TWI541396B - 用於晶碇鑄造爐的冷卻裝置及鑄造晶碇之方法 - Google Patents

Description

用於晶碇鑄造爐的冷卻裝置及鑄造晶碇之方法

本發明係與晶碇鑄造有關；特別是指一種用於晶碇鑄造爐的冷卻裝置及鑄造晶碇之方法。

按，太陽能是最乾淨且取之不盡的能源，為滿足日益增加的太陽能電池使用需求，以及降低太陽能電池的製作成本，目前製作太陽能電池所使用的晶片多是取自於以可大量生產的定向凝固法所製作之晶碇。

圖1所示者為習用之定向凝固法的晶碇鑄造爐1，包含有一爐體10，以及設置於該爐體內部的一坩堝12、一絕緣籠14、複數個加熱器16。其中，該坩堝12係呈矩形，其底部具有四個角落。該坩堝12供放置複數個晶種18及固態之矽原料20。該些加熱器16設置於該坩堝12的上方及四側周壁的外圍，該些加熱器16受控制對該坩堝12加熱。該絕緣籠14罩設於該坩堝12及該些加熱器16外，該絕緣籠14用以保持該坩堝12的溫度，且該絕緣籠14可相對該坩堝12往上或往下移動，藉以控制該坩堝12的溫度梯度之變化，達到使該坩堝12中的矽原料20及部分的晶種18熔化或凝固的效果，以鑄造成晶碇。

由於該些加熱器16位於該坩堝12四側周壁外圍，因此，在該坩堝12的各個角落區域附近的加熱器16產 生之熱能將過度集中於該坩堝12的角落區域，使得各個角落區域的溫度偏高，矽原料20熔化速度較快，在矽原料20熔化的階段，將造成熔融狀態的矽原料20之頂部與氣體的界面不平整，呈現中央區域凸起之形狀，而隨著該坩堝12中固態矽原料20往下熔化至接近該些晶種18時，角落區域的晶種18將較中央區域的晶種18提早熔化。當中央區域的晶種18頂部熔化時，角落區域的晶種18早已完全熔化，產生熔化不均的情形，如此，將使得角落區域的晶種18無法引晶，遂造成晶碇品質下降，進而影響晶碇切成晶片後所製成的太陽能電池之轉換效率。

為了避免角落區域的晶種18完全熔化，目前常用的方法係在角落區域的晶種18尚未完全熔化的狀況下，即控制該坩堝12的溫度梯度之變化，使已熔化的晶種18及矽原料20冷卻凝固，以使角落區域的晶種18可引晶，惟，在角落區域的晶種18尚未完全熔化的狀態下，中央區域部分的晶種18頂部仍未開始熔化，如此，將使得中央區域部分的晶種18無法引晶，造成鑄造完成的晶碇之底部中央區域處的品質下降，無法被利用，必須捨去，使得晶碇可用長度減少。

又如中國大陸專利公開號CN202297866、CN102071454、CN201713604、及CN102268728等專利文獻，該些專利所揭示的晶碇鑄造爐皆是在熔化的矽原料凝固結晶的階段，利用位於坩堝下方的冷卻裝置來控制坩堝中矽原料固-液界面的平整，藉以提升晶碇品質。然，該些晶碇鑄造爐仍舊存在著在矽原料熔化的階段中，坩堝底部角落區域的晶種完全熔化的疑慮。

是以，習用的晶碇鑄造爐之設計仍未臻完善，尚有待改進之處。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種用於晶碇鑄造爐的冷卻裝置及鑄造晶碇之方法，可避免坩堝中位於角落區域的晶種完全熔化。

緣以達成上述目的，本發明所提供之用於晶碇鑄造爐的冷卻裝置，該晶碇鑄造爐包括有一坩堝，該坩堝底部具有至少一個角落，該冷卻裝置位於該坩堝下方，包括有一基座，該基座具有至少一個冷卻槽，該冷卻槽對應該坩堝底部之該角落，該基座另具有至少一供流體通過的通道，該通道連通該冷卻槽與該基座外部。

本發明所提供鑄造晶碇之方法包含有下列步驟：將複數個晶種放置於一坩堝內的底部，以形成一晶種層，其中該坩堝的底部具有至少一角落；將固態之矽原料放入該坩堝中，使其等堆疊於該晶種層上；加熱該坩堝，以將矽原料及該晶種層頂部熔化成液態，其中，在加熱過程中係對該坩堝底面的該角落區域進行冷卻，使該晶種層的底部維持為固態；冷卻該坩堝，以自該晶種層頂部往上凝固結晶，直到所有的矽原料亦凝固結晶為止；凝固後晶種層及矽原料共同形成一晶碇。

本發明之效果在於利用冷卻裝置對坩堝底部的角落區進行冷卻，有效地避免位於角落區的晶種層底部熔化。

〔習用〕

1‧‧‧晶碇鑄造爐

10‧‧‧爐體

12‧‧‧坩堝

14‧‧‧絕緣籠

16‧‧‧加熱器

18‧‧‧晶種

20‧‧‧矽原料

〔本發明〕

2‧‧‧晶碇鑄造爐

22‧‧‧爐體

24‧‧‧坩堝

26‧‧‧絕緣籠

28‧‧‧加熱器

30‧‧‧冷卻裝置

32‧‧‧基座

322‧‧‧頂面

324‧‧‧通道

326‧‧‧導槽

328‧‧‧環槽

328a‧‧‧出口

34‧‧‧冷卻槽

36‧‧‧進氣管

38‧‧‧晶種

40‧‧‧晶種層

42‧‧‧矽原料

44‧‧‧冷卻裝置

46‧‧‧基座

462‧‧‧通道

464‧‧‧出口

48‧‧‧冷卻槽

50‧‧‧冷卻裝置

52‧‧‧基座

522‧‧‧頂面

524‧‧‧環槽

524a‧‧‧出口

526‧‧‧通道

528‧‧‧導槽

54‧‧‧冷卻槽

56‧‧‧冷卻裝置

58‧‧‧頂板

60‧‧‧接管

圖1為習用的晶碇鑄造爐之示意圖。

圖2為本發明第一較佳實施例之晶碇鑄造爐示意圖

圖3為本發明第一較佳實施例之冷卻裝置立體圖。

圖4為本發明第一較佳實施例之冷卻裝置俯視圖。

圖5為本發明第一較佳實施例鑄造晶碇之方法。

圖6為本發明第二較佳實施例之冷卻裝置立體圖。

圖7為本發明第二較佳實施例之冷卻裝置俯視圖。

圖8為本發明第三較佳實施例之冷卻裝置立體圖。

圖9為本發明第三較佳實施例之冷卻裝置俯視圖。

圖10為本發明第四較佳實施例之冷卻裝置立體圖。

為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如后，請參圖2至圖4所示，為本發明第一較佳實施例之晶碇鑄造爐2，該晶碇鑄造爐2包含有一爐體22、一坩堝24、一絕緣籠26、複數個加熱器28與本發明之冷卻裝置30。其中，該坩堝24係呈矩形，其底部具有四個角落，該坩堝24供放置複數個晶種38及固態之矽原料42，且該坩堝24設置於該冷卻裝置30上。該爐體22、該絕緣籠26、該些加熱器28與習用的晶碇鑄造爐1相同，於此容不贅述。

在本實施例中，該冷卻裝置30包含有一基座32以及形成該基座32上的複數個冷卻槽34。該基座32供承載該坩堝24，該基座32具有一頂面322，該頂面322接觸該坩堝24的底面。該些冷卻槽34係自該坩堝24的頂面322凹陷形成，且該些冷卻槽34分別對應該坩堝24底部的四個角落之區域。此外，該基座32另具有二個供以鈍氣為例的流體通過之通道324，該二通道324分別連通位於斜對角的二個冷卻槽34與該基座32的外部。具體而言，其中一 該通道324貫穿一該冷卻槽34的槽面與該基座32的底面，而另一該通道324則位於該基座的一導槽326中，且貫穿該導槽326的槽面與該基座32的底面，該導槽326的另一端與一該冷卻槽34相通。該基座32下方設置有一進氣管36，該進氣管36連通該二通道324，供注入鈍氣(例如氬氣)至該基座32中。

此外，該基座32上更設置有一環槽328，該環槽328環繞該基座32頂面322周緣，且自該基座32的頂面322凹陷形成。該環槽328連通該些冷卻槽34，使該些冷卻槽34彼此相通，該環槽328具有二個出口328a，該二出口328a形成於該基座32的周面上且連通其中二個位於斜對角的冷卻槽34與該基座32外部。

利用上述之晶碇鑄造爐2即可進行圖5所示鑄造晶碇之方法，該方法包含下列步驟：首先，將該些晶種38放置於該坩堝24內的底部，以形成一晶種層40。再將固態的矽原料42放入該坩堝24中，使其堆疊於該晶種層40上。

接著進行加熱步驟，加熱該坩堝24以將矽原料42及該晶種層40頂部熔化成液態。其中，在該絕緣籠26罩住該坩堝24後，控制該些加熱器28加熱，並控制加熱溫度及加熱時間，使該坩堝24內的矽原料42開始熔化。在矽原料42熔化後，利用一石英棒(圖未示)由該坩堝24的頂部伸入熔化成液態之矽原料42中，藉以探測該坩堝24內部剩餘的固態矽原料42之高度。

在所探測的固態矽原料42高度低於一預定高度時，開始自該進氣管36注入鈍氣。所注入的鈍氣自對應的兩個冷卻槽34經由環槽328流通至另外兩個冷卻槽34，再由該二出口328a流出該基座32外。如此，即可利用通入 之鈍氣帶走該坩堝24底部之部分熱能，以對該坩堝24底面的該四個角落區域進行冷卻，使該晶種層40的底部維持為固態，避免讓於位於角落區域的晶種層40，因附近的加熱器28產生之熱能過度集中於角落區域而使得角落區域的晶種層40完全熔化。值得一提的是，通過該環槽328的鈍氣亦同時對該坩堝24底面的周緣進行冷卻，亦可確保位於周緣的晶種層40之底部保持為固態。

在全部的矽原料42熔化成液態以及該晶種層40頂部開始熔化後，控制該絕緣籠26逐漸往上提升，並控制該絕緣籠26的開度，使內部的熱從開啟的縫隙散去。使該坩堝24底部的晶種層40的溫度下降至熔點溫度以下而凝固結晶。隨著該絕緣籠26逐漸往上升，該坩堝24內的矽原料42之固/液態界面亦逐漸往上提升，直到該坩堝24內的矽原料42全部凝固結晶。藉此，凝固後晶種層40及矽原料42共同形成一晶碇。

依據發明人的實驗，每一該冷卻槽34的正投影範圍的面積為該坩堝24底面面積的16%以下，可產生良好的冷卻角落區域之效果同時亦不影響位於中央區域之晶種層40頂部的溫度，藉以讓該晶種層40的頂部可以均勻的熔化，不會有熔化不均的情形產生。

在上述中，在固態矽原料42熔化階段，利用冷卻裝置30對該坩堝24的角落區域進行冷卻，可有效地讓晶種層40的底部維持為固態，且不影響位於中央區域之晶種層40的溫度。如此，有效改善習用的晶碇鑄造爐1在坩堝角落區域熱能過度集中使得角落的晶種完全熔化之缺點。實務上，若基座32大於坩堝24底部，且冷卻槽34涵蓋的範圍超出該坩堝24之外，使得冷卻槽34可直接連通基座32外部時，則不需設置該些出口328a即可讓鈍氣直接由 冷卻槽34與坩堝24之間排出基座32外。

圖6與圖7為本發明第二較佳實施例之冷卻裝置44，其具有大致相同於前述第一實施例之結構，不同的是，本實施例的基座46未設置環槽，且各個冷卻槽48各別連通一通道462以及一出口464。由各該通道462注入鈍氣後，鈍氣經由各該冷卻槽48由各該出口464排出，同樣具有對坩堝24的角落區域冷卻的效果。

圖8與圖9為本發明第三較佳實施例之冷卻裝置50，與前述各實施例不同的是，該基座52頂面522設置有複數個環槽524，該些環槽524彼此相隔一距離地環繞該基座52頂面522的周緣，且該些環槽524彼此相通。該基座52上具有二通道，一該通道526直接連通位於內圈的環槽524，另一該通道526透過一導槽528連通位於內圈的環槽524。位於外圈的環槽524具有一出口524a連通該基座52外部。藉此，該些環槽524對應於該坩堝24底部角落之部位構成冷卻槽54。自該二通道526通注入鈍氣後，鈍氣依序通過內圈及外圈的環槽524，藉以對該坩堝24底面的周緣及角落區域進行冷卻。

圖10所示為本發明第四較佳實施例之冷卻裝置56，其係以上述第一實施例為基礎，於該基座32上更設置有一頂板58，該頂板58結合於該基座32的頂面322，且該頂板58接觸該坩鍋24的底面。藉此，該些冷卻槽34即位於該冷卻裝置56之內部，而非顯露於外，如此，該些通道324即可通入冷卻用的液體，利用通過冷卻槽34的液體對冷卻槽34上方的頂板58之角落區域進行冷卻，而該基座32上出口328a的位置則設置有連通基座32內部的二接管60，該二接管60供回收自該二出口328a輸出的液體，以避免液體外漏。由於該頂板58接觸該坩堝24的底面，因此， 同樣具有對坩堝24的角落區域冷卻的效果。實務上，前述第二、第三實施例之基座46,52皆可設置本實施例之頂板58及接管60，如此即可通入冷卻用的液體。

前述各實施例中，基座上的冷卻槽係以四個為例，實務上，亦可依需求設置一個或一個以上的冷卻槽，以對應坩堝24需冷卻的之角落。

綜上所述，本發明之冷卻裝置可有效地對坩堝底部的角落區域進行冷卻，在鑄造晶碇過程中矽原料熔化的階段，有效地避免晶種層熔化不均勻，及保護角落的晶種不會完全熔化，使所有的晶種皆可進行引晶，以提升晶碇的品質及可用長度，對晶碇切片後可獲取高品質的晶片，藉以提升晶片製作成太陽能電池的轉換效率。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

2‧‧‧晶碇鑄造爐

22‧‧‧爐體

24‧‧‧坩堝

26‧‧‧絕緣籠

28‧‧‧加熱器

30‧‧‧冷卻裝置

32‧‧‧基座

36‧‧‧進氣管

38‧‧‧晶種

40‧‧‧晶種層

42‧‧‧矽原料

Claims (11)

1. 一種用於晶碇鑄造爐的冷卻裝置，該晶碇鑄造爐包括有一坩堝，該坩堝底部具有至少一個角落，該冷卻裝置位於該坩堝下方，包括有：一基座，具有一頂面及至少一個冷卻槽自該頂面凹陷形成，該頂面接觸該坩堝的一底面，該冷卻槽對應該坩堝底部之該角落，該基座另具有至少一供流體通過的通道，該通道連通該冷卻槽與該基座外部。
2. 如請求項1所述用於晶碇鑄造爐的冷卻裝置，其中該至少一角落的數量為複數個，該至少一冷卻槽的數量為複數個，每一冷卻槽對應一個角落，且該些冷卻槽藉由一環槽而彼此相通，該通道與其中一該冷卻槽相通，該環槽具有至少一出口連通該基座外部。
3. 如請求項1所述用於晶碇鑄造爐的冷卻裝置，其中該至少一角落的數量為複數個，該至少一冷卻槽的數量為複數個，該至少一通道的數量為複數個，每一冷卻槽對應一個角落，且每一通道各別連通對應的一該冷卻槽。
4. 如請求項3所述用於晶碇鑄造爐的冷卻裝置，其中該基座具有複數個出口連通該基座外部與對應的冷卻槽。
5. 如請求項1所述用於晶碇鑄造爐的冷卻裝置，其中該至少一角落的數量為複數個，該基座具有複數個環槽，該些環槽彼此相隔一距離地環繞該基座頂面的周緣，該些環槽彼此相通，該些環槽中至少一者連通該通道，該些環槽對應於該坩堝底部角落之部位構成冷卻槽。
6. 如請求項5所述用於晶碇鑄造爐的冷卻裝置，其中該些環槽中至少一者具有至少一出口連通該基座外部。
7. 如請求項1所述用於晶碇鑄造爐的冷卻裝置，其中該冷卻槽的正投影範圍面積為該坩堝底面面積的16%以下。
8. 一種鑄造晶碇之方法，包含有下列步驟：將複數個晶種放置於一坩堝內的底部，以形成一晶種層，其中該坩堝的底部具有至少一角落；將固態之矽原料放入該坩堝中，使其等堆疊於該晶種層上；加熱該坩堝，以將矽原料及該晶種層頂部熔化成液態，其中，在加熱過程中係對該坩堝底面的該角落區域進行冷卻，使該晶種層的底部維持為固態；以及冷卻該坩堝，以自該晶種層頂部往上凝固結晶，直到所有的矽原料亦凝固結晶為止；藉此，凝固後晶種層及矽原料共同形成一晶碇。
9. 如請求項8所述鑄造晶碇之方法，其中在加熱該坩堝的過程中，係探測該坩堝內部固態之矽原料的高度，且於所探測的高度低於一預定高度時開始對該坩堝底面的該角落區域進行冷卻。
10. 如請求項9所述鑄造晶碇之方法，其中在加熱該坩堝的過程中，更包括對該坩堝底面的周緣進行冷卻。
11. 如請求項8所述鑄造晶碇之方法，其中在加熱該坩堝的過程中，該坩堝底面受冷卻的該角落區域之面積佔該坩堝底面面積的16%以下。