CN104404619A - 一种多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置及多晶硅铸锭炉 - Google Patents
一种多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置及多晶硅铸锭炉 Download PDFInfo
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Abstract
一种多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置及多晶硅铸锭炉。该气冷装置包括主供气管（1），阀门（3），外进气管（6），内进气管（8），助凝块（10）；所述主供气管（1）与阀门（3）之间通过第一连接管（2），阀门（3）与外进气管（6）之间设有流量计（5），内进气管（8）连接外进气管（6），内进气管（8）伸入助凝块（10）中心孔（11）内。本发明通过独特的结构设计，可以将冷却气体引入助凝块（10）中，对助凝块（10）进行冷却，提高了助凝块（10）的散热能力，从而可以提高坩埚内硅熔体的冷却结晶速率，提高定向凝固的效率，同时使硅熔体形成相当的过冷度，产生合适的硅孪晶结构，提高多晶硅铸锭质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种多晶硅铸锭炉，尤其是涉及一种多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置，及包括所述助凝块外进气气冷装置的多晶硅铸锭炉。
技术背景
硅晶体的生长，一般分为多晶铸锭，单晶提拉以及区熔生长三种方法，随着晶体硅光伏产品的大规模应用，太阳能级晶体硅片产业的不断发展成熟，硅片作为原材料，其价格逐渐在理性的回落，同时也造成了硅片生产厂家利润空间的不断压缩。提高硅片质量，降低加工成本成为摆在所有太阳能硅片生产厂家面前的问题。晶体硅光伏发电的产业链包含从硅料-硅片-电池-组件-***的过程，其中硅片的生产主要由晶体生长及晶体切割两大块，而晶体生长是制造高质量硅片的根本。在晶体硅光伏发电中，多晶定向凝固由于成本低，产量大，逐渐成为硅片生产的主流技术，但是由于其存在的晶体缺陷，杂质等因素，使得多晶电池的转换效率始终和单晶电池有一定的差距。改进多晶铸锭的生长方法，已经成为当前多晶硅片改进的主要方向。多晶铸锭与单晶提拉方法的不同之处在于，提拉生长拥有子晶，后续引晶，等径等步骤都是基于子晶来完成，所以晶体具有一定的晶向，而多晶铸锭中成核是一个根据热力学随机成核的过程，多晶硅锭的结构每次都不尽相同。硅材料的不同晶向对载流子的复合能力以及杂质缺陷的接受能力不同，其中硅的〈110〉和〈112〉的孪晶结构由于原子排列密集，界面能低等原因，杂质缺陷沉淀得少，且载流子的复合很弱，因此少子寿命（即载流子寿命）相对较高，该部分非常适合用来做电池的基底硅片。
其中多晶铸锭为典型的熔体固化的生长方法：多晶硅原料先在高温下被加热熔化成熔体，然后通过底部冷却，向上定向凝固开始晶体生长，其生长过程相对缓慢，在生长完成后，晶体进行退火冷却到常温。研究显示，为了形成适宜的〈110〉和〈112〉的硅孪晶结构，需要在结晶成核的过程中形成一定的过冷度，通常为低于熔点10-100K之间。
目前，大部分多晶硅铸锭炉开始进行铸锭量扩大的升级改造，即保持现有多晶硅铸锭炉的炉体结构不变的情况下，扩大热场，由原来的G5型锭升级到G6，G7型锭。G5，G6，G7分别指硅锭的重量，G5指该硅锭由5x5=25个相同重量的小硅块组成，类推之，则G6，G7的产量分别比G5提高了44%，96%。通过改造，可以提高铸锭的产量及降低硅片的单位成本，降低光伏发电的每瓦成本。但是由于改造后炉体尺寸不变，改造后锭的重量分别提高44%，96%，需要热场底部散热能力也相应提高，利用现有隔热笼提升技术的散热能力仅仅少量提高，所以将会使得铸锭过程中的凝固速度大大降低。如目前G5型铸锭的凝固时间约为25小时，但是G6型铸锭的凝固时间达到了40小时左右，而G7型铸锭的凝固时间更长。这样无形中增加了硅片生产的成本，同时由于凝固过程中，硅料大部分仍处于高温熔化状态，也增加了漏硅的风险。此外，由于硅锭与坩埚接触时间长，也会造成氧一定的扩散污染，使得晶体质量下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置，包括有该气冷装置的多晶硅铸锭炉，助凝块的散热能力强，进行多晶硅铸锭时，长晶速度快，晶体产品质量高。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置，包括主供气管、阀门、外进气管、内进气管，所述主供气管与阀门通过第一连接管连接；所述阀门与外进气管连接；所述内进气管连接外进气管伸入助凝块中心孔内。
进一步，为了准确地控制冷却气体流量，在所述阀门与外进气管之间设置有流量计，流量计与阀门之间通过第二连接管连接。
进一步，所述流量计为玻璃转子流量计。
进一步，为使得内进气管与外进气管连接良好密封，在内进气管与外进气管连接处设置有套管。
进一步，所述套管设有内螺纹分别与内进气管及外进气管的外螺纹连接。
进一步，所述套管为石墨套管。
进一步，所述主供气管（1）为车间内的主供气管道。
进一步，为了使引入助凝块的冷却气体流动顺畅，在所述助凝块顶部设有导气槽。
进一步，所述导气槽的宽度为20~500mm，深度为0.5~20mm。
进一步，所述阀门为针型阀。
进一步，因下炉体在进出坩埚时处在开炉状态，将所述外进气管设置为不锈钢软管。
进一步，所述内进气管为炭-炭复合材料管或石墨管。
使用所述多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置对多晶硅铸锭炉助凝块进行冷却的方法：使用惰性气体或者氮气作冷却气体，所述冷却气体与包括助凝块在内的热场部件完成流动换热后，直接由真空泵排出至炉外。不需要循环冷却再利用。
所述惰性气体可为氦气、氩气或氮气。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）本发明通过外进气气冷装置将冷却气体引入助凝块中，对助凝块进行冷却，提高了助凝块的散热能力，从而可以提高坩埚内硅熔体的冷却结晶速率，提高定向凝固的效率，缩短了生产周期，降低了生产成本；
（2）应用本发明外进气气冷装置，可以形成硅孪晶生长所需要的较大过冷度，多晶硅锭的质量将有所提高。
（3）由于采取中心进气冷却的方式，所以多晶硅锭的中央冷却能力要强于边缘，可以形成铸锭所需要的微凸型界面。
附图说明
图1为本发明多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置结构示意图；
图2为本发明多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置的外进气管与内进气管连接结构示意图；
图3为本发明多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置的助凝块导气槽的结构示意图；
图4为图3剖面图；
其中：1-主供气管，2-第一连接管，3-阀门，4-第二连接管，5-流量计，6-外进气管，7-套管，8-内进气管，9-下炉体，10-助凝块，11-中心孔，12-上炉体，13-导气槽，14-导气槽的宽度，15-导气槽的深度。
具体实施方式
以下结合实例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例包括主供气管1，阀门3，外进气管6，内进气管8；主供气管1与阀门3通过第一连接管2连接；阀门3与外进气管6之间设置有流量计5，流量计5为玻璃转子流量计，流量计5与阀门3之间通过第二连接管4连接；外进气管6与内进气管8连接，内进气管8伸入助凝块10的中心孔11内。
为了使得内进气管8与外进气管6连接良好密封，在内进气管8与外进气管6连接处设置有套管7，套管7设有内螺纹分别与内进气管8及外进气管6的外螺纹连接，套管7为石墨套管，如图2所示。
为了使引入助凝块10的冷却气体流动顺畅，在助凝块10顶部设置有导气槽13，导气槽13的宽度14为20mm，深度15为20mm（如图3、图4所示）。
阀门3为针型阀。
外进气管6为不锈钢软管。
内进气管8为炭-炭复合材料管。
工作时，使用氩气作冷却气体；当坩埚内的硅料熔化完毕，打开阀门3，将流量计5调至10 l/min，冷却气体氩气流经外进气管6，内进气管8，助凝块10中心孔11，导气槽13，最后由多晶硅铸锭炉的真空泵抽走。这样冷却气体氩气将助凝块10的部分热量带走，使得坩埚内部的硅熔体的凝固速率提高，进而可以加快长晶，提高铸锭产量，同时降低铸锭的用电成本。
以GT多晶硅铸锭炉的G5改造成G6为例，铸锭重量由500公斤提高到800公斤，如果简单采用隔热笼提升的长晶方案，其长晶时间需要40个小时左右，而总的工艺时间为75小时；而采用本发明多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置后，其长晶时间缩短至30个小时，且总的工艺时间缩短为65小时。由于长晶期间，功率保持恒定为60-66千瓦左右，则每个锭可以节省电耗约600-660度，而生产效率提高约13%-15%。同时，铸锭良率约提高1%，可以多产硅片300片/锭，以目前多晶硅片6.5元/片计，则增加收入1950元。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于：助凝块10顶部设置的导气槽13的宽度14为500mm，深度15为0.5mm；内进气管8为石墨管。余同实施例1。
工作时，使用氦气作冷却气体；当坩埚内的硅料熔化完毕，打开阀门3，将流量计5调至12 l/min，冷却气体氩气流经外进气管6，内进气管8，助凝块10中心孔11，导气槽13，最后由多晶硅铸锭炉的真空泵抽走。这样冷却气体氩气将助凝块10的部分热量带走，使得坩埚内部的硅熔体的凝固速率提高，进而可以加快长晶，提高铸锭产量，同时降低铸锭的用电成本。
以GT多晶硅铸锭炉的G5改造成G6为例，铸锭重量由500公斤提高到800公斤，如果简单采用隔热笼提升的长晶方案，其长晶时间需要40个小时左右，而总的工艺时间为75小时；而采用本发明多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置后，其长晶时间缩短至29个小时，且总的工艺时间缩短为64小时。由于长晶期间，功率保持恒定为60-66千瓦左右，则每个锭可以节省电耗约660-726度，而生产效率提高约14%-15%。同时，铸锭良率约提高1.2%，可以多产硅片360片/锭，以目前多晶硅片6.5元/片计，则增加收入2340元。
实施例3
本实施例本实施例与实施例1的区别仅在于：助凝块10顶部设置的导气槽13的宽度14为250mm，深度15为2mm。
工作时，使用氩气作冷却气体；当坩埚内的硅料熔化完毕，打开阀门3，将流量计5调至9 l/min，冷却气体氩气流经外进气管6，内进气管8，助凝块10中心孔11，导气槽13，最后由多晶硅铸锭炉的真空泵抽走。这样冷却气体氩气将助凝块10的部分热量带走，使得坩埚内部的硅熔体的凝固速率提高，进而可以加快长晶，提高铸锭产量，同时降低铸锭的用电成本。
以GT多晶硅铸锭炉的G5改造成G6为例，铸锭重量有500公斤提高到800公斤，如果简单采用隔热笼提升的长晶方案，其长晶时间需要40个小时左右，而总的工艺时间为75小时；而采用本发明多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置后，其长晶时间缩短至30个小时，且总的工艺时间缩短为65小时。由于长晶期间，功率保持恒定为60-66千瓦左右，则每个锭可以节省电耗约600-660度，而生产效率提高约13%-15%。同时，铸锭良率约提高1%，可以多产硅片300片/锭，以目前多晶硅片6.5元/片计，则增加收入1950元。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何修改、变更以及等效结构变换，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置，包括主供气管（1），阀门（3），外进气管（6），内进气管（8），助凝块（10）；所述主供气管（1）与阀门（3）由第一连接管（2）连接；所述阀门（3）与外进气管（6）连接；所述内进气管（8）与外进气管（6）连接，内进气管（8）伸入助凝块（10）中心孔（11）内。
2.根据权利要求1所述的铸锭炉助凝块外进气气冷装置，其特征在于：所述阀门（3）与外进气管（6）之间设置有流量计（5），所述流量计（5）与阀门（3）之间通过第二连接管（4）连接。
3.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置，其特征在于：所述内进气管（8）与外进气管（6）连接处设置有套管（7）。
4.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置，其特征在于：所述助凝块（10）顶部设置有导气槽（13）。
5.根据权利要求1至4任意一权利要求所述的多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置，其特征在于：所述阀门（3）为针型阀。
6. 根据权利要求1至4任意一权利要求所述的多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置，其特征在于：所述外进气管（6）为不锈钢软管。
7. 根据权利要求1至4任意一权利要求所述的多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置，其特征在于：所述主供气管（1）为车间内的主供气管道。
8. 根据权利要求4所述的多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置，其特征在于：所述导气槽（13）的宽度（14）为20~500mm，深度（15）为0.5~20mm。
9. 一种多晶硅铸锭炉，包括下炉体（9），上炉体（12），其特征在于：具有权利要求1至8任意一权利要求所述的多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置。
10.一种使用权利要求1至8之一所述多晶硅铸锭炉助凝块外进气气冷装置对多晶硅铸锭炉助凝块进行冷却的方法，其特征在于，使用惰性气体或氮气作冷却气体，所述冷却气体与包括助凝块在内的热场部件完成流动换热后，直接由真空泵排出至炉外。
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