CN102071457A - 一种盛装硅料用的组合式坩埚 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能光伏领域的一种硅晶体铸锭用装置，特别涉及一种盛装硅料用的组合式坩埚，很好地解决了现有石英坩埚利用率低的技术问题，其特征在于：包括上罩1，下坩埚2，上罩1叠放在下坩埚2的正上方，其中上罩1由上侧壁3围绕组成，下坩埚2包括下侧壁4与底板5，下侧壁4围绕分布在底板的四周，上侧壁3、下侧壁4与底板5共同围成一个可放置物料的空腔。这样可以实现填装更多的硅料，在硅料熔化后变成硅液，硅液降至下坩埚口部平面以下，提高了下坩埚的填充因子，即提高了下坩埚的利用率，使得单炉单位时间的产出量得到提高，从而获得尺寸更高、重量更大的硅锭，提高了硅料的利用率。

Description

一种盛装硅料用的组合式坩埚
技术领域
 本发明涉及太阳能光伏领域的一种硅晶体铸锭用装置，特别涉及一种盛装硅料用的组合式坩埚。
背景技术
在硅晶体铸锭的工艺中，石英坩埚被用来盛装硅料，硅料在石英坩埚中完成熔化、凝固长晶的全过程。坩埚中所装的硅料量由于硅料的形状，体积等原因达不到实体硅充满整个坩埚所应有的重量。实际所装量和最大可容量的比值被称为填充因子。随着硅料形状，体积的不同，这个填充因子在目前多晶硅生产中可达到30％到70％，在大部分情况下是60％左右。以目前使用较多的美国GT太阳能公司（GT Solar Technologies,Inc.） 的DSS系列多晶硅定向铸锭炉为例，当其使用的坩埚内尺寸为69cm×69cm×42cm，将硅料堆起来装，一般可装270公斤左右。长出的铸锭尺寸69cm×69cm×25cm，填充因子是60％左右。
由于尺寸更高的晶体硅锭在切割成硅块和硅片时候产生的边脚料相对较少，其使用效率更高。努力获得尺寸更高、重量更大的硅锭是非常有意义的。提高装料量可以减少单位硅片的能耗，坩埚消耗，提高硅锭的可利用率。
为了降低硅晶体铸锭成本，每个坩埚需要装更多的硅料，铸造更高的硅锭，采用高度更高的坩埚是较理想的方案。但是由于坩埚制备技术的限制，制造高度更高的坩埚合格率低，导致制备高坩埚的成本高。所以寻求一种制备成本低，能够填装更多硅料的高坩埚对于降低高坩埚制备成本是非常有意义的。
目前GT公司的多晶硅定向凝固铸造炉当使用69cm×69cm×42cm坩埚时，可以得到多晶硅硅锭重250-300Kg，其外形尺寸在长69cm×宽69cm×高24-27cm。坩埚可利用空间不足60%，坩埚利用率低。
中国专利申请号201010117269.X公开的是一种石墨材料制成的防漏硅装置。该装置在石英坩埚外，利用石墨护板制作成上下石墨坩埚来支撑石英坩埚。其发明的目的是防止硅液漏流同时解决大尺寸石墨材料难以一次性加工成型的问题，转而采用上下两节的方式得到与“大尺寸的石英材料的硅晶体用的坩埚”配套的石墨护板。其使用场合在于支撑石英坩埚，而不是直接盛装硅料。其采用上下节的方式的目的在于：取锭方便。由于其下坩埚采用石墨浆涂抹在石墨板缝隙及螺栓处，经过高温铸锭后，下坩埚烧结成一体式坩埚。此时硅锭在石英坩埚内，如果下坩埚很高，则锭很难取出。201010117269.X 采用了将石墨护板分成两截的方案，取锭时先将上坩埚取出，再用倒坩埚装置将锭倒出来，上下两截的方案有利于锭的取出。201010117269.X未公开 “采用上下两节方式，石英材料制成的直接盛装硅料的坩埚”技术内容。
201010117269.X公开的是一种石墨材料的坩埚的各个石墨板之间的连接方式是碳纤维螺钉，且下石墨坩埚各石墨板交接处敷上石墨浆，最后烧制成整体式的下坩埚。
发明内容
 本发明提出了一种低成本的组合式高坩埚，解决了高石英坩埚制备成本高的技术问题。
本发明解决的另一个技术问题是很好地解决了现有石英坩埚利用率低的技术问题。
本发明的技术方案为：
一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：包括上罩，下坩埚，上罩叠放在下坩埚的正上方，其中上罩由上侧壁围绕组成，下坩埚包括下侧壁与底板，下侧壁围绕分布在底板的四周，上侧壁、下侧壁与底板共同围成一个可放置物料的空腔。
一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩与下坩埚之间涂抹粘接剂。
一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩与下坩埚的高度比范围在0.01：1-1：1。
一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩与下坩埚的高度比范围在0.1：1-1：1。
一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：下坩埚是由石英材料制成的。
一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩是由石英材料制成的，可以用坩埚次品切割后得到。
一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩是由石墨、氮化硅、碳化硅或氮化硼材料制成的，可以进行重复利用。
一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：下坩埚的下侧壁与底板之间，下侧壁之间的连接是一体式无缝连接。
一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩的上侧壁之间的连接是一体式无缝连接。
一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩的上侧壁之间采用相互配合的螺钉螺孔固定方式连接。
一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩的上侧壁之间采用相互配合的槽榫固定方式连接。
一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：粘接剂可以为硅溶胶与氮化硅的混合。
201010117269.X公开的是一种石墨材料的坩埚的各个石墨板之间的连接方式是碳纤维螺钉，且下石墨坩埚各石墨板交接处敷上石墨浆，最后烧制成整体式的下坩埚。
二者的主要区别如下：
表1
Figure 2011100322800100002DEST_PATH_IMAGE002
上罩与下坩埚之间采用直接叠放的方式，这与传统的认为硅液体容易从上罩与下坩埚之间的缝隙中流出是有冲突的，本发明在研究的初期，为了安全起见，一直以来坚持在上罩与下坩埚之间采用粘结剂，例如采用涂抹硅溶胶与氮化硅的混合物的方式来预防可能的硅液泄漏，但经过下述试验摸索后，发现直接叠放也不会导致泄漏，但需要控制上罩与下坩埚的高度比，具体如下：
表2（试验采用的硅料均为多种形状硅料的混合，填充因子为60%左右）
Figure 2011100322800100002DEST_PATH_IMAGE003
表3（试验采用的硅料均为多种形状硅料的混合，填充因子为60%左右）
从表2和表3可以看出，在坩埚填装硅料为多种形状硅料的混合，填充因子为60%左右的情况下，上罩与下坩埚之间采用直接叠放的方式，成本低廉，很容易实施，但是需要控制上罩与下坩埚的高度比，高度比范围在0.1-0.5：1是合适的。上罩与下坩埚之间采用粘结剂，不需要控制上罩与下坩埚的高度比，但是实施成本高且实施麻烦。综合考虑以上，且根据目前实际生产需要，上罩与下坩埚之间采用直接叠放的方式为本发明的优选方案。
本发明上罩与下坩埚之间采用粘结剂时，不局限于上罩与下坩埚组合的两节式结构，还可以在上罩上方再叠加上罩，上罩之间采用粘接剂连接成一体。
由于硅料的形状，体积的不同，坩埚的填充因子由于不同形状、体积的硅料而不同，例如不同形状的硅料有硅粉、硅片、硅块、碎硅料等。经过实验测算，它们的装料密度如下：
表4 各种硅料的装料密度
在多晶硅铸锭装料过程中，一般需要搭配不同的硅料，包括纯料，边皮料，头尾料，碎硅片，硅粉等。因此综合起来，实际生产中硅料的填充因子通常为60%。因此按常规，上罩与下坩埚之间的高度比例为40%：60%=0.66：1是最体现上罩的节约效率的比例，按一般推理，可以将上罩与下坩埚之间的高度比例极限定位为0.66：1。
但由于硅料的融化和下塌需要一定的时间，硅料液面是随着硅料融化而逐渐下降的，此过程的液面也不能超过上罩与下坩埚的缝隙。因此上罩与下坩埚的缝隙位置除了需要高于硅料完全融化时的液面，还需要留有一定的安全高度。试验表明上罩与下坩埚之间的高度比例为0.6：1就已经出现泄漏的几率，存在一定的安全隐患。在综合考虑各方面因素后，“本发明上罩与下坩埚之间采用直接叠放的方式：上罩与下坩埚的高度比范围在0.1-0.5：1。”技术方案合适。上罩如果高度太低，比较难以体现本发明组合坩埚的节约效率。
但是坩埚完全填装硅粉或碎片的情况下，由于硅粉或碎硅片的填充因子少，硅粉为36.9%，碎硅片为33.9%，因此按常规，当全部填装硅粉时，上罩与下坩埚之间的高度比例为63.1%：36.9%=1.71：1；当全部填装碎硅片时，上罩与下坩埚之间的高度比例为66.1%：33.9%=1.95：1；同时如果采用上罩与下坩埚之间的高度比例大于1：1，上罩与下坩埚采用直接叠放的方式，考虑到上罩的高度以及制作成本，所以当全部装硅粉的时候，本发明的上罩与下坩埚之间的高度比例极限最终定位为1：1是合适的。
表5本发明应用于硅晶体铸锭与现有技术的实施效果比较
Figure 2011100322800100002DEST_PATH_IMAGE006
本发明中的普通石英坩埚是指高度范围在350-420mm的石英坩埚，高石
英坩为高度范围在480-550mm的石英坩埚。本发明中的下坩埚为现有技术中的普通石英坩埚。
本发明的优点：一方面，本发明提供的盛装硅料用的组合式坩埚可以取代高石英坩埚的功能，可以填装更多的硅料，本发明的盛装硅料用的组合式坩埚制备成本低，而高石英坩埚由于现有制备技术的限制，合格率低，制备成本高；另一方面，本发明提供的盛装硅料用的组合式坩埚在下坩埚，即现有技术中的普通坩埚上叠放了上罩，这样可以实现填装更多的硅料，在硅料熔化后变成硅液，硅液降至下坩埚口部平面以下，提高了下坩埚的填充因子，即提高了下坩埚的利用率，使得单炉单位时间的产出量得到提高，从而获得尺寸更高、重量更大的硅锭，提高了硅料的利用率。本发明还可以利用坩埚生产过程的中残次品来加工上罩，组合成高坩埚，从而节约了直接高坩埚的生产成本，实现了废物利用。
附图标记
附图1是本发明实施例2的正视结构示意图。
附图2是本发明实施例2的俯视结构示意图。
附图3是本发明实施例3的正视结构示意图。
附图4是本发明实施例3的俯视结构示意图。
附图5是本发明的上罩1的正视结构示意图。
附图6是本发明的上罩1的俯视结构示意图。
附图7是本发明的下坩埚2的正视结构示意图。
附图8是本发明的下坩埚2的俯视结构示意图。
附图9是现有技术的普通坩埚的正视结构示意图。
附图10是现有技术的普通坩埚的俯视结构示意图。
附图11是本发明应用于硅晶体铸锭的填装硅料后的状态示意图。
附图12是现有技术的普通坩埚应用于硅晶体铸锭填装硅料后的状态示意图。
附图13是本发明应用于硅晶体铸锭的硅料熔化后的状态示意图。
附图14是现有技术的普通坩埚应用于硅晶体铸锭硅料熔化后的状态示意图。
附图说明：上罩1，下坩埚2，上侧壁3，下侧壁4，底板5，普通坩埚6，硅料7，硅液8，粘接剂9。
具体实施方式
实施例1、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：包括上罩1，下坩埚2，上罩1叠放在下坩埚2的正上方，其中上罩1由上侧壁3围绕组成，下坩埚2包括下侧壁4与底板5，下侧壁4围绕分布在底板的四周，上侧壁3、下侧壁4与底板5共同围成一个可放置物料的空腔。
实施例2、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：包括上罩1，下坩埚2，上罩1直接叠放在下坩埚2的正上方，其中上罩1由上侧壁3围绕组成，下坩埚2包括下侧壁4与底板5，下侧壁4围绕分布在底板的四周，上侧壁3、下侧壁4与底板5共同围成一个可放置物料的空腔。
实施例3、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1与下坩埚2之间涂抹粘接剂9。其余同实施例1。
实施例4、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1与下坩埚2的高度比为0.01：1。其余同实施例1或实施例2。
实施例5、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1与下坩埚2的高度比为0.1：1。其余同实施例1或实施例2。
实施例6、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1与下坩埚2的高度比为0.2：1。其余同实施例1或实施例2。
实施例7、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1与下坩埚2的高度比为0.3：1。其余同实施例1或实施例2。
实施例8、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1与下坩埚2的高度比为0.4：1。其余同实施例1或实施例2。
实施例9、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1与下坩埚2的高度比为0.5：1。其余同实施例1或实施例2。
实施例10、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1与下坩埚2的高度比为0.6：1。其余同实施例1或实施例2。
实施例11、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1与下坩埚2的高度比为0.7：1。其余同实施例1或实施例2。
实施例12、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1与下坩埚2的高度比为0.8：1。其余同实施例1或实施例2。
实施例13、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1与下坩埚2的高度比为0.9：1。其余同实施例1或实施例2。
实施例14、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1与下坩埚2的高度比为1：1。其余同实施例1或实施例2。
实施例15、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1与下坩埚2的高度比为1.1：1。其余同实施例1或实施例2。
实施例16、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：下坩埚2是由石英材料制成的。其余同实施例1-实施例15中的任意一种实施例。
实施例17、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1是由石英材料制成的。其余同实施例1-实施例15中的任意一种实施例。
实施例18、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1是由石墨材料制成的。其余同实施例1-实施例15中的任意一种实施例。
实施例19、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1是由氮化硅材料制成的。其余同实施例1-实施例15中的任意一种实施例。
实施例20、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1是由碳化硅材料制成的。其余同实施例1-实施例15中的任意一种实施例。
实施例21、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1是由氮化硼材料制成的。其余同实施例1-实施例15中的任意一种实施例。
实施例22、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：下坩埚2的下侧壁4与底板5之间，下侧壁4之间的连接是一体式无缝连接。其余同实施例1。
实施例23、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1的上侧壁3之间的连接是一体式无缝连接。其余同实施例1。
实施例24、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1的上侧壁3之间采用相互配合的螺钉螺孔固定方式连接。其余同实施例1。
实施例25、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：上罩1的上侧壁3之间采用相互配合的槽榫固定方式连接。其余同实施例1。
实施例26、一种盛装硅料用的组合式坩埚，其中：粘接剂9为硅溶胶与氮化硅的混合。其余同实施例3。
结合实施例解释本发明的工作原理：本发明的基本思路是由于所装硅料7形状尺寸的限制，普通坩埚6填充因子小，初始所装的硅料在普通坩埚6中熔化以后，硅液8面下降，普通坩埚6有近一半的空间在硅液8表面上空出来，普通坩埚6填充因子小，普通坩埚6利用率低；而高石英坩埚由于现有制备技术的限制，合格率低，制备成本高。所以本发明在现有坩埚，即本发明的下坩埚2上方叠放一个由上侧壁3围绕成一定体积的上罩1，实现填装更多的硅料7，硅料7熔化后，硅料7变成硅液8，硅液8降至下坩埚2口部平面以下，所以上罩1的设置实现了填装了更多的硅料。

Claims (11)

1.一种盛装硅料用的组合式坩埚，其特征在于：包括上罩（1），下坩埚
（2），上罩（1）叠放在下坩埚（2）的正上方，其中上罩（1）由上侧壁（3）围绕组成，下坩埚（2）包括下侧壁（4）与底板（5），下侧壁（4）围绕分布在底板的四周，上侧壁（3）、下侧壁（4）与底板（5）共同围成一个可放置物料的空腔。
2.如权利要求1所述的一种盛装硅料用的组合式坩埚，其特征在于：上罩（1）与下坩埚（2）之间涂抹粘接剂（9）。
3.如权利要求1所述的一种盛装硅料用的组合式坩埚，其特征在于：上罩（1）与下坩埚（2）的高度比范围在0.01：1-1：1。
4.如权利要求1或2或3所述的一种盛装硅料用的组合式坩埚，其特征在于：下坩埚（2）是由石英材料制成的。
5.如权利要求1或2或3所述的一种盛装硅料用的组合式坩埚，其特征在于：上罩（1）是由石英材料制成的。
6.如权利要求1或2或3所述的一种盛装硅料用的组合式坩埚，其特征在于：上罩（1）是由石墨、氮化硅、碳化硅或氮化硼材料制成的。
7.如权利要求1 所述的一种盛装硅料用的组合式坩埚，其特征在于：下坩埚（2）的下侧壁（4）与底板（5）之间，下侧壁（4）之间的连接是一体式无缝连接。
8.    如权利要求1所述的一种盛装硅料用的组合式坩埚，其特征在于：上罩（1）的上侧壁（3）之间的连接是一体式无缝连接。
9.如权利要求1所述的一种盛装硅料用的组合式坩埚，其特征在于：上罩（1）的上侧壁（3）之间采用相互配合的螺钉螺孔固定方式连接。
10.如权利要求1所述的一种盛装硅料用的组合式坩埚，其特征在于：上罩（1）的上侧壁（3）之间采用相互配合的槽榫固定方式连接。
11.如权利要求2所述的一种盛装硅料用的组合式坩埚，其特征在于：粘接剂（9）可以为硅溶胶与氮化硅的混合。
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