铸造大重量硅锭的硅锭炉的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种铸造大重量硅锭的硅锭炉，包括石英坩埚、加热器、隔热挡板、散热窗口、隔热层、石墨护板和石墨底板，隔热层内壁上覆盖有反射保护层。本实用新型通过增加反射保护层和改变石墨护板结构，提高铸锭炉内部隔热层保温效果和硅锭四周温度，减少硅锭边缘位置晶体缺陷对光伏电池电性能的影响，从而使硅液四周边缘位置的杂质能更好的分凝到硅液上表面，在提高硅锭的合格率的同时提高铸锭炉产能。
【专利说明】铸造大重量娃锭的娃锭炉
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及多晶硅电池制造【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 太阳能发电是新兴的可再生能源技术，目前已实现工业化应用的主要为太阳能光 伏发电和太阳能光热发电。光伏是一种利用太阳能电池半导体材料的光伏效应，将太阳能 直接转换为电能的一种新型发电系统。近年来，光伏行业发展迅速。
[0003] 在太阳能电池硅锭生产中，理想硅锭内部杂质分布为，杂质在硅锭结晶过程中分 凝至最顶部位置积聚，无向下延伸斑点状、条状杂质，将硅锭顶部统一去除后，剩余部分均 可正常使用。实际生产中，采用顶部加热器的多晶铸锭炉，硅锭在定向结晶过程中，只有顶 部接收热量辐射，热场为坚直梯度方向，硅锭侧部在结晶过程中无法直接接收加热器热量。
[0004] 在热场结构及加热散热方式固有因素影响下，晶粒挤压，产生内部缺陷和热应力 不均现象，晶体在坚直方向结晶过程中出现凹凸不平液面，导致硅锭四周熔融硅迅速成核 并结晶生长，且不断向隔热层四壁辐射热量，导致硅锭四周熔融硅迅速成核并结晶生长，在 硅液内部形成边缘位置微"凹"形状的固液界面，造成熔融硅液边缘位置的杂质无法有效分 凝到硅液上表面，直接结晶到硅锭内部，严重影响硅锭的切割长度，造成硅锭合格率偏低。
[0005] 顶部加热器的多晶铸锭炉，由于上述热场因素影响，增加铸锭投料量，增加硅锭高 度则造成硅锭边缘底寿命区变厚，硅锭顶部杂质影响也会随之加剧，造成铸锭炉产能偏低。 实用新型内容
[0006] 本实用新型要解决的技术问题是提供一种铸造大重量硅锭的硅锭炉，利用反射保 护层的反射作用，提高铸锭炉内部隔热层保温效果和硅锭四周温度，减慢硅锭在结晶阶段 四周的结晶速度，从而使硅液四周边缘位置的杂质能更好的分凝到硅液上表面，不影响硅 锭切割硅片的有效长度，最终提高硅锭的合格率。
[0007] 本实用新型所采取的技术方案是：
[0008] -种铸造大重量硅锭的硅锭炉，包括石英坩埚、加热器、隔热挡板、散热窗口、隔热 层、石墨护板和石墨底板，隔热层内壁上覆盖有反射保护层。
[0009] 利用反射保护层的反射作用，提高铸锭炉内部隔热层保温效果和硅锭四周温度， 通过内侧面温度的提升来减慢硅锭在结晶阶段四周的结晶速度，使硅液在结晶过程中的边 缘微"凹"固液面形状转变为边缘微"凸"的固液面形状，从而使硅液四周边缘位置的杂质 能更好的分凝到硅液上表面，不影响硅锭切割硅片的有效长度，最终提高硅锭的合格率。 [0010] 优选的，还包括散热台，散热台位于石墨底板下部。因为铸锭炉热场的变化，需要 调整石英坩埚的高度适应整个热场的变化，因此本实用新型的铸锭炉去掉了增高台，散热 台上部直接放置石墨底板。
[0011] 优选的，反射保护层为光面石墨纸。
[0012] 优选的，反射保护层的厚度为3-5_。
[0013] 优选的，反射保护层底沿边缘高于坩埚底表面，石墨纸上沿低于加热器。要求石墨 纸表面光滑，具有良好的反射效果。
[0014] 优选的，石英坩埚的高度为540±5臟，坩埚高度由之前的420±5mm调整为 540 ± 5mm，用来承载600kg以上原生硅料。
[0015] 优选的，石墨护板下部为栅栏状，包括多个栅条。改变石墨护板来提高硅锭四周温 度，从而铸造大重量硅锭，减少硅锭边缘位置晶体缺陷对光伏电池电性能的影响。
[0016] 优选的，栅条的宽度D为5-100mm。
[0017] 优选的，多个栅条之间的间距L为5-100mm。
[0018] 进一步优选的，栅条的高度Η为100-350mm。
[0019] 改进之后的多晶铸锭炉内热场由于温度梯度发生变化，需要调整配套的铸锭工艺 才能实现提1?广能和提1?娃淀合格率的目的。
[0020] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
[0021] 1、利用反射保护层的反射作用，提高铸锭炉内部隔热层保温效果和硅锭四周温 度，减慢硅锭在结晶阶段四周的结晶速度，从而使硅液四周边缘位置的杂质能更好的分凝 到硅液上表面，不影响硅锭切割硅片的有效长度，最终提高硅锭的合格率。
[0022] 2、坩埚高度由之前的420 ± 5mm调整为540 ± 5mm，用来承载600kg以上原生硅料， 增大了坩埚的容量，提高了铸锭炉的产能。
[0023] 3、通过改变石墨护板的结构，减少多晶硅锭结晶段石墨护板辐射强度，提高硅锭 四周温度，从而铸造大重量硅锭，减少硅锭边缘位置晶体缺陷对光伏电池电性能的影响，进 一步保证多晶娃锭的质量稳定。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 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。
[0025] 图1是本实用新型的结构示意图；
[0026] 图2是图1中石墨护板的结构示意图。
[0027] 1、散热台；2、石英坩埚；3、加热器；4、隔热挡板；5、散热窗口；6、隔热层；7、反射 保护层；8、石墨护板；9、石墨底板；10棚条。
【具体实施方式】
[0028] -种铸造大重量硅锭的硅锭炉，包括石英坩埚2、加热器3、隔热挡板4、散热窗口 5、隔热层6、石墨护板8和石墨底板9,隔热层6内壁上覆盖有反射保护层7。
[0029] 优选的技术方案为，还包括散热台1，散热台1位于石墨底板9下部。
[0030] 优选的技术方案为，反射保护层7为光面石墨纸。
[0031] 优选的技术方案为，反射保护层7的厚度为3_5mm。
[0032] 优选的技术方案为，反射保护层7底沿边缘高于坩埚底表面，石墨纸上沿低于加 热器。
[0033] 优选的技术方案为，石英坩埚2的高度为540 ± 5mm。
[0034] 优选的技术方案为，石墨护板8下部为栅栏状，包括多个栅条10。
[0035] 优选的技术方案为，栅条10的宽度D为5-100mm。
[0036] 优选的技术方案为，多个栅条10之间的间距L为5-100mm。
[0037] 进一步优选的技术方案为，栅条10的高度Η为100_350mm。
[0038] 采用本实用新型的多晶铸锭炉进行铸锭，以精功500N型铸锭炉改进为例，装料重 量在600kg至650kg，装料完毕后将装满料的坩埚放置于铸锭炉散热台上，闭合炉腔，抽真 空，排出炉内所有气体，避免高温下空气内成分和硅液及石墨器件反应。
[0039] 改进之后的多晶铸锭炉内热场由于温度梯度发生变化，需要调整配套的铸锭工艺 才能实现提1?娃淀合格率和提1?广能的目的。
[0040] 铸锭炉运行，将铸锭炉气体抽空后运行铸锭工艺，工艺过程包括：加热、熔化、长 晶、退火和冷却五个阶段。
[0041] 一、加热
[0042] 在规定时间之内将硅料由常温升至1175°C ±25°C，工艺步骤如下：
[0043] ( 1) 10分钟，功率设定为10%，预热加热器，为后期加热做准备；
[0044] (2) 30分钟?60分钟，功率设定30%至50%，提高功率，开始加热硅料；
[0045] (3) 30分钟?60分钟，功率设定50%至85%，及升高功率；
[0046] (4)200分钟?300分钟分钟，待热场内顶部测温度测试温度为1160°C ±15°C时， 加热段工艺结束，工艺程序跳入到熔化段。
[0047] 二、熔化
[0048] 在18小时内将所有硅料完全熔化，工艺步骤如下：
[0049] (1)60分钟?100分钟，控制模式调整为温度控制模式，维持加热段最后跳转温度 不变60分钟?100分钟，使硅料表面及坩埚内油脂、水分、易挥发杂质尽量挥发出去，并由 真空泵排出，防止杂质与高温下硅液反应，污染硅料；
[0050] (2) 1小时?3小时，逐步提升热场顶部测温点温度至1520°C ±10°C ;
[0051] (3) 8小时?15小时，维持第二步最终温度，高温化料，直至硅料完全熔化；
[0052] 三、结晶
[0053] 在35小时内完成整个硅液结晶过程，工艺步骤如下：
[0054] (1)20分钟?40分钟，匀速打开热场底部散热窗口至15°至20°，测温点温度降 至1395 ±3 °C，硅液底部温度迅速降低，底部部分硅液结晶形成微小晶核；
[0055] (2)5小时至10小时，在第一部基础上继续匀速打开热场窗口至60°，热场顶部测 温点温度设定为降低至1380±3°，硅锭开始再结晶过程，由硅液底部小晶核逐渐变大，底 部铺满固体硅后开始向坚直方向结晶，热场窗口打开速度和硅液再结晶速度相匹配，保证 娃液坚直方向结晶速度为每小时向上结晶12±3mm;
[0056] (3) 5小时至10小时，在第一部基础上继续勻速打开热场窗口至90°最大，热场 顶部测温点温度设定为降低至1365±3°，硅锭开始再结晶过程，由硅液底部小晶核逐渐变 大，底部铺满固体硅后开始向坚直方向结晶，热场窗口打开速度和硅液再结晶速度相匹配， 保证硅液坚直方向结晶速度为每小时向上结晶12±3mm ;
[0057] (4)10小时之内，维持热场底部散热窗口最大开度，适当降低热场顶部测温点温度 设定值，每小时降低Γ至3°直接的某一定值温度不变，直至在顶部观察孔观察到硅液中 心完全结晶，程序调整至下一步；
[0058] (5) 120分钟?180分钟，维持热场底部热场窗口最大开度，热场顶部测温点设定 温度在第三步基础上维持不变，完成硅液四周结晶，整个硅锭结晶完成。
[0059] 四、退火
[0060] 3小时?5小时，底部散热窗口闭合，热场顶部测温点设定温度为1350°C ±5°C，消 除硅锭结晶完成后坚直方向温度梯度，消除因温度梯度引起的热应力不均；
[0061] 五、冷却
[0062] 10小时?14小时，底部散热窗口逐步打开，关闭加热器，当硅锭温度降低至400°C 至450°C时进行出炉操作，整个硅锭铸锭过程结束。
【权利要求】
1. 一种铸造大重量硅锭的硅锭炉，包括石英坩埚（2)、加热器（3)、隔热挡板（4)、散热 窗口（5)、隔热层（6)、石墨护板（8)和石墨底板（9)，其特征在于隔热层（6)内壁上覆盖有反 射保护层（7);所述反射保护层（7)为光面石墨纸，反射保护层（7)的厚度为3-5_，反射保 护层（7)底沿边缘高于坩埚底表面，石墨纸上沿低于加热器； 还包括散热台（1)，散热台（1)位于石墨底板（9)下部； 所述石英坩埚（2)的高度为540±5mm ; 所述石墨护板（8)下部为栅栏状，包括多个栅条（10)。
2. 根据权利要求1所述的铸造大重量硅锭的硅锭炉，其特征在于所述栅条（10)的宽度 D 为 5-100mm。
3. 根据权利要求1所述的铸造大重量硅锭的硅锭炉，其特征在于所述多个栅条（10)之 间的间距L为5-100mm。
4. 根据权利要求1所述的铸造大重量硅锭的硅锭炉，其特征在于所述栅条（10)的高度 Η 为 100-350mm。
【文档编号】C30B28/06GK203999907SQ201420001686
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年1月2日 优先权日:2014年1月2日
【发明者】陈京涛 申请人:衡水英利新能源有限公司