多晶硅鑄錠爐的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種能夠使鑄錠的電阻率均勻分布的多晶硅鑄錠爐。該多晶硅鑄錠爐的進氣管的出氣口延伸至靠近坩堝內(nèi)壁的位置并且從出氣口噴出的氣流的中心軸線與坩堝的中心軸線之間的夾角為20℃～30℃，當氬氣從進氣管的出氣口噴出時是斜向下噴向硅液表面的，由原來的直吹改為斜吹，而且從出氣口噴出的氣流的中心軸線和坩堝的中心軸線為異面直線，因此，斜向下噴出的氣流會帶動坩堝內(nèi)的硅液旋轉，從而使硅液中含有的雜質(zhì)在硅溶液中得到充分擴散，使液相成分分布均勻，避免凝固后的鑄錠中存在雜質(zhì)富集區(qū)，保證鑄錠的電阻率分布均勻，而且坩堝內(nèi)的硅液被攪動，可以促使硅液中含有的可揮發(fā)雜質(zhì)盡快揮發(fā)。適合在多晶硅生產(chǎn)設備領域推廣應用。
【專利說明】多晶娃鑄錠爐
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及多晶硅生產(chǎn)設備領域，尤其是一種多晶硅鑄錠爐。
【背景技術】
[0002]太陽能電池可以將光能轉換為電能，是現(xiàn)代節(jié)能社會發(fā)展的一個重點。根據(jù)基體材料的不同，現(xiàn)有的太陽能電池分為多晶硅太陽能電池、單晶硅太陽能電池和類單晶硅太陽能電池。其中，單晶硅太陽能電池的轉化效率高，但生產(chǎn)成本也高，多晶硅太陽能電池的轉化效率比單晶硅太陽能電池低1%_2%，但其生產(chǎn)成本也低，而類單晶硅太陽能電池是介于單晶硅電池和多晶硅太陽能電池之間的電池。綜合考慮，目前市場上的太陽能電池仍以多晶硅太陽能電池為主。
[0003]現(xiàn)有用于生產(chǎn)多晶硅太陽能電池的多晶硅錠通常采用鑄錠工藝制的，鑄錠工藝一般是通過多晶硅鑄錠爐實現(xiàn)的，現(xiàn)有的多晶硅鑄錠爐包括，包括爐體，爐體上設置有抽氣孔，所述爐體內(nèi)設置有下托保溫板與保溫罩，保溫罩放置在下托保溫板上，保溫罩與下托保溫板共同構成保溫隔熱籠，所述保溫罩上連接有能夠使保溫罩上下移動的升降桿，所述保溫隔熱籠內(nèi)設置有坩堝、坩堝護板、石墨底板、石墨蓋板、側部加熱器、頂部加熱器、熱交換平臺，所述石墨底板放置在熱交換平臺上，坩堝放置在石墨底板上，坩堝護板設置在坩堝外偵牝側部加熱器設置在坩堝護板的外側，石墨蓋板設置在坩堝上方，頂部加熱器設置在石墨蓋板上方，所述熱交換平臺通過石墨立柱固定在爐體底部，坩堝護板的上端設置有尾氣排放孔，還包括進氣管，所述進氣管依次穿過爐體、保溫罩、頂部加熱器、石墨蓋板后伸入坩堝內(nèi)。
[0004]目前的鑄錠工藝，首先是經(jīng)過噴涂-裝料工序后，再進入鑄錠工序。
[0005]噴涂:硅料高溫熔化后會與坩堝發(fā)生反應，引入雜質(zhì)，并且造成粘鍋，影響硅錠的質(zhì)量，所以需要在坩堝與硅料之間噴涂一層氮化硅溶液，利用氮化硅可以有效的隔離硅料與坩堝，氮化硅溶液噴涂完成以后，再進行高溫烘干，將氮化硅溶液中的水分蒸發(fā)，就可以使坩堝內(nèi)壁附著一層氮化硅涂層。
[0006]裝料:坩堝烘干以后，將散碎的硅料，按順序、要求及重量將硅料裝入坩堝中。
[0007]裝完料的坩堝就可以進行下一步的鑄錠工藝，首先將裝好料的坩堝裝入鑄錠爐的爐體內(nèi)，按要求裝好后，將鑄錠爐合蓋，合蓋以后的鑄錠爐，就形成一個密封的腔室，將裝好硅料的坩堝密封在鑄錠爐內(nèi)部，開始運行鑄錠工藝，整個鑄錠工藝分6個過程，抽真空-加熱_熔化_長晶_退火_冷卻。
[0008]S11、抽真空:將爐體內(nèi)的空氣從抽氣孔抽走，防止升溫的過程中空氣中的氧氣與硅料發(fā)生氧化反應，影響硅錠質(zhì)量。抽真空是利用真空泵將爐體內(nèi)的空氣抽出，直到達到設備開啟要求。
[0009]S12、加熱:抽真空完成以后，進入加熱階段，加熱是為了快速使硅料升溫接近熔化溫度，此時爐腔內(nèi)的環(huán)境為真空環(huán)境，可以有利于將附著在硅料表面的水蒸氣，通過抽真空的方法抽出，并且快速升溫。[0010]S13、熔化:熔化過程中，需要在密封的腔室內(nèi)填充氬氣，避免附著在坩堝內(nèi)壁的氮化硅涂層發(fā)生分解反應，氬氣是通過進氣管充入爐體內(nèi)。熔化開始后，爐體內(nèi)開始充氣，按工藝程序充氣到規(guī)定壓力后，開始動態(tài)保持。
[0011]S14、長晶:熔化完成的硅料，開始進行長晶，長晶的過程是將爐體內(nèi)部的保溫罩向上升，液態(tài)硅從底部開始散熱，底部的液態(tài)硅變成固態(tài)硅，并伴隨著保溫罩的上升及熱量的散失，緩慢向上凝固，直至整個硅錠凝固完成。
[0012]S15、退火:由于長晶過程在底部開始，并伴隨保溫罩升起，直至頂部，這樣頂?shù)字g因為散熱的原因，就會存在一定得溫度差，產(chǎn)生內(nèi)應力。退火的作用就是在保證恒溫環(huán)境下，消除溫度差，從而消除內(nèi)應力。
[0013]S16、冷卻:在爐腔內(nèi)快速冷卻硅錠到出爐溫度。
[0014]從上述工藝過程中不難看出，現(xiàn)有工藝是通過在熔化過程中采用自由揮發(fā)狀態(tài)將硅溶液中的易揮發(fā)雜質(zhì)揮發(fā)掉。但是，硅料熔化后時間過長會導致坩堝內(nèi)部氮化硅涂層的破壞，所以，一般硅料熔化完成后就會開始降溫到長晶溫度，自由揮發(fā)時間較短，大部分的可揮發(fā)雜質(zhì)還沒有進行揮發(fā)，就進入長晶階段，將雜質(zhì)凝固在硅錠中，而且此時硅液的粘度較大，不可揮發(fā)的雜質(zhì)以及可揮發(fā)的雜質(zhì)沒有在硅溶液中得到充分擴散，液相成分分布不均，導致凝固后的鑄錠中存在雜質(zhì)富集區(qū)，致使鑄錠的電阻率分布不均勻，嚴重影響到鑄錠本身的質(zhì)量和性能。
實用新型內(nèi)容
[0015]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種能夠使鑄錠的電阻率均勻分布的多晶娃鑄淀爐。
[0016]本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:該多晶硅鑄錠爐，包括爐體，爐體上設置有抽氣孔，所述爐體內(nèi)設置有下托保溫板與保溫罩，保溫罩放置在下托保溫板上，保溫罩與下托保溫板共同構成保溫隔熱籠，所述保溫罩上連接有能夠使保溫罩上下移動的升降桿，所述保溫隔熱籠內(nèi)設置有坩堝、坩堝護板、石墨底板、石墨蓋板、側部加熱器、頂部加熱器、熱交換平臺，所述石墨底板放置在熱交換平臺上，坩堝放置在石墨底板上，坩堝護板設置在坩堝外側，側部加熱器設置在坩堝護板的外側，石墨蓋板設置在坩堝上方，頂部加熱器設置在石墨蓋板上方，所述熱交換平臺通過石墨立柱固定在爐體底部，坩堝護板的上端設置有尾氣排放孔，還包括進氣管，所述進氣管依次穿過爐體、保溫罩、頂部加熱器、石墨蓋板后伸入坩堝內(nèi)，所述進氣管的出氣口延伸至靠近坩堝內(nèi)壁的位置并且從出氣口噴出的氣流的中心軸線與坩堝的中心軸線之間的夾角為20°C?30°C，從出氣口噴出的氣流的中心軸線和坩堝的中心軸線為異面直線。
[0017]進一步的是，從出氣口噴出的氣流的中心軸線與坩堝的中心軸線之間的夾角為28。。。
[0018]進一步的是，所述石墨蓋板上設置有多個通孔。
[0019]進一步的是，所述爐體底部安裝有溢流毯，所述溢流毯為四層結構，從上到下依次為針織陶瓷纖維毯層、針織陶瓷纖維毯層、陶瓷纖維毯層、碳氈層，所述針織陶瓷纖維毯層的厚度為10mm、針織陶瓷纖維毯層的厚度為10mm、陶瓷纖維毯層的厚度為25mm、碳氈層的厚度為10mm。[0020]進一步的是，所述溢流毯的上表面安裝有溢流絲。
[0021]進一步的是，在相鄰的石墨立柱之間均設置有溢流絲。
[0022]進一步的是，所述下托保溫板上設置有多個溢流孔。
[0023]進一步的是，所述坩堝與坩堝護板之間設置有碳氈。
[0024]進一步的是，所述尾氣排放孔為圓孔。
[0025]本實用新型的有益效果是:本實用新型所述進氣管的出氣口延伸至靠近坩堝內(nèi)壁的位置并且從出氣口噴出的氣流的中心軸線與坩堝的中心軸線之間的夾角為20°C?30 V，當氬氣從進氣管的出氣口噴出時是斜向下噴向硅液表面的，由原來的直吹改為斜吹，而且從出氣口噴出的氣流的中心軸線和坩堝的中心軸線為異面直線，因此，斜向下噴出的氣流會帶動坩堝內(nèi)的硅液旋轉，從而使硅液中含有的雜質(zhì)在硅溶液中得到充分擴散，使液相成分分布均勻，避免凝固后的鑄錠中存在雜質(zhì)富集區(qū)，保證鑄錠的電阻率分布均勻，而且坩堝內(nèi)的硅液被攪動，可以促使硅液中含有的可揮發(fā)雜質(zhì)盡快揮發(fā)，從而保證鑄錠本身的質(zhì)量和性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本實用新型多晶硅鑄錠爐的結構示意圖；
[0027]圖2是本實用新型所述石墨蓋板的結構示意圖；
[0028]圖3是本實用新型所述溢流毯的結構示意圖；
[0029]圖4是本實用新型所述坩堝護板的結構示意圖；
[0030]圖中標記為:爐體1、抽氣孔2、下托保溫板3、保溫罩4、升降桿5、坩堝6、坩堝護板7、石墨底板8、石墨蓋板9、側部加熱器10、頂部加熱器11、熱交換平臺12、尾氣排放孔13、進氣管14、出氣口 15、通孔17、溢流毯18、溢流絲19、溢流孔20、碳氈21、石墨立柱22。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖對本實用新型進一步說明。
[0032]如圖1至4所示，該多晶硅鑄錠爐，包括爐體1，爐體I上設置有抽氣孔2，所述爐體I內(nèi)設置有下托保溫板3與保溫罩4，保溫罩4放置在下托保溫板3上，保溫罩4與下托保溫板3共同構成保溫隔熱籠，所述保溫罩4上連接有能夠使保溫罩4上下移動的升降桿5，所述保溫隔熱籠內(nèi)設置有坩堝6、坩堝護板7、石墨底板8、石墨蓋板9、側部加熱器10、頂部加熱器11、熱交換平臺12，所述石墨底板8放置在熱交換平臺12上，坩堝6放置在石墨底板8上，坩堝護板7設置在坩堝6外側，側部加熱器10設置在坩堝護板7的外側，石墨蓋板9設置在坩堝6上方，頂部加熱器11設置在石墨蓋板9上方，所述熱交換平臺12通過石墨立柱22固定在爐體I底部，坩堝護板7的上端設置有尾氣排放孔13，還包括進氣管14，所述進氣管14依次穿過爐體1、保溫罩4、頂部加熱器11、石墨蓋板9后伸入坩堝6內(nèi)，所述進氣管14的出氣口 15延伸至靠近坩堝6內(nèi)壁的位置并且從出氣口 15噴出的氣流的中心軸線與坩堝6的中心軸線之間的夾角為20°C?30°C，從出氣口 15噴出的氣流的中心軸線和坩堝6的中心軸線為異面直線。本實用新型所述進氣管14的出氣口 15延伸至靠近坩堝6內(nèi)壁的位置并且從出氣口 15噴出的氣流的中心軸線與坩堝6的中心軸線之間的夾角為20°C?30°C，當氬氣從進氣管14的出氣口 15噴出時是斜向下噴向硅液表面的，由原來的直吹改為斜吹，而且從出氣口 15噴出的氣流的中心軸線和坩堝6的中心軸線為異面直線，因此，斜向下噴出的氣流會帶動坩堝6內(nèi)的硅液旋轉，從而使硅液中含有的雜質(zhì)在硅溶液中得到充分擴散，使液相成分分布均勻，避免凝固后的鑄錠中存在雜質(zhì)富集區(qū)，保證鑄錠的電阻率分布均勻，，而且坩堝6內(nèi)的硅液被攪動，可以促使硅液中含有的可揮發(fā)雜質(zhì)盡快揮發(fā)，從而保證鑄錠本身的質(zhì)量和性能。
[0033]在上述實施方式中，為了使氬氣盡可能能夠推動坩堝6內(nèi)的硅液旋轉，從出氣口15噴出的氣流的中心軸線與坩堝6的中心軸線之間的夾角為28°C，可以使坩堝6內(nèi)的硅液更快的旋轉，使液相成分分布更加均勻，并且促使硅液中含有的可揮發(fā)雜質(zhì)盡快揮發(fā)。
[0034]在長晶過程中，坩堝6內(nèi)部從上到下需具有一定的溫度梯度，即坩堝6內(nèi)的溫度從上向下逐漸減小，溫度梯度變化越明顯，鑄錠的生長速度越快，坩堝6內(nèi)上部的溫度主要是靠頂部加熱器11提供，頂部加熱器11的熱量透過石墨蓋板9后再傳遞到坩堝6內(nèi)，由于經(jīng)過石墨蓋板9的阻隔，石墨蓋板9上方的溫度要高于石墨蓋板9下方的溫度，由于現(xiàn)有的多晶硅鑄錠爐的側部加熱器10和頂部加熱器11都是統(tǒng)一控制的，而且在長晶階段，溫度必須控制在一定的范圍，這就是使得側部加熱器10和頂部加熱器11都只能以相同的功率工作，也就是說側部加熱器10和頂部加熱器11提供的熱量是一定的，若要使坩堝6內(nèi)上部的溫度較高，就必須使更多熱量能夠透過石墨蓋板9傳遞到坩堝6內(nèi)，從而使坩堝6內(nèi)溫度梯度變化明顯，本實用新型提供了一種簡單有效的方式來達到坩堝6內(nèi)溫度梯度變化明顯的目的，即在所述石墨蓋板9上設置有多個通孔17，通過在石墨蓋板9上設置多個通孔17，頂部加熱器11的熱量可以毫無阻隔的通過通孔17傳遞到坩堝6內(nèi)，使得坩堝6內(nèi)上部的溫度相對于原來而言能夠有所提高，從而使坩堝6內(nèi)的溫度梯度變化明顯，進而增加鑄錠的生長速度，這種方式只需在原有的石墨蓋板9上打幾個通孔17即可，基本不會增加成本，同時改裝也很方便。
[0035]多晶硅鑄錠爐在使用過程中，有時會發(fā)生硅液溢流的現(xiàn)象，一旦發(fā)生硅液溢流，溢流出的硅液會沿熱交換平臺12流到下方的下托保溫板3上，接著硅液再從下托保溫板3的邊緣滴落到爐體I的底部，由于硅液溫度較高，硅液很容易將爐體I燒穿從而引發(fā)事故，為了避免溢流的硅液將爐體I燒穿，所述爐體I底部安裝有溢流毯18，溢流毯18將溢流出的硅液與爐體I隔開，有效避免了硅液將爐體I燒穿，即使硅液將溢流毯18燒穿，此時硅液的溫度也較低，不會對爐體I造成太大的損失。為了防止硅液將溢流毯18燒穿，所述溢流毯18為四層結構，從上到下依次為針織陶瓷纖維毯層、針織陶瓷纖維毯層、陶瓷纖維毯層、碳氈層，所述針織陶瓷纖維毯層的厚度為10mm、針織陶瓷纖維毯層的厚度為10mm、陶瓷纖維毪層的厚度為25mm、碳租層的厚度為10mm。
[0036]為了使操作人員及時知曉是否發(fā)生了硅液溢流，所述溢流毯18的上表面安裝有溢流絲19，一旦發(fā)生硅液溢流，溢流出的硅液落在溢流毯18后就會將安裝在溢流毯18表面的溢流絲19燒斷，溢流絲19燒斷后會發(fā)出報警信號，提示操作人員進行相關操作。由于溢流的硅液很容易沿石墨立柱22向下流，因此，為了能夠及時快速的監(jiān)測溢流現(xiàn)象的發(fā)生，在相鄰的石墨立柱22之間均設置有溢流絲19。由于溢流的硅液流到下托保溫板3后要流到下托保溫板3的邊緣才能繼續(xù)向下流，這樣就導致溢流現(xiàn)象發(fā)生一段時間后才能監(jiān)測至IJ，這樣就增加了發(fā)生事故的幾率，因此，為了及時快速的監(jiān)測是否發(fā)生了硅液溢流現(xiàn)象，所述下托保溫板3上設置有多個溢流孔20，通過在下托保溫板3上設置溢流孔20，當硅液流到下托保溫板3后可以直接從溢流孔20流到下方的溢流毯18上，進而將設置在溢流毯18上設置的溢流絲19燒斷，從而達到快速監(jiān)測的目的。
[0037]另外，為了使坩堝6受熱更加均勻，所述坩堝6與坩堝護板7之間設置有碳氈21，側部加熱器10的熱量透過坩堝護板7后再透過碳氈21傳遞給坩堝6，由于碳氈21具有較好的隔熱保溫性能，因此，熱量不會快速透過碳氈21傳遞到坩堝6內(nèi)，這樣可以使熱量在透過碳氈21時得到均化，從而使坩堝6受熱均勻，可以提高產(chǎn)品的合格率。
[0038]為了更好的有利于雜質(zhì)的揮發(fā)，所述尾氣排放孔13為圓孔，原有的尾氣排放孔13為方形槽孔，尾氣從方形槽孔排出時，尾氣的氣流方向比較散亂，不規(guī)律，不利于雜質(zhì)的揮發(fā)，將其改為圓孔后，可以使尾氣的氣流方向有規(guī)律，從而有利于雜質(zhì)的揮發(fā)。
【權利要求】
1.多晶硅鑄錠爐，包括爐體(1)，爐體(I)上設置有抽氣孔(2)，所述爐體(I)內(nèi)設置有下托保溫板(3)與保溫罩(4)，保溫罩(4)放置在下托保溫板(3)上，保溫罩(4)與下托保溫板(3)共同構成保溫隔熱籠，所述保溫罩(4)上連接有能夠使保溫罩(4)上下移動的升降桿(5)，所述保溫隔熱籠內(nèi)設置有坩堝(6)、坩堝護板(7)、石墨底板(8)、石墨蓋板(9)、側部加熱器(10)、頂部加熱器(11)、熱交換平臺(12)，所述石墨底板(8)放置在熱交換平臺(12)上，坩堝(6)放置在石墨底板(8)上，坩堝護板(7)設置在坩堝(6)外側，側部加熱器(10)設置在坩堝護板(7 )的外側，石墨蓋板(9 )設置在坩堝(6 )上方，頂部加熱器(11)設置在石墨蓋板(9)上方，所述熱交換平臺(12)通過石墨立柱(22)固定在爐體(I)底部，坩堝護板(7)的上端設置有尾氣排放孔(13)，還包括進氣管(14)，所述進氣管(14)依次穿過爐體(I )、保溫罩(4)、頂部加熱器(11)、石墨蓋板(9)后伸入坩堝(6)內(nèi)，其特征在于:所述進氣管(14)的出氣口( 15 )延伸至靠近坩堝(6 )內(nèi)壁的位置并且從出氣口( 15 )噴出的氣流的中心軸線與坩堝(6)的中心軸線之間的夾角為20°C?30°C，從出氣口(15)噴出的氣流的中心軸線和坩堝(6)的中心軸線為異面直線。
2.如權利要求1所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于:從出氣口(15)噴出的氣流的中心軸線與坩堝(6)的中心軸線之間的夾角為28°C。
3.如權利要求1或2所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于:所述石墨蓋板(9)上設置有多個通孔(17)。
4.如權利要求3所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于:所述爐體(I)底部安裝有溢流毯(18)，所述溢流毯(18)為四層結構，從上到下依次為針織陶瓷纖維毯層、針織陶瓷纖維毯層、陶瓷纖維毯層、碳氈層，所述針織陶瓷纖維毯層的厚度為10mm、針織陶瓷纖維毯層的厚度為10mm、陶瓷纖維毪層的厚度為25mm、碳租層的厚度為10mm。
5.如權利要求4所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于:所述溢流毯(18)的上表面安裝有溢流絲(19)。
6.如權利要求5所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于:在相鄰的石墨立柱(22)之間均設置有溢流絲(19)。
7.如權利要求6所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于:所述下托保溫板(3)上設置有多個溢流孔(20)。
8.如權利要求7所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于:所述坩堝(6)與坩堝護板(7)之間設置有碳氈(21)。
9.如權利要求8所述的多晶硅鑄錠爐，其特征在于:所述尾氣排放孔(13)為圓孔。
【文檔編號】C30B29/06GK203530477SQ201320715347
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權日:2013年11月14日
【發(fā)明者】陳五奎, 李軍, 馬濤, 樊茂德, 徐文州, 馮加保 申請人:樂山新天源太陽能科技有限公司