CN214655366U - 一种多晶硅铸锭炉用铸锭装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种多晶硅铸锭炉用铸锭装置，包括石英坩埚，所述石英坩埚内部两侧可拆卸连接有石英板，所述石英坩埚顶部可拆卸连接有盖体，所述石英坩埚外部套设有石墨护板，所述石墨护板外部套设有加热器，所述石墨护板与所述加热器之间设有石墨炭毡套。本实用新型有效减少了硅晶体凝固膨胀时受到坩埚约束产生的热应力，缓解了硅锭四周位错的产生与增殖，并且，由于石英坩埚开口逐渐扩大，更利于硅锭脱模。在取出炉中硅锭，放置在环境中冷却时，热应力的减小使硅锭四周开裂的可能性减小。最终使得硅锭四周区域少子寿命提高，杂质含量降低，优化了太阳能电池的输出性能。

Description

一种多晶硅铸锭炉用铸锭装置

技术领域

本实用新型涉及多晶硅铸锭生产技术领域，特别是涉及一种多晶硅铸锭炉用铸锭装置。

背景技术

定向凝固法是光伏行业制备太阳能晶体硅的主流技术。在定向凝固法中，先将多晶硅原料放入坩埚中并加热至熔融状态。熔化结束后通过坩埚底部散热的方式在熔体中形成从上向下的热流，使熔融硅从底部开始垂直向上生长，从而获得柱状晶体。

而在硅熔体经过定向凝固转变为固态的过程中，体积增大、密度减小，硅锭温度分布不均匀，而硅锭与石英坩埚热膨胀系数差异较大，在硅锭形变和坩埚的约束作用下会产生热应力。最大应力常常出现在硅锭上部边角区域，造成硅晶粒之间的挤压，甚至导致硅锭与坩埚间的粘连，拆炉困难，硅锭四个边角常出现细碎裂纹及颗粒剥落。并且，在热应力的作用下，晶体内部的应力集中和缺陷部位将产生位错，位错和晶界为各种杂志提供了沉淀中心，成为了载流子复合中心，降低了多晶硅太阳电池的性能。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种多晶硅铸锭炉用铸锭装置，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种多晶硅铸锭炉用铸锭装置，包括石英坩埚，所述石英坩埚内部两侧可拆卸连接有石英板，所述石英坩埚顶部可拆卸连接有盖体，所述石英坩埚外部套设有石墨护板，所述石墨护板外部套设有加热器，所述石墨护板与所述加热器之间设有石墨炭毡套。

优选的，所述石英坩埚底部两侧对称设置有若干限位条，相邻所述限位条构成的凹槽与所述石英板底部可拆卸连接，所述石英板顶部与所述石英坩埚接触连接，所述石英板与所述石英坩埚侧壁之间填充有石墨。

优选的，所述石英坩埚内壁和石英板上敷设有氮化硅涂层，所述氮化硅涂层自下而上逐渐变厚。

优选的，所述限位条的高度为18-22mm、宽度为3-5mm、间距为5-7mm，所述石英板厚度为4-6mm。

优选的，所述石墨炭毡套位于石墨护板底部。

优选的，所述石墨炭毡套由多段石墨炭毡段构成，相邻所述石墨炭毡段之间卡接。

优选的，所述石墨炭毡套高度为8-12mm。

优选的，所述加热器包括四块加热板，四块所述加热板与所述石墨护板平行放置，相邻两所述加热板之间通过斜加热板固定。

本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型通设置石英板能与石英坩埚壁形成轻微的角度，沿高度方向上石英坩埚横截面积增大，刚性侧壁对硅膨胀的约束减小，且侧加热输出功率弥补石英坩埚侧壁的热量散失，硅锭径向方向温度梯度减小，硅锭的热应力分布更为均匀，有效减少了硅晶体凝固膨胀时受到坩埚约束产生的热应力，缓解了硅锭四周位错的产生与增殖，并且，由于石英坩埚开口逐渐扩大，更利于硅锭脱模；在取出炉中硅锭，放置在环境中冷却时，热应力的减小使硅锭四周开裂的可能性减小，最终使得硅锭四周区域少子寿命提高，杂质含量降低，优化了太阳能电池的输出性能。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为多晶硅铸锭炉用铸锭装置的结构示意图；

图2为加热器的结构示意图；

图3为石墨炭毡段连接结构示意图；

图4为现有技术中坩埚的应力分布情况图；

图5为实施例1中坩埚的应力分布情况图；

图中：石英坩埚1、石墨护板2、石墨炭毡套3、限位条4、石英板5、盖体6、石墨炭毡段7、加热板8、斜加热板9、梯形滑槽10、梯形滑块11、石墨12。

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做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。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型提供一种多晶硅铸锭炉用铸锭装置，包括石英坩埚1，石英坩埚1为矩形，所述石英坩埚1内部两侧可拆卸连接有石英板5，两石英板5对称设置，所述石英坩埚1顶部可拆卸连接有盖体6，所述石英坩埚1外部套设有石墨护板2，所述石墨护板2外部套设有加热器，所述石墨护板2与所述加热器之间设有石墨炭毡套3。本实用新型通过设置石英板5，使石英板5与石英坩埚1侧壁形成一定角度的好处是，硅锭上层温度高，密度小，比体积大，下层温度低，密度较上层大，比体积小，硅锭上层相对于下层产生膨胀，石英板5与石英坩埚1侧壁形成一定角度，沿高度方向上石英坩埚1横截面积增大，刚性侧壁对硅膨胀的约束减小，且侧加热输出功率弥补石英坩埚1侧壁的热量散失，硅锭径向方向温度梯度减小，硅锭的热应力分布更为均匀。有效减少了硅晶体凝固时膨胀时受到石英坩埚1约束产生的热应力，缓解了硅锭四周位错的产生与增殖。

进一步优化方案，所述石英坩埚1底部两侧对称设置有若干限位条4，相邻所述限位条4构成的凹槽与所述石英板5底部可拆卸连接，所述石英板5顶部与所述石英坩埚1接触连接，所述石英板5与所述石英坩埚1侧壁之间填充有石墨12，加强热力传导效果，石英板5底部可插入距离石英坩埚1侧壁不同距离的凹槽内，可以控制石英板5的倾斜角度，使得石英板5能形成轻微的角度，沿高度方向上石英坩埚1横截面积增大，刚性侧壁对硅膨胀的约束减小，且侧加热输出功率弥补石英坩埚1侧壁的热量散失，硅锭径向方向温度梯度减小，硅锭的热应力分布更为均匀，有效减少了硅晶体凝固时膨胀时受到坩埚约束产生的热应力，缓解了硅锭四周位错的产生与增殖。同时为了避免坩埚侧壁偏移角度过大导致硅料的浪费，石英坩埚1侧壁的偏移角度控制在一定的范围内，使得石英坩埚1侧壁整体呈现轻微的角度，石英板5与所述石英坩埚1侧壁夹角为0.65°-2.83°。

进一步优化方案，所述石英坩埚1内壁和石英板5上敷设有氮化硅涂层，所述氮化硅涂层自下而上逐渐变厚。高性能多晶硅铸锭时间长达70h，且定向凝固是由石英坩埚1底部开始。因此石英坩埚1越上部氮化硅涂层与硅液接触时间越久，沸腾的硅液会对石英坩埚1侧壁氮化硅涂层产生剧烈的冲刷作用，较薄的上部氮化硅涂层难以起到隔绝杂质的效果，因此在侧壁氮化硅涂,材料不增加的条件下，尽可能地让氮化硅涂层逐渐增厚，可以提高材料利用率，同时有效减少杂质引入。

进一步优化方案，所述氮化硅涂层在制作时，先进行人工操作刷涂，等涂层凝结再进行喷枪喷涂。刷涂的涂层包括氮化硅粉、硅溶胶、PVA和纯水。喷涂的涂层包括氮化硅粉、硅溶胶和纯水。

进一步优化方案，所述限位条4的高度为18-22mm、宽度为3-5mm、间距为5-7mm，所述限位条4优选为高20mm、宽4mm、间距6mm，所述石英板5厚度优选为5mm，在使用此坩埚进行籽晶铸锭时，籽晶铺设高度约20-22mm，可以将未被石英板材覆盖的凸起覆盖住。

进一步优化方案，所述石墨炭毡套3位于石墨护板2底部，晶体生长时侧隔热层抬升，在石英坩埚1底部形成垂直温度梯度的同时，打开了石英坩埚1侧壁的辐射散热通道。若来自侧加热器的热量不足以弥补此部分热损，极易使靠近侧壁硅熔体先于中央硅熔体冷却结晶，影响晶体的垂直生长趋势。底部附加的石墨炭毡套3可以起到保温和籽晶留存的作用，防止靠近侧壁硅熔体先于中央硅熔体冷却结晶。

进一步优化方案，所述石墨炭毡套3由多段石墨炭毡段7构成，相邻所述石墨炭毡段7之间卡接，方便装配或拆除石墨炭毡套3，且保证石墨炭毡套3在铸锭过程中不易脱落。

进一步优化方案，石墨炭毡段7一端为正台阶型，正台阶型上开设有两个梯形滑槽10，石墨炭毡段7另一端为倒台阶型，倒台阶型固定有两个梯形滑块11，梯形滑槽10和梯形滑块11滑动配合，相邻两石墨炭毡段7通过梯形滑槽10和梯形滑块11连接到一起，多个石墨炭毡段7首尾相连构成石墨炭毡套3。

进一步优化方案，所述石墨炭毡套3高度为8-12mm，优选为10mm。

进一步优化方案，所述加热器包括四块加热板8，四块所述加热板8与所述石墨护板2平行放置，相邻两所述加热板8之间通过斜加热板9固定，所述加热板8和斜加热板9内均为蛇形石墨加热器。在石英坩埚1的拐角处，两个相邻的石英坩埚1侧壁相比于单侧壁面，两个壁面交界处的散热效果得到加强，附近熔体快速冷却，因此熔体-晶体界面在坩埚拐角处会产生较大形变。在相邻两加热板8设置斜加热板9，使加热器与石英坩埚1更为接近，有助于减少侧壁漏热，防止两个壁面交界处的熔体快速冷却而产生较大形变。

实施例1

针对硅锭重量850kg铸锭炉的石英坩埚1，石英坩埚1的高为526.5mm，石英坩埚1底面边长1000mm的正方形，石英板5与所述石英坩埚1侧壁夹角为2度，在边缘长晶高度为350mm时观察应力分布情况，如图5所示。将本装置的石英坩埚1用于铸锭，与现有的矩形石英坩埚相比，现有矩形石英坩埚倾角为0°，最大热应力为0.294MPa，本装置的石英坩埚1倾角为2°，最大热应力降低至0.23MPa。可以发现当石英坩埚内壁倾斜角度变大时，坩埚底部边角处等热应力线分布逐渐变得稀疏。因此石英坩埚侧壁出现倾斜角度时，边缘部分应力得到改善，应力整体大小下降。本装置得到的硅锭四周区域热应力降低，红区减小，未出现开裂情况。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多晶硅铸锭炉用铸锭装置，其特征在于：包括石英坩埚(1)，所述石英坩埚(1)内部两侧可拆卸连接有石英板(5)，所述石英坩埚(1)顶部可拆卸连接有盖体(6)，所述石英坩埚(1)外部套设有石墨护板(2)，所述石墨护板(2)外部套设有加热器，所述石墨护板(2)与所述加热器之间设有石墨炭毡套(3)。

2.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉用铸锭装置，其特征在于：所述石英坩埚(1)底部两侧对称设置有若干限位条(4)，相邻所述限位条(4)构成的凹槽与所述石英板(5)底部可拆卸连接，所述石英板(5)顶部与所述石英坩埚(1)接触连接，所述石英板(5)与所述石英坩埚(1)侧壁之间填充有石墨(12)。

3.根据权利要求2所述的多晶硅铸锭炉用铸锭装置，其特征在于：所述石英坩埚(1)内壁和石英板(5)上敷设有氮化硅涂层，所述氮化硅涂层自下而上逐渐变厚。

4.根据权利要求2所述的多晶硅铸锭炉用铸锭装置，其特征在于：所述限位条(4)的高度为18-22mm、宽度为3-5mm、间距为5-7mm，所述石英板(5)厚度为4-6mm。

5.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉用铸锭装置，其特征在于：所述石墨炭毡套(3)位于石墨护板(2)底部。

6.根据权利要求5所述的多晶硅铸锭炉用铸锭装置，其特征在于：所述石墨炭毡套(3)由多段石墨炭毡段(7)构成，相邻所述石墨炭毡段(7)之间卡接。

7.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉用铸锭装置，其特征在于：所述石墨炭毡套(3)高度为8-12mm。

8.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉用铸锭装置，其特征在于：所述加热器包括四块加热板(8)，四块所述加热板(8)与所述石墨护板(2)平行放置，相邻两所述加热板(8)之间通过斜加热板(9)固定。

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