TW201619453A - 多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置及多晶矽鑄錠爐 - Google Patents

Abstract

一種多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置及多晶矽鑄錠爐。活動裝置包括底部小保溫板，支撐桿，伸縮管，升降裝置；用上螺母和下螺母將底部小保溫板固定在支撐桿的上部；支撐桿的下部穿至伸縮管底部；伸縮管上端與爐體相連，伸縮管下端與升降裝置相連接；在升降裝置的控制下底部小保溫板可以上下運動。本發明通過獨特的結構設計，實現當爐內開始長晶時使底部小保溫板向下運動與底部大保溫板分離，加快助凝塊芯部冷卻，從而可以提高坩堝內矽熔體的冷卻結晶速度，同時使矽熔體形成相當的過冷度，提高多晶矽鑄錠品質。

Description

多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置及多晶矽鑄錠爐

本發明涉及一種多晶矽鑄錠爐，尤其是涉及一種多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，及包括所述底部小保溫板活動裝置的多晶矽鑄錠爐。

矽晶體的生長，一般分為多晶鑄錠，單晶提拉以及區熔生長三種方法，隨著晶體矽光伏產品的大規模應用，太陽能級晶體矽片產業的不斷發展成熟，矽片作為原材料，其價格逐漸在理性的回落，同時也造成了矽片生產廠家利潤空間的不斷壓縮。提高矽片品質，降低加工成本成為擺在所有太陽能矽片生產廠家面前的問題。晶體矽光伏發電的產業鏈包含從矽料-矽片-電池-元件-系統的過程，其中矽片的生產主要由晶體生長及晶體切割兩大塊，而晶體生長是製造高品質矽片的根本。在晶體矽光伏發電中，多晶定向凝固由於成本低，產量大，逐漸成為矽片生產的主流技術，但是由於其存在的晶體缺陷，雜質等因素，使得多晶電池的轉換效率始終和單晶電池有一定的差距。改進多晶鑄錠的生長方法，已經成為當前多晶矽片改進的主要方向。多晶鑄錠與單晶提拉方法的不同之處在於，提拉生長擁有子晶，後續引晶，等徑等步驟都是基於子晶來完成，所以晶體具有一定的晶向，而多晶鑄錠中成核是一個根據熱力學隨機成核的過程，多晶矽錠的結構每次都不盡相同。矽材料的不同晶向對載流子的複合能力以及雜質缺陷的接受能力不同，其中矽的〈110〉和〈112〉的孿晶結構由於原子排列密集，界面能低等原因，雜質缺陷沉澱得少，且載流子的複合很弱，因此少子壽命（即載流子壽命）相對較高，該部分非常適合用來做電池的基底矽片。

其中多晶鑄錠為典型的熔體固化的生長方法：多晶矽原料先在高溫下被加熱熔化成熔體，然後通過底部冷卻，向上定向凝固開始晶體生長，其生長過程相對緩慢，在生長完成後，晶體進行退火冷卻到常溫。研究顯示，為了形成適宜的〈110〉和〈112〉的矽孿晶結構，需要在結晶成核的過程中形成一定的過冷度，通常為低於熔點10-100K之間。

目前，大部分多晶矽鑄錠爐開始進行鑄錠量擴大的升級改造，即保持現有多晶矽鑄錠爐的爐體結構不變的情況下，擴大熱場，由原來的G5型錠升級到G6，G7型錠。G5，G6，G7分別指矽錠的重量，G5指該矽錠由5x5=25個相同重量的小矽塊組成，類推之，則G6，G7的產量分別比G5提高了44%，96%。通過改造，可以提高鑄錠的產量及降低矽片的單位成本，降低光伏發電的每瓦成本。但是由於改造後爐體尺寸不變，改造後錠的重量分別提高44%，96%，需要熱場底部散熱能力也相應提高，利用現有隔熱籠提升技術的散熱能力僅僅少量提高，所以將會使得鑄錠過程中的凝固速度大大降低。如目前G5型鑄錠的凝固時間約為25小時，但是G6型鑄錠的凝固時間達到了40小時左右，而G7型鑄錠的凝固時間更長。這樣無形中增加了矽片生產的成本，同時由於凝固過程中，矽料大部分仍處於高溫熔化狀態，也增加了漏矽的風險。此外，由於矽錠與坩堝接觸時間長，也會造成氧一定的擴散污染，使得晶體品質下降。

目前，G5，G6，G7的底部保溫板均為一個整塊板，長晶時坩堝底部的熱量較坩堝邊緣的熱量難以輻射出去，造成了長晶時的固液界面呈微凹形的，溶解在矽熔體中的雜質將沉積在中間部位，這樣生長出來的晶體品質偏低，切出來的矽片轉化效率也偏低。同時對於較大的G6型(800公斤左右)，G7型（1200公斤左右）的多晶鑄錠而言，結晶潛熱巨大，按照目前的隔熱籠輻射散熱方式，已經很難有效的散發結晶潛熱。

本發明要解決的技術問題是，克服習知技術存在的上述缺陷，提供一種多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，包括具有該底部小保溫板活動裝置的多晶矽鑄錠爐，在長晶過程中，除了有邊緣隔熱籠提升的輻射散熱外，還提供一個坩堝正下方的豎直的輻射散熱通道，這樣不僅有長晶初期的過冷度，而且還可以調節生長過程中的固液界面呈有益的微凸型，並且助凝塊的散熱能力加強，進行定向凝固時，速度快，晶體產品品質高。

本發明解決其技術問題採用的技術方案是：一種多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，包括底部小保溫板，支撐桿，伸縮管，升降裝置；用上螺母和下螺母將所述底部小保溫板固定在支撐桿的上部；所述支撐桿的下部穿伸至伸縮管底部；所述伸縮管上端與爐體相連，伸縮管下端與升降裝置相連接；在所述升降裝置的控制下底部小保溫板可以沿支撐桿的軸向上下活動。

進一步，所述升降裝置由升降桿和伺服電機組成，升降桿沿伺服電機可以上下運動，從而帶動支撐桿上部的底部小保溫板上下運動。

進一步，所述升降裝置還可以替換為C形卡，根據底部小保溫板不同的升降高度配置相應高度的C形卡。

進一步，所述伸縮管由波紋管與快換接頭密封焊接而成；所述伸縮管上端與爐體相連處設有密封圈，用卡箍可以密封固定；伸縮管下端與盲板相連處設有密封圈，用卡箍可以密封固定。

進一步，為了增加底部小保溫板的穩定性，在所述底部小保溫板與下螺母之間還設置有墊板。

進一步，所述支撐桿為鉬桿、鎢桿、銥桿、石墨桿或炭-炭複合材料桿中的一種。

進一步，所述底部小保溫板橫截面為矩形或倒T字形，底部大保溫板對應配合孔的橫截面為矩形或倒T字形。

進一步，所述底部小保溫板俯視圖為圓形或矩形，底部大保溫板對應配合孔俯視圖為圓形或矩形。

進一步，所述底部小保溫板與底部大保溫板的分離距離為10～300mm。

進一步，所述伸縮管為耐溫不鏽鋼材質，具體為316L。

進一步，所述上螺母、下螺母和墊板材質為石墨材料或炭-炭複合材料。

使用所述多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置的方法：當矽料在熔化時，底部小保溫板與底部大保溫板處於閉合狀態；當熔化完畢進入長晶階段時，啟動升降裝置使底部小保溫板與底部大保溫板分離開，加快矽晶體的長晶速度；當長晶完畢進入退火階段時，啟動升降裝置使底部小保溫板與底部大保溫板處於閉合狀態直至矽錠冷卻出爐。

本發明與習知技術相比，具有以下優點：

（1）本發明通過設置有多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，加快對助凝塊芯部進行冷卻，提高了助凝塊的散熱能力，從而可以提高坩堝內矽熔體的冷卻結晶速率，提高定向凝固的效率，縮短了生產週期，降低了生產成本；

（2）應用本發明多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，可以形成矽孿晶生長所需要的較大過冷度，多晶矽錠的品質將有所提高。

（3）應用本發明多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，加大了對助凝塊芯部的冷卻，多晶矽錠的中央冷卻能力要強於邊緣，可以形成微凸型固液界面，溶解在矽熔體中的雜質將向周邊沉積，這樣生長出來的晶體品質好，切出來的矽片轉化效率較高。

本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及附呈圖式作進一步之說明。

以下結合實例及附圖對本發明作進一步說明。

實施例1

本實施例包括底部小保溫板2，支撐桿3，伸縮管6，升降裝置7；用上螺母4和下螺母16將底部小保溫板2固定在支撐桿3的上部；支撐桿3的下部穿伸至伸縮管6底部；伸縮管6上端與爐體相連，伸縮管6下端與升降裝置7相連接；在升降裝置7的控制下底部小保溫板2可以沿支撐桿3的軸向上下活動。（如圖1所示）

升降裝置7由升降桿8和伺服電機9組成，升降桿8沿伺服電機9可以上下運動，從而帶動支撐桿3上部的底部小保溫板2上下運動。

伸縮管6由波紋管13與快換接頭14密封焊接而成；伸縮管6上端與爐體相連處設有密封圈10，用卡箍11可以密封固定；伸縮管6下端與盲板12相連處設有密封圈10，用卡箍11可以密封固定。（如圖2、圖3所示）

為了增加底部小保溫板2的穩定性，在底部小保溫板2與下螺母16之間還設置有墊板5。（如圖1、圖4、圖5、圖9和圖10所示）

支撐桿3為鉬桿。

底部小保溫板2橫截面為矩形且其俯視圖也為矩形（如圖7所示），底部大保溫板1對應配合孔的橫截面為矩形。

伸縮管6為耐溫不鏽鋼材質，具體為316L。

上螺母、下螺母和墊板材質為石墨材料。

當矽料在熔化時，底部小保溫板2與底部大保溫板1處於閉合狀態（如圖1所示）；當熔化完畢進入長晶階段時，啟動升降裝置7使底部小保溫板2與底部大保溫板1分離開，分離距離15為10mm，加快矽晶體的長晶速度；且固液界面17呈微凸型（如圖4所示）；當長晶完畢進入退火階段時，啟動升降裝置7使底部小保溫板2與底部大保溫板1處於閉合狀態直至矽錠冷卻出爐。

採用本發明的多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置生產矽錠，能使得坩堝內部的矽熔體的凝固速率提高，進而可以加快長晶，提高鑄錠產量，同時降低鑄錠的用電成本。

以GT多晶矽鑄錠爐的G5改造成G6為例，鑄錠重量由500公斤提高到800公斤，如果簡單採用隔熱籠提升的長晶方案，其長晶時間需要40個小時左右，而總的工藝時間為75小時；而採用本發明多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置後，其長晶時間縮短至30個小時，且總的工藝時間縮短為65小時。由於長晶期間，功率保持恆定為60-66千瓦左右，則每個錠可以節省電耗約600-660度，而生產效率提高約13%-15%。同時，鑄錠良率約提高1%，可以多產矽片300片/錠，以目前多晶矽片6.5元人民幣/片計，則增加收入1950元人民幣；此外，矽片的平均轉換效率提高了0.1%的絕對值（轉換效率從17.8%提高至17.9%）。

實施例2

本實施例與實施例1的區別僅在於：支撐桿3為鎢桿；底部小保溫板2橫截面為矩形且其俯視圖為圓形（如圖8所示），底部大保溫板1對應配合孔的橫截面為圓形；當熔化完畢進入長晶階段時，啟動升降裝置7使底部小保溫板2與底部大保溫板1分離開，分離距離15為60mm。餘同實施例1。

以GT多晶矽鑄錠爐的G5改造成G6為例，鑄錠重量由500公斤提高到800公斤，如果簡單採用隔熱籠提升的長晶方案，其長晶時間需要40個小時左右，而總的工藝時間為75小時；而採用本發明多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置後，其長晶時間縮短至29個小時，且總的工藝時間縮短為64小時。由於長晶期間，功率保持恆定為60-66千瓦左右，則每個錠可以節省電耗約660-726度，而生產效率提高約14%-15%。同時，鑄錠良率約提高1.2%，可以多產矽片360片/錠，以目前多晶矽片6.5元人民幣/片計，則增加收入2340元人民幣；此外，矽片的平均轉換效率提高了0.1%的絕對值（轉換效率從17.8%提高至17.9%）。

實施例3

本實施例與實施例1的區別僅在於：支撐桿3為銥桿；上螺母4、下螺母16和墊板5材質為炭-炭複合材料；升降裝置7被替換為C形卡20，當熔化完畢進入長晶階段時，用C形卡20使底部小保溫板2與底部大保溫板1分離開，分離距離15為100mm（如圖5、圖6所示）。餘同實施例1。

以JYT多晶矽鑄錠爐的G5改造成G7為例，鑄錠重量有500公斤提高到1200公斤，如果簡單採用隔熱籠提升的長晶方案，其長晶時間需要52個小時左右，而總的工藝時間為90小時；而採用本發明多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置後，其長晶時間縮短至42個小時，且總的工藝時間縮短為81小時。由於長晶期間，功率保持恆定為70-75千瓦左右，則每個錠可以節省電耗約700-750度，而生產效率提高約10%-13%。同時，鑄錠良率約提高1%，可以多產矽片450片/錠，以目前多晶矽片6.5元人民幣/片計，則增加收入2925元人民幣；此外，矽片的平均轉換效率提高了0.1%的絕對值（轉換效率從17.75%提高至17.85%）。

實施例4

本實施例與實施例1的區別僅在於：支撐桿3為石墨桿；底部小保溫板2橫截面為倒T字形且其俯視圖為矩形（如圖11所示），底部大保溫板1對應配合孔的橫截面為倒T字形；當熔化完畢進入長晶階段時，啟動升降裝置7使底部小保溫板2與底部大保溫板1分離開，分離距離15為180mm。餘同實施例1。

以JYT多晶矽鑄錠爐的G6改造成G7為例，鑄錠重量有800公斤提高到1200公斤，如果簡單採用隔熱籠提升的長晶方案，其長晶時間需要52個小時左右，而總的工藝時間為92小時；而採用本發明多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置後，其長晶時間縮短至41個小時，且總的工藝時間縮短為82小時。由於長晶期間，功率保持恆定為70-75千瓦左右，則每個錠可以節省電耗約770-825度，而生產效率提高約11%-15%。同時，鑄錠良率約提高1.1%，可以多產矽片500片/錠，以目前多晶矽片6.5元人民幣/片計，則增加收入3250元人民幣；此外，矽片的平均轉換效率提高了0.1%的絕對值（轉換效率從17.75%提高至17.85%）。

實施例5

本實施例與實施例1的區別僅在於：支撐桿3為炭-炭複合材料桿；底部小保溫板2橫截面為倒T字形且其俯視圖為圓形（如圖12所示），底部大保溫板1對應配合孔的橫截面為倒T字形；當熔化完畢進入長晶階段時，啟動升降裝置7使底部小保溫板2與底部大保溫板1分離開，分離距離15為300mm。餘同實施例1。

以JYT多晶矽鑄錠爐的G6改造成G7為例，鑄錠重量有800公斤提高到1200公斤，如果簡單採用隔熱籠提升的長晶方案，其長晶時間需要52個小時左右，而總的工藝時間為92小時；而採用本發明多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置後，其長晶時間縮短至40個小時，且總的工藝時間縮短為82小時。由於長晶期間，功率保持恆定為70-75千瓦左右，則每個錠可以節省電耗約840-900度，而生產效率提高約12%-15%。同時，鑄錠良率約提高1.1%，可以多產矽片500片/錠，以目前多晶矽片6.5元人民幣/片計，則增加收入3250元人民幣；此外，矽片的平均轉換效率提高了0.1%的絕對值（轉換效率從17.75%提高至17.85%）。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何修改、變更以及等效結構變換，均仍屬本發明技術方案的保護範圍。

1‧‧‧底部大保溫板
2‧‧‧小保溫板
3‧‧‧支撐桿
4‧‧‧上螺母
5‧‧‧墊板
6‧‧‧伸縮管
7‧‧‧升降裝置
8‧‧‧升降桿
9‧‧‧伺服電機
10‧‧‧密封圈
11‧‧‧卡箍
12‧‧‧盲板
13‧‧‧波紋管
14‧‧‧快換接頭
15‧‧‧分離距離
16‧‧‧下螺母
17‧‧‧固液界面
18‧‧‧下爐體
19‧‧‧上爐體
20‧‧‧C形卡

圖1為矽料熔化時本發明多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置結構示意圖； 圖2為圖1的A部分局部放大圖； 圖3為本發明多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置中伸縮管結構示意圖； 圖4為長晶時本發明多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置結構示意圖； 圖5為圖4中的升降裝置替換為C形卡的結構示意圖； 圖6為圖5的B部分局部放大圖； 圖7為圖1、圖4或圖5中矩形底部小保溫板俯視圖； 圖8為圖1、圖4或圖5中圓形底部小保溫板俯視圖； 圖9為矽料熔化時底部小保溫板橫截面呈倒T字形結構示意圖； 圖10為長晶時底部小保溫板橫截面呈倒T字形結構示意圖； 圖11為圖9或圖10中矩形底部小保溫板俯視圖； 圖12為圖9或圖10中圓形底部小保溫板俯視圖。

1‧‧‧底部大保溫板

2‧‧‧小保溫板

3‧‧‧支撐桿

4‧‧‧上螺母

5‧‧‧墊板

6‧‧‧伸縮管

7‧‧‧升降裝置

8‧‧‧升降桿

9‧‧‧伺服電機

15‧‧‧分離距離

16‧‧‧下螺母

17‧‧‧固液界面

18‧‧‧下爐體

19‧‧‧上爐體

Claims (10)

1. 一種多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，包括底部小保溫板（2），支撐桿（3），伸縮管（6），升降裝置（7）；用上螺母（4）和下螺母（16）將所述底部小保溫板（2）固定在支撐桿（3）的上部；所述支撐桿（3）的下部穿伸至伸縮管（6）底部；所述伸縮管（6）上端與爐體相連，伸縮管（6）下端與升降裝置（7）相連接；其中在所述升降裝置（7）的控制下底部小保溫板（2）可以沿支撐桿（3）的軸向上下運動。
2. 如請求項1所述的多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，其中所述升降裝置（7）由升降桿（8）和伺服電機（9）組成，升降桿（8）沿伺服電機（9）可以上下運動，從而帶動支撐桿（3）上部的底部小保溫板（2）上下運動。
3. 如請求項1所述的多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，其中所述升降裝置（7）替換為C形卡（20），在所述C形卡（20）的控制下底部小保溫板（2）可以沿支撐桿（3）的軸向上下運動。
4. 如請求項1所述的多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，其中所述伸縮管（6）由波紋管（13）與快換接頭（14）密封焊接而成；所述伸縮管（6）上端與爐體相連處設有密封圈（10），用卡箍（11）固定；伸縮管（6）下端與盲板（12）相連處設有密封圈（10），用卡箍（11）固定。
5. 如請求項1所述的多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，其中所述底部小保溫板（2）與下螺母（16）之間還設置有墊板（5）。
6. 如請求項1至5任意一請求項所述的多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，其中所述支撐桿（3）可以為桿件或者管件，材料可以是鉬、鎢、不鏽鋼、石墨或炭-炭複合材料中的一種。
7. 如請求項1至5任意一請求項所述的多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，其中所述底部小保溫板（2）橫截面為矩形或倒T字形，底部大保溫板（1）對應配合孔的橫截面為矩形或倒T字形。
8. 如請求項1至5任意一請求項所述的多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，其中所述底部小保溫板（2）俯視圖為圓形或矩形，底部大保溫板（1）對應配合孔俯視圖為圓形或矩形。
9. 如請求項1至5任意一請求項所述的多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置，其中所述底部小保溫板（2）與底部大保溫板（1）的豎直分離距離（15）為10～300mm。
10. 一種多晶矽鑄錠爐，包括下爐體（18），上爐體（19），其中所述多晶矽鑄錠爐具有請求項1至9任意一請求項所述的多晶矽鑄錠爐底部小保溫板活動裝置。