专利名称：多晶硅铸锭炉和多晶硅铸锭方法
技术领域：
本发明涉及太阳 能多晶硅铸锭领域，特别是涉及一种多晶硅铸锭炉，本发明还涉及一种多晶娃铸锭方法。
背景技术：
多晶硅铸锭技术是从2004年前后发展起来的。当人们发现多晶硅铸锭后一样可以进行切片并制作太阳能电池的时候，就开始了多晶硅铸锭炉的制作。与单晶炉相比，多晶硅铸锭炉具有成本低、产量大、容易处理的特点。从2007年开始，全球多晶硅光伏电池片的产量就超过了单晶硅，到了 2010年，多晶硅的比例更加上升到了 70%以上。现有多晶硅铸锭炉是采用电阻或感应加热，将配比好的多晶硅熔化后，采用从底部开始冷却，逐渐向上长晶的定向凝固的方式，得到多晶硅锭的。从2004年以来，现有多晶硅铸锭炉的单炉产量从120公斤开始，到170公斤、250公斤、450公斤到660公斤。由于现有多晶硅铸锭炉的单炉产量越大，生产效率就越高，单位能耗越低，因此，不少厂家希望能够研制产量更高的多晶硅铸锭炉。目前，市面上能够见到的现有多晶硅铸锭炉最大的产能是660公斤，采用的是单个硅锭的方式。有公司进行了 800公斤的尝试，但因为各种原因搁浅。主要原因有，如果单个硅锭的重量过大，那么尺寸必然相应加大，而在铸锭长晶阶段，硅锭底部先冷却，顶部后冷却，这样晶体才能从底部到顶部慢慢生长，顶部的冷却是靠底部硅晶体将热量不断带到底部而进行的。而如果硅锭尺寸过大，那么，由于硅晶体的导热性并不好，因此底部和顶部的温差将会过大而产生应力，此外，晶体过长会导致晶体生长过程中变形，而且，更重要的是，过大的硅锭给坩埚的制造和硅锭的处理以及硅锭的开方带来困难，不仅需要新型的配套设备，而且，给这些配套设备的坩埚等辅件的成本带来很大的挑战。因此，加大单个硅锭的方法不仅对提高单炉产量的贡献不大，而且，已经面临瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多晶硅铸锭炉，能成倍地提高单个铸锭炉产量、并能保证质量良好，不需要改变铸锭用的坩埚和硅锭存取以及开方设备，从而提高现有设备的使用率并能节省设备投资成本，能够节能、节水和节气，能节约成本；为此，本发明还提供一种使用该多晶硅铸锭炉的多晶硅铸锭方法。为解决上述技术问题，本发明提供的多晶硅铸锭炉包括炉体和位于所述炉体中的一保温体、一石墨平台、四个坩埚、上加热体和下加热体。所述炉体包括上炉盖、炉身和炉底，所述炉底和所述炉身采用液压连接，所述炉底能和所述炉身分开或闭合。所述保温体为立方形，所述保温体包括上保温体和下保温体。所述石墨平台位于所述保温体中并被所述保温体包围，所述四个坩埚放置于所述石墨平台上。所述上加热体和所述下加热体都位于所述保温体中，且所述上加热体位于所述坩埚顶部的所述上保温体的顶面下方、所述下加热体位于所述石墨平台下方，所述上加热体和所述上保温体固定在一起并固定于所述炉身上，所述下加热体和所述下保温体固定在一起并能一起和所述上保温体分开并向下移动。进一步的改进是，所述四个坩埚在所述石墨平台上的放置方式为呈田字形摆放。进一步的改进是，所述四个坩埚的边长分别为720毫米 1200毫米。进一步的改进是，所述四个坩埚为用于太阳能级多晶硅铸锭的标准规格坩埚或特殊规格的坩埚。进一步的改进是，所述上加热体完全覆盖住所述四个坩埚、且所述上加热体的外缘尺寸大于所述四个坩埚的外缘尺寸5% 30%，所述四个坩埚的外侧面和所述保温体相隔有一定的距离，所述上加热体的处于所述四个坩埚的外缘外部的部分用于对所述四个坩
埚的侧面加热。进一步的改进是，在各所述坩埚的周围放置有护板。进一步的改进是，所述上加热体由两个加热回路组成，所述两个加热回路能同时工作、也能互为热备份。进一步的改进是，所述下保温体和升降传动机构连接，所述下保温体下降是通过升降传动机构实现。为解决上述技术问题，本发明提供的多晶硅铸锭方法，包括如下步骤步骤一、用液压装置放下并打开所述炉底并在所述四个坩埚中装入硅料，步骤二、上升所述炉底使其闭合，开始抽真空。步骤三、当所述炉体的真空度达到IPa时，给所述上加热体和所述下加热体送电，开始加热所述硅料并使所述硅料完全熔化。步骤四、进行长晶过程，包括分步骤逐步降低所述下加热体的功率，使所述坩埚底部温度逐渐降低，当所述坩埚底部温度低于所述硅料的熔点时所述坩埚底部开始结晶并形成多晶硅；当所述下加热体的功率降到0时，将所述下保温体和所述下加热体一起下降，使所述多晶硅继续往上生长。步骤五、将所述下保温体和所述下加热体提升，对所述多晶硅进行退火，接着再对所述多晶硅进行冷却。步骤六、当所述多晶硅形成的多晶硅铸锭的温度降低到300°C以下时，放下所述炉底并将所述多晶硅铸锭取出。本发明的有益效果为I、本发明多晶硅铸锭炉具有四个坩埚，能实现一炉生产四个多晶硅铸锭，从而能成倍地提高单个铸锭炉产量。2、本发明多晶硅铸锭炉的所述上加热体的边缘的尺寸大于所述四个坩埚的边缘尺寸的设计，能使所述上加热体在上部加热的同时，实现对所述四个坩埚的侧面加热，在多晶硅生长过程中能在所述四个坩埚的侧面形成从顶部到底部温度逐渐降低的梯度，从而能够保证各所述坩埚内的等温面为水平状，能够解决坩埚的外侧的散热快而造成的等温面不水平的问题。良好的等温面最终能够提高多晶硅铸锭的质量。同时，本发明多晶硅铸锭炉不需要通过增大各多晶硅铸锭的尺寸方法来提高多晶硅铸锭的产量，能够避免大尺寸的多晶硅铸锭造成的坩埚的水平温场难以保持、垂直方向的温差会很大以及由此造成的晶体生长质量变差的问题，从而能形成良好的柱状晶，提高产品的质量。3、本发明多晶硅铸锭炉并不需要改变铸锭用的坩埚和硅锭存取以及开方设备，SP本发明多晶硅铸锭炉能够和现有生产线上的设备兼容，从而能够节约投资成本，并能提高生产效率。4、本发明的四个坩埚呈田字型放置并在中间留有一定的空间用来放置坩埚护板的放置方式，其隔热笼面积和额定产量之比或者说硅料所耗用绝热体的比表面积显著低于现有单锭的炉型；另外本发明的所述上加热体的设计能够省略侧面加热体，从而能使本发明的炉型具有显著的节能效果，同时本发明还能节水和节气，从而能节约成本。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图I是本发明实施例多晶硅铸锭炉的剖面示意图；图2是本发明实施例一多晶硅铸锭方法生产的多晶硅锭的顶部结晶照片；图3是本发明实施例一多晶硅铸锭方法生产的多晶硅锭的纵向截面照片；图4是本发明实施例二多晶硅铸锭方法生产的多晶硅锭的顶部结晶照片；图5是本发明实施例二多晶硅铸锭方法生产的多晶硅锭的纵向截面照片；图6是本发明实施例三多晶硅铸锭方法生产的多晶硅锭的顶部结晶照片；图7是本发明实施例三多晶硅铸锭方法生产的多晶硅锭的纵向截面照片。
具体实施例方式如图I所示,是本发明实施例多晶娃铸锭炉的剖面示意图。本发明实施例多晶硅铸锭炉包括炉体和位于所述炉体中的一保温体、一石墨平台6、四个坩埚7、上加热体9和下加热体5。所述炉体包括上炉盖I、炉身2和炉底3，所述炉底3和所述炉身2采用液压连接，通过所述液压装置能将所述炉底3和所述炉身2分开或闭合，分开时用于装卸硅料或多晶硅锭。所述炉体外壳采用不锈钢水冷炉壳。所述上炉盖I起着固定所述上部加热体9、连接加热水电缆、安装顶部测温装置、连接通气管路的作用。所述炉身2固定侧面绝热体即组成所述保温体的绝缘体，同时也连接真空管路。所述炉身2通过四个支架支撑在地面上，所述上炉盖I直接放置在所述炉身2上，并通过法兰密封；所述炉底3则是通过液压系统悬挂在所述炉身2上，在液压控制炉底提升封炉时，也通过法兰进行真空密封。所述炉底3与所述炉身2采用液压悬挂机构，液压机构可以控制所述炉底3停止在行程内的任意高度。所述炉底3设有多个测温点，可以对每个坩埚的多个高度和不同的位置进行测温，使得炉内的底部温区状况能够清晰的在显示器上显示出来，并提供给控制系统。所述保温体为立方形，所述保温体包括上保温体8和下保温体4。所述石墨平台6位于所述保温体中并被所述保温体包围，所述四个坩埚7放置于所述石墨平台6上。所述坩埚的大小可以采用市面上标准的多晶硅铸锭坩埚如450公斤、500公斤、660公斤或800公斤等，所述四个坩埚的边长分别为720毫米 1200毫米。所述四个坩埚7呈田字型放置，中间留有一定的空间用来放置坩埚护板。由于4锭也即对应四个坩埚7摆放的几何结构，其隔热笼面积和额定产量之比或者说硅料所耗用绝热体的比表面积显著低于单锭的炉型。因而该炉型具有显著的节能效果，单位能耗相对单锭炉型降低约20%。同时相对于单锭炉型，氩气消耗降低了约60%。所述石墨平台6的尺寸有一定的余量，可以略大或略小。所述上加热体9和所述下加热体5都位于所述保温体中，且所述上加热体8位于所述坩埚7顶部的所述上保温体8的顶面下方、所述下加热体5位于所述石墨平台6下方，所述上加热体9和所述上保温体8固定在一起并固定于所述炉身2上，所述下加热体5和所述下保温体4固定在一起并能一起和所述上保温体8分开并向下移动。所述下保温体4和升降传动机构连接，并通过所述升降传动机构实现下降。在铸锭过程中，所述下保温体4下降，所述石墨平台6不下降；在装料与卸料时，所述下保温体4、石墨平台6 (连带四个坩埚7)才一起下降。所述上加热体9完全覆盖住所述四个坩埚7、且所述上加热体9的外缘尺寸大于所述四个坩埚7的外缘尺寸5% 30%，所述四个坩埚的外侧面和所述保温体相隔有一定的距离，所述上加热体9的处于所述四个坩埚7的外缘外部的部分用于对所述四个坩埚的侧面加热。用于太阳能光伏电池的多晶硅的生长质量与最后的电池效率有很大的关系。如 果希望能够得到好的电池质量，就需要晶粒较大，而且晶柱生长方向尽量垂直。为此，就要求在晶体生长时，所述坩埚7内部的等温面尽量呈水平状。由于本发明所采用的是上下加热，没有侧面加热，因此，在晶体生长时，很容易造成四个坩埚外侧过冷，而导致坩埚的外围先冷却，使得晶体从外向里生长。所以本发明在所述上部加热体9的外缘加大了尺寸，并使坩埚7的外侧面与保温体保持一定的距离，这样，坩埚7的外侧面就能够由所述上部加热体9 一直在进行加热。而且，由于所述上部加热体9对上部的加热较大，底部的温度较低，因此，刚好在侧面形成下低上高的温度梯度，保证了四个坩埚7内部的等温面的水平。所述上部加热体9的独特设计，不仅能够向硅料提供热量，进行熔硅和在定向凝固时保持顶部温度，而且，还可以在进行定向凝固时对坩埚侧面保持一个上高下低的温度梯度，使得坩埚内的固液界面保持水平，保证长晶的质量。该设计不仅能够提高晶体生长质量，而且还由于省去了侧面加热体，大大节约了能源。所述上部加热体9由两个加热回路组成，两个回路既可以同时工作，也可以互为热备份，在一个加热回路故障不能正常工作时，另外一个加热回路能够保证硅料熔化和长晶的完成。由于铸锭时顶部加热是不能中断的，这一设计大大提高了设备工作的可靠性，减少了事故发生率，两套石墨加热体均通过内外水电缆与外部的变压器连接。这样的设计，可以保证在硅料熔化时能够以最快的速度熔化硅料，保证最大的节能和最高的产率。所述下加热体5在熔硅时与所述上加热体9同时工作，可以保证以最高的效率进行熔硅，不仅节约能源，还可以缩短工作时间。在开始定向凝固时，所述下加热体5功率可以按照程序逐渐降低，当功率降为零时，底部的下保温体开始下降，底部开始散热，底部下保温体的下降速度根据底部温度曲线可控，保证硅锭底部的温度按照设定的曲线下降，促使硅锭按照设定的速率进行晶体的生长。本发明实施例多晶硅铸锭方法采用的是上下双温区电阻加热熔化硅料，采用的热场方式是坩埚和保温体均相对固定，底部降温方式来完成晶体的定向凝固的DSS方式。本发明实施例多晶硅铸锭方法包括如下步骤步骤一、用液压装置放下并打开所述炉底3并在所述四个坩埚7中装入硅料，使所述上保温体8和所述下保温体4闭合。步骤二、上升所述炉底3使其闭合，开始抽真空。
步骤三、当所述炉体的真空度达到IPa时，给所述上加热体9和所述下加热体5送电，所述上下加热体同时大功率加热，以最大的速度将所述硅料完全熔化。步骤四、进行长晶过程，包括分步骤逐步降低所述下加热体的功率，使所述坩埚底部温度逐渐降低，当所述坩埚7底部温度低于所述硅料的熔点即1410°C 1414°C时所述坩埚7底部开始结晶并形成多晶硅。当所述下加热体5的功率降到0时，所述坩埚7底部的温度下降速度将变慢甚至停止下降，这时，会导致晶体生长变慢甚至停止；为此，在本发明实施例中当底部加热功率降到零后，将所述下保温体4和所述下加热体5 —起下降，这样，所述坩埚7会向所述炉底3四周散发热量，从而使所述坩埚7温度不断地下降；所述下保温体4的下降速度根据底部温度曲线可控，保证所述多晶硅形成的多晶硅锭底部的温度按照设定的曲线下降，促使多晶硅锭按照设定的速率进行晶体的生长。在经过计算的时间内，当所述多晶硅生长到所述坩埚7的顶部时，逐步降低所述上加 热体9的功率。步骤五、将所述下保温体4和所述下加热体5提升，对所述多晶硅进行退火，接着再对所述多晶硅进行冷却。步骤六、当所述多晶硅形成的多晶硅铸锭的温度降低到300°C以下时，放下所述炉底3并将所述多晶硅铸锭取出。本发明实施例所叙述的采用一炉多锭的方式提高单炉的铸锭产量，而不是采用一味单纯地加大锭的尺寸的方法，带来了许多好处。首先，如果单锭的尺寸过大过高，不仅每个坩埚内部的水平温场难以保持，垂直方向的温差也会很大，导致晶体生长质量变差。实验表明，当硅锭尺寸超过360_时，硅锭从底部到顶部很难长成完好的柱状晶，而柱状晶是多晶硅电池硅片所必须的。此外，硅锭尺寸的加大，需要坩埚同步加大，同时，单个坩埚的装入和硅锭的取出和运送都会增加很大的难度。此外，大尺寸的硅锭的开方和截断也会提出对相应设备的特殊需求。这会造成设备和坩埚采购的难度加大，成本增高。因此，本发明所叙述的一炉四锭的方式完全避免了上述问题。使用本发明的铸锭炉，后续的硅锭处理设备，从运送到开方和截断，设备可以完全通用，大大减少了用户的设备投入，提高现有设备的使用率。因为采用标准尺寸和重量的硅锭，使得用户能够充分沿用现有的硅锭的破锭开方和切片的全部设备，节约大量的设备投资。硅锭的处理和搬运都可以采用现有的设备，不必重新订购。本发明一较佳实施例多晶硅铸锭炉的单炉产量为1800公斤的炉子，采用四个通用的450公斤坩埚，炉体外径为4米，加热功率为1200千瓦。经过试验，本发明一较佳实施例多晶硅铸锭炉比单个450公斤的铸锭炉节能20%，节水30%，节气60%以上。如表I所述为本发明一较佳实施例多晶硅铸锭炉与现有450公斤炉型的运行参数比较表。表I
权利要求
1.一种多晶娃铸锭炉,其特征在于,包括炉体和位于所述炉体中的一保温体、一石墨平台、四个坩埚、上加热体和下加热体； 所述炉体包括上炉盖、炉身和炉底，所述炉底和所述炉身采用液压连接，所述炉底能和所述炉身分开或闭合； 所述保温体为立方形，所述保温体包括上保温体和下保温体； 所述石墨平台位于所述保温体中并被所述保温体包围，所述四个坩埚放置于所述石墨平台上； 所述上加热体和所述下加热体都位于所述保温体中，且所述上加热体位于所述坩埚顶部的所述上保温体的顶面下方、所述下加热体位于所述石墨平台下方，所述上加热体和所述上保温体固定在一起并固定于所述炉身上，所述下加热体和所述下保温体固定在一起并能一起和所述上保温体分开并向下移动。
2.如权利要求I所述多晶硅铸锭炉，其特征在于所述四个坩埚在所述石墨平台上的放置方式为呈田字形摆放。
3.如权利要求I所述多晶硅铸锭炉，其特征在于所述四个坩埚的边长分别为720毫米 1200毫米。
4.如权利要求I所述多晶硅铸锭炉，其特征在于所述上加热体完全覆盖住所述四个坩埚、且所述上加热体的外缘尺寸大于所述四个坩埚的外缘尺寸5% 30%，所述四个坩埚的外侧面和所述保温体相隔有一定的距离，所述上加热体的处于所述四个坩埚的外缘外部的部分用于对所述四个坩埚的侧面加热。
5.如权利要求I所述多晶硅铸锭炉，其特征在于在各所述坩埚的周围放置有护板。
6.如权利要求I所述多晶硅铸锭炉，其特征在于所述上加热体由两个加热回路组成，所述两个加热回路能同时工作、也能互为热备份。
7.一种多晶硅铸锭方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤一、用液压装置放下并打开所述炉底并在所述四个坩埚中装入硅料； 步骤二、上升所述炉底使其闭合，开始抽真空； 步骤三、当所述炉体的真空度达到IPa时，给所述上加热体和所述下加热体送电，开始加热所述硅料并使所述硅料完全熔化； 步骤四、进行长晶过程，包括分步骤逐步降低所述下加热体的功率，使所述坩埚底部温度逐渐降低，当所述坩埚底部温度低于所述硅料的熔点时所述坩埚底部开始结晶并形成多晶硅；当所述下加热体的功率降到0时，将所述下保温体和所述下加热体一起下降，使所述多晶硅继续往上生长； 步骤五、将所述下保温体和所述下加热体提升，对所述多晶硅进行退火，接着再对所述多晶娃进行冷却； 步骤六、当所述多晶硅形成的多晶硅铸锭的温度降低到300°C以下时，放下所述炉底并将所述多晶硅铸锭取出。
全文摘要
本发明公开了一种多晶硅铸锭炉，炉体包括上炉盖、炉身和炉底，炉底和炉身采用液压连接；所述保温体为立方形，保温体包括上保温体和下保温体；石墨平台位于保温体中，四个坩埚放置于石墨平台上；上加热体和下加热体都位于所述保温体中，且上加热体位于上保温体的顶面下方、下加热体位于石墨平台下方，上加热体和上保温体固定在一起并固定于炉身上，下加热体和下保温体固定在一起并能一起和上保温体分开并向下移动。本发明还公开了一种多晶硅铸锭方法。本发明能成倍地提高单个铸锭炉产量、并能保证质量良好，能提高现有设备的使用率并能节省设备投资成本，能够节能、节水和节气。
文档编号C30B28/06GK102732959SQ20111008912
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月11日 优先权日2011年4月11日
发明者佟晨, 史珺, 宗卫峰, 水川, 程素玲 申请人:上海普罗新能源有限公司