CN205616989U - 一种多晶硅铸锭炉的进气控制装置及多晶硅铸锭炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种多晶硅铸锭炉的进气控制装置，包括进气管及将从进气管进来的气体进行引导的气流引导组件，所述气流引导组件包括导流块与气流挡块，所述导流块被构造成一个允许气体通过的锥形腔体，所述导流块具有相对设置的大开口端和小开口端，所述小开口端与所述进气管相连接；所述气流挡块位于所述导流块的下方且部分容置在所述锥形腔体内，所述气流挡块通过多个连接杆固定在所述导流块上，所述气流挡块用于将通入进气管的气体在所述锥形腔体内被分散成从所述气流挡块的四周排出。所述进气控制装置能减少气体在硅熔体上方的混流、降低硅锭碳含量。本实用新型还提供了包含该进气控制装置的多晶硅铸锭炉。

Description

一种多晶硅铸锭炉的进气控制装置及多晶硅铸锭炉

技术领域

本实用新型涉及多晶硅生产设备技术领域，具体涉及一种多晶硅铸锭炉的进气控制装置及多晶硅铸锭炉。

背景技术

现代光伏产业85％以上是基于晶体硅片太阳电池，其中一半以上基于多晶硅片太阳电池。用于生产多晶硅太阳能电池的多晶硅锭通常在多晶硅铸锭炉中采用铸锭工艺制成。由于铸锭炉内的碳材料(如盖板、护板、底板等)会与石英坩埚在高温下发生反应产生含碳气体，如CO、CO₂等，而含碳气体会与坩埚内硅熔体反应产生含碳化合物或溶入硅熔体而带入碳杂质，致使多晶硅中的碳含量过高，最终使制成的电池片的转换效率低。常用的方法是在铸锭炉顶部通入惰性气体来排出所产生的含碳气体。

现有技术中铸锭炉中惰性气体的进气口在铸锭炉的顶部中间位置，是对着硅液面直吹。惰性气体吹进来后，经过护板和盖板之间孔隙再经下部隔热笼和下保温板之间的排气孔排到隔热笼外部，然后进入炉体排气孔排出到炉外(图1中箭头为气体路径)。气体易于在盖板及硅熔体之间的空间内形成混流(见图2中画圈部分)，含碳气体等旋流在回旋的混流中，使碳元素被吸附及溶入硅液中，不利于杂质排除，导致多晶硅锭中C含量偏高。另外，直吹进入铸锭炉的气体还会对硅液表面集中冲击，使得一个小区域过冷，对晶体质量造成不良影响。

因此，有必要提供一种减少气体在硅熔体上方的混流、减少硅锭碳含量的多晶硅铸锭炉进气控制装置。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型针对现有技术存在的缺失，其主要目的是减少气体在硅熔体上方的混流、降低硅锭碳含量的多晶硅铸锭炉的进出气控制装置。

为实现上述目的，第一方面，本实用新型提供了一种多晶硅铸锭炉的进气控制装置，包括进气管及将从进气管进来的气体进行引导的气流引导组件，所述气流引导组件包括导流块与气流挡块，所述导流块被构造成一个允许气体通过的锥形腔体，所述导流块具有相对设置的大开口端和小开口端，所述小开口端与所述进气管相连接；所述气流挡块位于所述导流块的下方且部分容置在所述锥形腔体内，所述气流挡块通过多个连接杆固定在所述导流块上，所述气流挡块用于将通入进气管的气体在所述锥形腔体内被分散成从所述气流挡块的四周排出。

其中，所述气流挡块上设有多个孔径小于进气管孔径的出气孔。通入进气管的气体在经过所述锥形腔体后部分从所述出气孔排出。

其中，所述出气孔的数目为3-6个。

其中，所述小开口端的开口与所述进气管的管径相对应。

其中，所述气流挡块具有相对设置的第一端和第二端，其中，所述第一端靠近所述小开口端，所述第一端距所述小开口端的高度为25-40mm。

其中，所述气流挡块的形状为圆锥。

其中，所述导流块的轴截面的底角角度为15-80°。

其中，所述导流块的大开口端和小开口端之间的距离为100-200mm。

其中，每个所述连接杆包括相对设置的第三端和第四端，所述第三端与所述气流挡块相连接，所述第四端与所述导流块的腔体相连接。

本实用新型中的多晶硅铸锭炉的进气控制装置，包括进气管和进气管相连的气流引导组件，所述气流引导组件包括导流块与气流挡块，导流块为可允许气体通过的锥形腔体，导流部的截面沿气流流动方向大致扩大，可以实现气体在导流部内流动路径的扩大；所述气流挡块位于所述导流块的下方，可以阻挡大部分的气体直接垂直吹向硅液面，对气体进行一定程度的缓冲，大部分的气体被引导从所述气流挡块的四周排出。与现有技术中直接将沿着进气管直接垂直吹向到坩埚中的硅液面相比，本实用新型中的所述进气控制装置，能够气体减弱对硅液表面的冲击，避免气体在坩埚及盖板之间的空间内形成混流，使含碳气体能够尽快排出，减少含碳气体流经硅液表面时被吸附及溶入硅液的碳含量。

第二方面，本实用新型提供了一种多晶硅铸锭炉，所述多晶硅铸锭炉包括本实用新型第一方面提供的多晶硅铸锭炉的进气控制装置。

采用包含所述进气控制装置的多晶铸锭炉，可以减少气体在硅熔体上方的混流，生长出来杂质较少的高质量多晶硅锭。

附图说明

图1为现有技术中多晶硅铸锭炉的结构示意图，1为炉体，101为炉体进气口，102为炉体出气口，12为进气管，13为隔热笼，14为坩埚，15为坩埚盖板，16为坩埚护板，17为散热平台，18为下保温板，19为顶部加热器，箭头为气体路径；

图2为现有技术中气流走向的气流模拟示意图，圆圈部分为气体产生的漩涡混流；

图3为本实用新型实施例中多晶硅铸锭炉的进出气控制装置的结构示意图；

图4为本实用新型的另一实施例中导流块的结构示意图(图未示出两端的开口)；

图5为本实用新型实施例中多晶硅铸锭炉的结构示意图，圆圈部分为图3中的进出气控制装置22；

图6为本实用新型实施例中气流走向的气流模拟示意图，圆圈部分不产生漩涡混流。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请一并参阅图3-图5，为本实用新型优选实施例提供的一种多晶硅铸锭炉的进气控制装置及多晶硅铸锭炉的结构示意图。

所述进气控制装置22，包括进气管221及将从进气管进来的气体进行引导的气流引导组件222，所述气流引导组件222包括导流块201与气流挡块202，所述导流块201被构造成一个允许气体通过的锥形腔体，所述导流块201具有相对设置的大开口端2012(图未示出标号)和小开口端2011，所述小开口端2011与所述进气管221相连接；所述气流挡块202位于所述导流块201的下方且部分容置在所述锥形腔体内，气流挡块202通过多个连接杆203与所述导流块201连接在一起，所述气流挡块202用于将通入进气管的气体在所述锥形腔体内被分散成从所述气流挡块202的四周排出。

本实用新型中，导流块201被构造为锥形腔体，呈现为一端开口大、一端开口小的喇叭形，其轴截面为一梯形。可将导流块201称为“喇叭口”。

导流块201的外周可以为光滑的弧面，导流块201的外周也可以是设有多条棱的弧面(图4示出了导流块外周是非光滑弧面的一种情况)。导流块201的形状为圆台、棱台(如四棱台、五棱台等)等。

本实施例中，导流块201的形状为圆台。

本实施方式中，所述小开口端2011的开口与所述进气管221的管径相对应。

本实施例中，导流块201的大开口端2012的直径为210mm，小开口端2011的直径与进气管221的管径相同，为127mm。

经过带锥形腔体的导流块201的作用，从进气管221进来的气体会被分散，到达硅液表面的气流不会太大，使使液相成分分布均匀，另外，被分散的气流不会对硅液产生集中冲击，避免凝固后的铸锭中存在杂质富集区，利于硅晶体的生长。另外，分散的气流可以减少气体在坩埚、盖板、护板之间的循环与停留，使含碳气体能尽快排出，减少含碳气体流经硅液表面时掉落入硅液中。

其中，所述导流块201的轴截面的底角角度(α)为15-80°，即导流块201形成的锥形腔体的底角角度为15-80°。

其中，所述导流块201的轴截面的底角角度(α)为15-30°、30-45°、45-60°或60-80°。

其中，所述导流块201的大开口端和小开口端2011之间的距离为128mm。这样可使到达坩埚内硅液表面的气流不会太大，且能较好低将含碳气体排出。

进气管221的管道可以通过卡箍或法兰连接至呈喇叭状的导流块201上(与导流块的小开口端相对连接)，以实现进气管221与所述气流引导组件的连接。

本实施方式中，所述气流挡块202上设有多个出气孔204，出气孔204的孔径小于进气管孔径。通入进气管的气体在经过所述锥形腔体后部分从所述出气孔204排出。

作为优选，所述出气孔204对称设置在所述气流挡块202上。所述出气孔204的数目为3-6个，例如是3、4、6个。在本实施方式中，气流挡块202上设有3个出气孔204。

所述气流挡块202的形状不限，可以为棱锥(如三棱锥、四棱锥等)、圆锥、棱柱、棱台、圆台等。优选为一端大、一端小的形状。

作为优选，气流挡块202具有相对设置的第一端和第二端，其中，所述第一端靠近所述小开口端2011，所述第一端距所述小开口端2011的高度为30-58mm。这样设置，可以将通入进气管221的气体尽量从气流挡块202的四周排出，而不是沿着进气管221直接排出。

在本实施方式中，所述气流挡块202的形状为圆锥。圆锥的顶点距小开口端2011的高度为58mm。

本实用新型中，气流挡块202位于导流块201的下方，部分容置在所述锥形腔体内，占据着一部分的导流块201的锥形腔体的空间，使气体从气体挡块202的四周流过。优选地，气流挡块202设置在导流块201的大开口端的正投影区域内。

其中，所述气流挡块202的底面与所述大开口端2012相平行，所述导流块201的大开口端2012距所述气流挡块202的底面的距离为20-29mm。

优选地，所述气流挡块202的底面的最大边长大于或等于所述小开口端2011的开口。

本实施例中，气流挡块202呈圆锥状，其底面的最大边长(即图3中三角形的底边长)为175mm，进气管221的管径为139mm。

每个所述连接杆203包括相对设置的第三端2041和第四端2042，所述第三端2041与所述气流挡块202的侧壁相连接，所述第四端2042与所述导流块201的腔体相连接。连接杆的第四端2042可以在所述导流块201的锥形腔体内与所述导流块相连接(如第四端与导流块的侧面内壁相接触)，连接杆的第四端2042也可以在导流块201的锥形腔体的边缘或锥形腔体外部与导流块201相连接，并沿这连接杆的长度方向继续延伸。连接杆204延伸出来的部分可以支撑在坩埚盖板25之上，并进行固定。连接杆203与气流挡块202、导流块201之间的连接方式可以是焊接、螺纹连接或栓子栓住。具体来说，可以在气流挡块202的侧面上通过连接杆203栓在导流块201的腔体内。可以在气流挡块202、导流块201上分别设置螺纹孔，以分别与连接杆203的两端进行螺纹连接，也可以将连接杆203的两端分别焊接在导流块201的腔体上、气流挡块202的侧壁上。

连接杆203并不对气体起阻挡作用，气体均可从连接杆203流过。

作为优选，在所述气流挡块202的四周对称地设置多个连接杆203，以便实现将气流挡块与导流块之间更稳固的连接。设置的连接杆的数目可以为2、3、4或6。本实施例中，示出了2个连接杆。

本实用新型中的多晶硅铸锭炉的进气控制装置22，包括进气管221和进气管相连的气流引导组件，所述气流引导组件包括导流块201与气流挡块202，导流块201为可允许气体通过的锥形腔体，导流部201的截面沿气流流动方向大致扩大，可以实现气体在导流部内流动路径的扩大，将从进气管221进来的气体分散，使到达硅液表面的气流不会太大；所述气流挡块202位于所述导流块201的下方，可以阻挡大部分的气体直接垂直吹向硅液面，而将大部分的气体被引导从所述气流挡块201的四周排出。另外，气流挡块201上还可设置有多个出气孔204，少部分的气体还可在通过所述导流块201的锥形腔体后从所述出气孔204排出。

与现有技术中直接将沿着进气管直接垂直吹向到坩埚中的硅液面相比，本实用新型中的所述进气控制装置22，能够气体减弱对硅液表面的冲击，避免凝固后的铸锭中存在杂质富集区，利于硅晶体的生长。另外，还可以避免气体在坩埚24、盖板25、护板26之间的空间内形成混流，使含碳气体能够尽快排出，减少含碳气体流经硅液表面时被吸附及溶入硅液的碳含量。在多晶铸锭炉内采用所述进气控制装置，可以生长出来杂质较少的高质量多晶硅锭。

本实用新型还提供了包含上述进气控制装置的一种多晶硅铸锭炉，其整体结构示意图如图5所示，进气控制装置22的结构示意见图3。

所述多晶硅铸锭炉包括炉体2，炉体外壁设有顶部进气口201(又可成为“抽气孔”)和出气口(图未示出)。炉体2内设置有保温顶板30和保温底板28，以及位于保温顶板30和保温底板28之间、用于与保温顶板30和保温底板28共同形成密封空腔的隔热笼23，所述隔热笼23相对于所述保温底板28可升降地安装在所述炉体内。

所述密封空腔内设置有热交换平台27，所述热交换平台27用于承载放有硅料的坩埚24，所述坩埚24的上方设置有石墨盖板25，所述坩埚24的侧壁设置有坩埚护板26，所述坩埚24的底板设置有石墨底板29，所述炉体2还包括上述的多晶硅铸锭炉的进气控制装置22，所述进气控制装置22依次炉体的进气口201、保温顶板30、盖板25后伸入到所述坩埚24的上方。

其中，所述密封空腔内设有用于对硅料进行加热的加热器，所述加热器包括顶部加热器31和侧部加热器32，所述顶部加热器31设置在所述石墨盖板25的上方，所述侧部加热器32设置在所述坩埚护板26的外侧。此时，所述进气控制装置22依次穿过炉体的进气口201、保温顶板30、顶部加热器31、盖板25后伸入到所述坩埚24内。

本实施方式中，所述铸锭炉还包括固定在所述炉体2内的石墨支柱33，所述热交换平台27固定在所述石墨支柱上。

本实用新型的多晶铸锭炉中，石墨底板29放置在热交换平台27上，所述坩埚24放置在石墨底板29上。坩埚盖板25固定在炉体2内并位于热交换平台27的上方，以便自顶部保护坩埚24及坩埚内的硅料。石墨支柱33位于炉体内，并固定在炉体2的底部，热交换平台27的两端分别设有一个坩埚护板26，目的在于将带硅料的坩埚24放到热交换平台27上时定位、防护坩埚24。顶部加热器31和侧部加热器32位于所述隔热笼23内以及保温顶板30和保温底板28之间。隔热笼23上连接有可使隔热笼23上下移动的升降杆(图未示出)，以实现相对于所述保温底板28的可升降移动。

本实用新型提供的所述多晶硅铸锭炉，包括炉体2，炉体2上设有顶部进气口201，炉体2内放置有容纳硅料的坩埚24，所述坩埚24的上方设置有盖板25，所述进气控制装置22依次炉体的进气口201、盖板25后伸入到所述坩埚24的上方。所述进气控制装置22包括进气管221和进气管相连的气流引导组件，所述气流引导组件包括导流块201与气流挡块202。从进气管25通入的气体经过该进气控制装置22到达所述锥形腔体后，导流块201可以对通入进气管221的气体进行扩散，气流挡块202可以阻挡住锥形腔体的一部分空间，使大部分的气体引导到从所述气流挡块201的四周排出，排到坩埚24的上方。同时，如果气流挡块202上还存在少量出气孔204，则还有少部分气体经气流挡块202上的出气孔204排出，排到坩埚24的上方。

气体经所述进气控制装置22排出到坩埚24的上方后，不会对坩埚内硅液表面造成冲击，避免在凝固后的铸锭中存在杂质富集区，可以生长得到高质量的硅晶体。此外，对图5中炉体内气流走向的气流模拟示意图(图6)显示，相对于现有技术中直接将气体沿着进气管直接垂直吹向到坩埚而言，图6中气体在坩埚24、盖板25、护板26之间的空间内没有出现类似图2中的涡旋、混流。气流很顺畅，气体在坩埚24、盖板25、护板26之间的循环与停留较短，杂质能非常流畅地带走。含碳气体在流经硅液表面时很少被吸附及溶入硅液中，最终制得的多晶硅锭的碳含量较低。而现有技术中的进气控制结构仅是垂直吹向坩埚内的进气管，在出气方向有向上的吸力，两个对立的力可产生涡旋混流。而本实用新型不会造成两个对立方向的气流走向，不会形成涡旋混流。

采用图5中的铸锭炉比采用图1中的铸锭炉得到的多晶硅锭，含碳量可降低30-50％，硅锭少子寿命提高5-10％。以上结果说明，在多晶铸锭炉内采用所述进气控制装置，可以生长出来杂质较少的高质量多晶硅锭。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种多晶硅铸锭炉的进气控制装置，其特征在于，包括进气管及将从进气管进来的气体进行引导的气流引导组件，所述气流引导组件包括导流块与气流挡块，所述导流块被构造成一个允许气体通过的锥形腔体，所述导流块具有相对设置的大开口端和小开口端，所述小开口端与所述进气管相连接；所述气流挡块位于所述导流块的下方且部分容置在所述锥形腔体内，所述气流挡块通过多个连接杆与所述导流块连接在一起，所述气流挡块用于将通入进气管的气体在所述锥形腔体内被分散成从所述气流挡块的四周排出。

2.如权利要求1所述的进气控制装置，其特征在于，所述气流挡块上设有多个孔径小于进气管孔径的出气孔。

3.如权利要求2所述的进气控制装置，其特征在于，所述出气孔的数目为3-6个。

4.如权利要求1所述的进气控制装置，其特征在于，所述气流挡块具有相对设置的第一端和第二端，其中，所述第一端靠近所述小开口端，所述第一端距所述小开口端的高度为25-40mm。

5.如权利要求1所述的进气控制装置，其特征在于，所述小开口端的开口与所述进气管的管径相对应。

6.如权利要求1所述的进气控制装置，其特征在于，所述气流挡块的形状为圆锥。

7.如权利要求1所述的进气控制装置，其特征在于，所述导流块的轴截面的底角角度为15-80°。

8.如权利要求1所述的进气控制装置，其特征在于，所述大开口端和所述小开口端之间的距离为100-200mm。

9.如权利要求1所述的进气控制装置，其特征在于，每个所述连接杆包括相对设置的第三端和第四端，所述第三端与所述气流挡块相连接，所述第四端与所述导流块的腔体相连接。

10.包含如权利要求1-9任一项所述的进气控制装置的多晶硅铸锭炉。