、石墨盖板、侧部加热器、顶部加热器、热交换平台，所述石墨底板放置在热交换平台上，坩埚放置在石墨底板上，坩埚护板设置在坩埚外侧，侧部加热器设置在坩埚护板的外侧，石墨盖板设置在坩埚上方，顶部加热器设置在石墨盖板上方，所述热交换平台通过石墨立柱固定在炉体底部，坩埚护板的上端设置有尾气排放孔，还包括进气管，所述进气管的一端与氩气源相连，另一端依次穿过炉体、保温罩、顶部加热器、石墨盖板后伸入坩埚内，所述炉体的上部连接有进水管，所述进水管与夹层空间连通，进水管上设置有第一控制阀，所述炉体的底部连接有排水管，排水管上设置有第二控制阀，由于整个铸锭工艺都是在高温环境中进行的，为了保证安全，多晶硅铸锭炉的炉体都是具有夹层空间，在夹层空间内通入冷却水，避免炉体的温度过高，目前，在多晶硅铸锭炉旁通常都修建有一个较大水池，水池内盛装有大量的冷却水，在使用时，通过上水泵将水池中冷却水抽入夹层空间，然后从与夹层空间连通的排水口排出回到水池中重复利用，这种冷却方式是靠自然冷却的方式降低高温水的温度，为了保证从排水口排出的高温水有足够的时间冷却，水池必须足够大，水池中的水必须足够多才能达到较好的冷却效果，但是，这种自然冷却的方式存在一个问题就是水池会占据较大的厂房空间，致使整个多晶硅铸锭炉需要占据较大的厂房面积，同时，其冷却效果受水池大小限制，致使炉体的冷却效果无法达到最好。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种占地较小且炉体冷却效果较好的多晶硅铸锭炉。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该多晶硅铸锭炉，包括具有夹层空间的炉体，炉体上设置有抽气孔，所述炉体内设置有下托保温板与保温罩，保温罩放置在下托保温板上，保温罩与下托保温板共同构成保温隔热笼，所述保温罩上连接有能够使保温罩上下移动的升降杆，所述保温隔热笼内设置有坩埚、坩埚护板、石墨底板、石墨盖板、侧部加热器、顶部加热器、热交换平台，所述石墨底板放置在热交换平台上，坩埚放置在石墨底板上，坩埚护板设置在坩埚外侧，侧部加热器设置在坩埚护板的外侧，石墨盖板设置在坩埚上方，顶部加热器设置在石墨盖板上方，所述热交换平台通过石墨立柱固定在炉体底部，坩埚护板的上端设置有尾气排放孔，还包括进气管，所述进气管的一端与氩气源相连，另一端依次穿过炉体、保温罩、顶部加热器、石墨盖板后伸入坩埚内，所述炉体的上部连接有进水管，所述进水管与夹层空间连通，进水管上设置有第一控制阀，所述炉体的底部连接有排水管，排水管上设置有第二控制阀，在炉体与第二控制阀之间的排水管上连接有第一引水管，第一引水管的端头连接有冷却设备，第一引水管上设置有第一水泵，冷却设备的出口连接有第二引水管，所述第二引水管的端头连接在炉体与第一控制阀之间的排水管上，第二引水管上设置有第三控制阀与第二水泵，所述第二水泵位于第三控制阀与冷却设备之间。

进一步的是，在炉体与第二控制阀之间的排水管上设置有温度计。

进一步的是，在温度计与第二控制阀之间的排水管上设置有流量调节阀。

进一步的是，所述进气管上设置有气体加热装置，所述气体加热装置包括柱状基体，所述柱状基体内设置有圆柱形的气体加热空腔，所述柱状基体上设置有与气体加热空腔连通的进气口与出气口，所述进气口与氩气源连通，所述出气口与进气管连通，所述柱状基体的表面缠绕有加热丝，所述加热丝连接在电源上。

进一步的是，所述加热丝与电源之间设置有温控表，所述气体加热空腔内设置有温度探头，所述温度探头与温控表相连接。

进一步的是，所述石墨盖板上设置有多个通孔。

进一步的是，所述炉体底部安装有溢流毯，所述溢流毯为四层结构，从上到下依次为针织陶瓷纤维毯层、针织陶瓷纤维毯层、陶瓷纤维毯层、碳毡层，所述针织陶瓷纤维毯层的厚度为10mm、针织陶瓷纤维毯层的厚度为10mm、陶瓷纤维毯层的厚度为25mm、碳毡层的厚度为10mm。

进一步的是，所述溢流毯的上表面安装有溢流丝。

进一步的是，所述下托保温板上设置有多个溢流孔。

进一步的是，所述坩埚与坩埚护板之间设置有碳毡。

本实用新型的有益效果是：该多晶硅铸锭炉通过在进水管上设置第一控制阀，在排水管上设置第二控制阀，排水管上连接第一引水管，第一引水管的端头连接有冷却设备，第一引水管上设置有第一水泵，冷却设备的出口连接有第二引水管，所述第二引水管的端头连接在炉体与第一控制阀之间的排水管上，第二引水管上设置有第三控制阀与第二水泵，所述第二水泵位于第三控制阀与冷却设备之间，在启动多晶硅铸锭炉之前，先打开第一控制阀，关闭第二控制阀与第三控制阀，将自来水通过进水管注入夹层空间内，当夹层空间注满自来水后，关闭第一控制阀，启动多晶硅铸锭炉，并打开第二控制阀、第三控制阀，启动第一水泵、第二水泵、冷却设备，夹层空间内的水与炉体换热后，在第一水泵的作用下，高温的自来水沿排水管、第一引水管进入到冷却设备中进行冷却，冷却过后在第二水泵的作用下沿第二引水管、进水管再次进入夹层空间内参加换热，该冷却方式，用水量较少，同时只需增加冷却设备、水泵、水管即可，占地较小，可以大大减小整个多晶硅铸锭炉的占地面积，同时，利用冷却设备进行冷却，可以使自来水的温度快速降低，炉体的冷却效果较好。

附图说明

图1是本实用新型多晶硅铸锭炉的结构示意图；

图中标记为：炉体1、抽气孔2、下托保温板3、保温罩4、升降杆5、坩埚6、坩埚护板7、石墨底板8、石墨盖板9、侧部加热器10、顶部加热器11、热交换平台12、尾气排放孔13、进气管14、氩气源15、进水管16、通孔17、溢流毯18、第一控制阀19、溢流孔20、碳毡21、石墨立柱22、排水管23、第二控制阀24、第一引水管25、冷却设备26、第一水泵27、第二引水管28、第三控制阀29、第二水泵30、温度计31、流量调节阀32、气体加热装置33、柱状基体331、气体加热空腔332、、加热丝334、电源335、温控表336、温度探头337。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

如图1所示，该多晶硅铸锭炉，包括具有夹层空间的炉体1，炉体1上设置有抽气孔2，所述炉体1内设置有下托保温板3与保温罩4，保温罩4放置在下托保温板3上，保温罩4与下托保温板3共同构成保温隔热笼，所述保温罩4上连接有能够使保温罩4上下移动的升降杆5，所述保温隔热笼内设置有坩埚6、坩埚护板7、石墨底板8、石墨盖板9、侧部加热器10、顶部加热器11、热交换平台12，所述石墨底板8放置在热交换平台12上，坩埚6放置在石墨底板8上，坩埚护板7设置在坩埚6外侧，侧部加热器10设置在坩埚护板7的外侧，石墨盖板9设置在坩埚6上方，顶部加热器11设置在石墨盖板9上方，所述热交换平台12通过石墨立柱22固定在炉体1底部，坩埚护板7的上端设置有尾气排放孔13，还包括进气管14，所述进气管14的一端与氩气源15相连，另一端依次穿过炉体1、保温罩4、顶部加热器11、石墨盖板9后伸入坩埚6内，所述炉体1的上部连接有进水管16，所述进水管16与夹层空间连通，进水管16上设置有第一控制阀19，所述炉体1的底部连接有排水管23，排水管23上设置有第二控制阀24，在炉体1与第二控制阀24之间的排水管23上连接有第一引水管25，第一引水管25的端头连接有冷却设备26，第一引水管25上设置有第一水泵27，冷却设备26的出口连接有第二引水管28，所述第二引水管28的端头连接在炉体1与第一控制阀19之间的排水管23上，第二引水管28上设置有第三控制阀29与第二水泵30，所述第二水泵30位于第三控制阀29与冷却设备26之间。该多晶硅铸锭炉通过在进水管16上设置第一控制阀19，在排水管23上设置第二控制阀24，在炉体1与第二控制阀24之间的排水管23上连接有第一引水管25，第一引水管25的端头连接有冷却设备26，第一引水管25上设置有第一水泵27，冷却设备26的出口连接有第二引水管28，所述第二引水管28的端头连接在炉体1与第一控制阀19之间的排水管23上，第二引水管28上设置有第三控制阀29与第二水泵30，所述第二水泵30位于第三控制阀29与冷却设备26之间，该多晶硅铸锭炉的使用过程如下所述：在启动多晶硅铸锭炉之前，先打开第一控制阀19，关闭第二控制阀24与第三控制阀29，将自来水通过进水管16注入夹层空间内，当夹层空间注满自来水后，关闭第一控制阀19，启动多晶硅铸锭炉，并打开第二控制阀24、第三控制阀29，启动第一水泵27、第二水泵30、冷却设备26，夹层空间内的水与炉体1换热后，在第一水泵27的作用下，高温的自来水沿排水管23、第一引水管25进入到冷却设备26中进行冷却，冷却过后在第二水泵30的作用下沿第二引水管28、进水管16再次进入夹层空间内参加换热，该冷却方式，用水量较少，同时只需增加冷却设备、水泵、水管即可，占地较小，可以大大减小整个多晶硅铸锭炉的占地面积，同时，利用冷却设备进行冷却，可以使自来水的温度快速降低，从炉体的冷却效果较好。

为了操作人员能够及时的了解炉体的温度，在炉体1与第二控制阀24之间的排水管23上设置有温度计31，通过测量排水管内的温度可以知晓大概判断炉体的温度范围。

为了能够调节炉体的冷却效果，在温度计31与第二控制阀24之间的排水管23上设置有流量调节阀32。

所述进气管14上设置有气体加热装置33，所述气体加热装置33包括柱状基体331，所述柱状基体331内设置有圆柱形的气体加热空腔332，所述柱状基体331上设置有与气体加热空腔332连通的进气口与出气口，所述进气口与氩气源15连通，所述出气口与进气管14连通，所述柱状基体331的表面缠绕有加热丝334，所述加热丝334连接在电源335上。通过在进气管14上设置气体加热装置33，气体加热装置33可以对进入炉体1内的氩气进行加热，避免温度较低的氩气进入炉体1内对炉体1内的温度造成较大的影响，在多晶硅铸锭炉工作的过程中，可以保证炉体1内的温度保持在一个稳定的范围内，避免对多晶硅锭的生长造成较大的影响，保证最后长成的硅锭质量达到较高的质量水平，另外，利用加热丝334可以快速加热，而且气体加热空腔332为圆柱形，因而，可以保证氩气有足够的加热时间，可以使得所有的氩气被加热到同样的温度，加热效果较好。进一步的是，所述加热丝334与电源335之间设置有温控表336，所述气体加热空腔332内设置有温度探头337，所述温度探头337与温控表336相连接，通过温控表336可以调整气体加热空腔332内的温度，使得氩气的温度能够根据不同情况自由调整，使用非常方便。

在长晶过程中，坩埚6内部从上到下需具有一定的温度梯度，即坩埚6内的温度从上向下逐渐减小，温度梯度变化越明显，铸锭的生长速度越快，坩埚6内上部的温度主要是靠顶部加热器11提供，顶部加热器11的热量透过石墨盖板9后再传递到坩埚6内，由于经过石墨盖板9的阻隔，石墨盖板9上方的温度要高于石墨盖板9下方的温度，由于现有的多晶硅铸锭炉的侧部加热器10和顶部加热器11都是统一控制的，而且在长晶阶段，温度必须控制在一定的范围，这就是使得侧部加热器10和顶部加热器11都只能以相同的功率工作，也就是说侧部加热器10和顶部加热器11提供的热量是一定的，若要使坩埚6内上部的温度较高，就必须使更多热量能够透过石墨盖板9传递到坩埚6内，从而使坩埚6内温度梯度变化明显，本实用新型提供了一种简单有效的方式来达到坩埚6内温度梯度变化明显的目的，即在所述石墨盖板9上设置有多个通孔17，通过在石墨盖板9上设置多个通孔17，顶部加热器11的热量可以毫无阻隔的通过通孔17传递到坩埚6内，使得坩埚6内上部的温度相对于原来而言能够有所提高，从而使坩埚6内的温度梯度变化明显，进而增加铸锭的生长速度，这种方式只需在原有的石墨盖板9上打几个通孔17即可，基本不会增加成本，同时改装也很方便。

多晶硅铸锭炉在使用过程中，有时会发生硅液溢流的现象，一旦发生硅液溢流，溢流出的硅液会沿热交换平台12流到下方的下托保温板3上，接着硅液再从下托保温板3的边缘滴落到炉体1的底部，由于硅液温度较高，硅液很容易将炉体1烧穿从而引发事故，为了避免溢流的硅液将炉体1烧穿，所述炉体1底部安装有溢流毯18，溢流毯18将溢流出的硅液与炉体1隔开，有效避免了硅液将炉体1烧穿，即使硅液将溢流毯18烧穿，此时硅液的温度也较低，不会对炉体1造成太大的损失。为了防止硅液将溢流毯18烧穿，所述溢流毯18为四层结构，从上到下依次为针织陶瓷纤维毯层、针织陶瓷纤维毯层、陶瓷纤维毯层、碳毡层，所述针织陶瓷纤维毯层的厚度为10mm、针织陶瓷纤维毯层的厚度为10mm、陶瓷纤维毯层的厚度为25mm、碳毡层的厚度为10mm。

为了使操作人员及时知晓是否发生了硅液溢流，所述溢流毯18的上表面安装有溢流丝，一旦发生硅液溢流，溢流出的硅液落在溢流毯18后就会将安装在溢流毯18表面的溢流丝烧断，溢流丝烧断后会发出报警信号，提示操作人员进行相关操作。由于溢流的硅液流到下托保温板3后要流到下托保温板3的边缘才能继续向下流，这样就导致溢流现象发生一段时间后才能监测到，这样就增加了发生事故的几率，因此，为了及时快速的监测是否发生了硅液溢流现象，所述下托保温板3上设置有多个溢流孔20，通过在下托保温板3上设置溢流孔20，当硅液流到下托保温板3后可以直接从溢流孔20流到下方的溢流毯18上，进而将设置在溢流毯18上设置的溢流丝烧断，从而达到快速监测的目的。

另外，为了使坩埚6受热更加均匀，所述坩埚6与坩埚护板7之间设置有碳毡21，侧部加热器10的热量透过坩埚护板7后再透过碳毡21传递给坩埚6，由于碳毡21具有较好的隔热保温性能，因此，热量不会快速透过碳毡21传递到坩埚6内，这样可以使热量在透过碳毡21时得到均化，从而使坩埚6受热均匀，可以提高产品的合格率。

Claims (10)

1.多晶硅铸锭炉，包括具有夹层空间的炉体(1)，炉体(1)上设置有抽气孔(2)，所述炉体(1)内设置有下托保温板(3)与保温罩(4)，保温罩(4)放置在下托保温板(3)上，保温罩(4)与下托保温板(3)共同构成保温隔热笼，所述保温罩(4)上连接有能够使保温罩(4)上下移动的升降杆(5)，所述保温隔热笼内设置有坩埚(6)、坩埚护板(7)、石墨底板(8)、石墨盖板(9)、侧部加热器(10)、顶部加热器(11)、热交换平台(12)，所述石墨底板(8)放置在热交换平台(12)上，坩埚(6)放置在石墨底板(8)上，坩埚护板(7)设置在坩埚(6)外侧，侧部加热器(10)设置在坩埚护板(7)的外侧，石墨盖板(9)设置在坩埚(6)上方，顶部加热器(11)设置在石墨盖板(9)上方，所述热交换平台(12)通过石墨立柱(22)固定在炉体(1)底部，坩埚护板(7)的上端设置有尾气排放孔(13)，还包括进气管(14)，所述进气管(14)的一端与氩气源(15)相连，另一端依次穿过炉体(1)、保温罩(4)、顶部加热器(11)、石墨盖板(9)后伸入坩埚(6)内，其特征在于：所述炉体(1)的上部连接有进水管(16)，所述进水管(16)与夹层空间连通，进水管(16)上设置有第一控制阀(19)，所述炉体(1)的底部连接有排水管(23)，排水管(23)上设置有第二控制阀(24)，在炉体(1)与第二控制阀(24)之间的排水管(23)上连接有第一引水管(25)，第一引水管(25)的端头连接有冷却设备(26)，第一引水管(25)上设置有第一水泵(27)，冷却设备(26)的出口连接有第二引水管(28)，所述第二引水管(28)的端头连接在炉体(1)与第一控制阀(19)之间的排水管(23)上，第二引水管(28)上设置有第三控制阀(29)与第二水泵(30)，所述第二水泵(30)位于第三控制阀(29)与冷却设备(26)之间。

2.如权利要求1所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：在炉体(1)与第二控制阀(24)之间的排水管(23)上设置有温度计(31)。

3.如权利要求2所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：在温度计(31)与第二控制阀(24)之间的排水管(23)上设置有流量调节阀(32)。

4.如权利要求3所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述进气管(14)上设置有气体加热装置(33)，所述气体加热装置(33)包括柱状基体(331)，所述柱状基体(331)内设置有圆柱形的气体加热空腔(332)，所述柱状基体(331)上设置有与气体加热空腔(332)连通的进气口与出气口，所述进气口与氩气源(15)连通，所述出气口与进气管(14)连通，所述柱状基体(331)的表面缠绕有加热丝(334)，所述加热丝(334)连接在电源(335)上。

5.如权利要求4所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述加热丝(334)与电源(335)之间设置有温控表(336)，所述气体加热空腔(332)内设置有温度探头(337)，所述温度探头(337)与温控表(336)相连接。

6.如权利要求5所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述石墨盖板(9)上设置有多个通孔(17)。

7.如权利要求6所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述炉体(1)底部安装有溢流毯(18)，所述溢流毯(18)为四层结构，从上到下依次为针织陶瓷纤维毯层、针织陶瓷纤维毯层、陶瓷纤维毯层、碳毡层，所述针织陶瓷纤维毯层的厚度为10mm、针织陶瓷纤维毯层的厚度为10mm、陶瓷纤维毯层的厚度为25mm、碳毡层的厚度为10mm。

8.如权利要求7所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述溢流毯(18)的上表面安装有溢流丝。

9.如权利要求8所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述下托保温板(3)上设置有多个溢流孔(20)。

10.如权利要求9所述的多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述坩埚(6)与坩埚护板(7)之间设置有碳毡(21)。