CN209456615U - 晶硅铸锭加热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种晶硅铸锭加热器，包括顶部加热器；侧部加热器，包括侧部上加热器及侧部下加热器，其中所述侧部上加热器和顶部加热器串联形成串联单元，所述串联单元和侧部下加热器分别独立连接电源。上述晶硅铸锭加热器,侧部加热器分成两部分，一部分独立连接电源，另一部分与顶部加热器串联，从而在长晶过程中可以方便地控制各自的发热功率，从而可以灵活控制侧部加热器向硅料辐射热量，优化长晶耗时和铸锭周期。

Description

晶硅铸锭加热器

技术领域

本实用新型涉及硅锭铸锭制备领域，特别是涉及一种晶硅铸锭加热器。

背景技术

定向结晶铸造多晶硅锭工艺简单易于工业化生产，输出产量大，且相对生产成本低，所以铸造多晶硅是使用最广泛的太阳能材料。然而与传统的火力发电相比，太阳能光伏发电成本依然较高，因此仍需进一步优化多晶硅铸锭工艺，提高生产量，提高多晶硅锭质量，提高光电转换效率，进而降低太阳能发电成本。

定向凝固长晶是通过冷热交换块(DSS块)向下传导热量，同时由多晶硅铸锭炉内的加热***补偿热量，从而在硅熔液中形成纵向的温度梯度，生长出晶向不同的柱状多晶硅。但实际的铸锭过程，硅熔液中不仅有较大的纵向温度梯度，还有比较明显的横向温度梯度，长晶界面是凹凸不平的“W”状，铸锭过程中晶体中存在较多的热应力，也是多晶硅锭中形成位错束的重要原因。多晶硅铸锭炉的加热体系包括顶部加热器和侧部加热器，少部分铸锭炉中还包括底部加热器，顶侧底部加热器相互并联，在隔热笼打开过程中，分别从顶侧底部对硅溶液补偿热量，但是随着晶体不断生长，硅熔液接收顶侧部加热器辐射的热量越来越多，通过DSS块向外传导热量越来越慢，硅熔液中的纵向温度梯度减小，长晶速度会越来越慢，制约了长晶耗时和铸锭周期，从而影响铸锭能耗和生产成本。

实用新型内容

基于此，有必要针对保持长晶耗时和铸锭周期长的问题，提供一种晶硅铸锭加热器。

一种晶硅铸锭加热器，包括

顶部加热器；

侧部加热器，包括侧部上加热器及侧部下加热器，其中所述侧部上加热器和顶部加热器串联形成串联单元，所述串联单元和侧部下加热器分别独立连接电源。

上述晶硅铸锭加热器,侧部加热器分成两部分，一部分独立连接电源，另一部分与顶部加热器串联，从而在长晶过程中可以方便地控制各自的发热功率，从而可以灵活控制侧部加热器向硅料辐射热量，优化长晶耗时和铸锭周期。

在其中一个实施例中，所述串联单元连接至三相交流电源,所述侧部下加热器连接至不同的三相交流电源。

在其中一个实施例中，所述顶部加热器包括处于同一平面的并排设置的2个蛇型加热器，每个蛇形加热器的两侧分别设置有2个S型加热器，所述侧部上加热器沿圆周方向均布有4处，每个侧部上加热器包括2个并排设置的U型加热器，所述顶部加热器和所述4处的侧部上加热器形成两个串联子单元，其中每个串联子单元由1个蛇形加热器及其两侧的2个S型加热器将4个依次排列的U型加热器串联形成，所述串联子单元中的2个S型加热器上分别连接有石墨电极。

在其中一个实施例中，所述串联子单元中，沿所述圆周方向，相邻的所述U型加热器通过S型加热器或蛇型加热器依次串联，其中所述蛇型加热器的两端分别通过一个转接板连接至U型加热器，S型加热器的两端分别通过一个转接板连接至U型加热器。

在其中一个实施例中，所述S型加热器所连接的转接板的宽度与S型加热器的宽度差小于10毫米。

在其中一个实施例中，所述侧部上加热器的内表面和所述侧部下加热器的内表面处于同一平面上。

在其中一个实施例中，所述侧部上加热器与所述侧部下加热器之间的距离为10毫米～60毫米。

在其中一个实施例中，所述侧部下加热器的电阻不大于侧部上加热器和顶部加热器串联的电阻之和；所述侧部上加热器的电阻小于侧部上加热器和顶部加热器串联的电阻之和的1/2。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的加热器的立体结构示意图；

图2为本实用新型一实施例的加热器与石墨坩埚的组装示意图；

图3为本实用新型一实施例的加热器中顶部加热器与侧上加热器的连接示意图；

图4为图3所示结构的俯视示意图；

图5和图6分别为图3所示结构的不同角度的侧面示意图；

图7为根据本实用新型实施例的加热器的使用方法制得的多晶硅晶锭的横截面PL示意图；及

图8为根据本实用新型实施例的加热器的使用方法制得的多晶硅晶锭的横截面少子寿命图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参考图1，本实用新型的一实施例公开了一种晶硅铸锭加热器，包括顶部加热器10和侧部加热器20。侧部加热器20包括侧部上加热器210及侧部下加热器220，其中侧部上加热器210和顶部加热器10串联形成串联单元，其中串联单元和侧部下加热器220分别独立连接电源。换言之，本实施例中，采用双电源控制。顶部加热器10和侧部加热器20在铸锭炉内的电极安装位置可以与传统的单电源控制的石墨加热器一致。双电源控制时，晶硅铸锭加热器的额定总功率不小于单电源时的额定总功率。

侧部上加热器210和顶部加热器10构成串联单元，该串联单元与侧部下加热器220在电路上能独立控制，从而在长晶过程中可以方便地控制各自的发热功率，从而可以灵活控制侧部加热器20向硅料辐射热量，从而优化长晶耗时和铸锭周期。具体的，可以在长晶前期增大侧部下加热器220的发热功率，避免“冷壁效应”的出现，从而减弱侧边形核效应；长晶后期则降低或关闭侧部下加热器220的发热功率，仅使用侧部上加热器210，加快硅晶体中热量的散失，同时优化长晶后期硅熔液中的温度梯度和长晶速率，使长晶过程长晶速率波动较小，优化长晶耗时和铸锭周期，降低硅晶体中位错密度，降低生产能耗和成本，更进一步提高硅锭质量。另外侧部上加热器210与顶部串联，可以增加侧部总放热功率，减小顶部加热器10的发热功率(一部分发热功率分给了侧部上加热器210)，优化长晶界面，避免晶体中微晶的出现，还可以减小晶体中的热应力，降低硅锭开方裂纹比例。

根据本实用新型的一些实施例，侧部上加热器220与顶部加热器10连接至三相交流电源,侧部下加热器220连接至不同的三相交流电源，从而实现电路上的独立控制。如图1所示，侧部上加热器220与顶部加热器10组成的串联单元上连接有4个第一石墨电极110，用以连接至三相交流电源。

根据本实用新型的一些实施例，顶部加热器10包括处于同一平面的并排设置的2个蛇型加热器120，每个蛇形加热器120的两侧分别设置有2个S型加热器130。侧部上加热器210设置有4处。每个侧部上加热器210包括2个并排设置的U型加热器211。顶部加热器10和侧部上加热器210形成两个串联子单元，其中每个串联子单元由1个蛇形加热器120及其两侧的2个S型加热器130将4个依次布置的U型加热器211串联形成，所述串联子单元中的2个S型加热器130上分别连接有第一石墨电极110。侧部下加热器220设置成蛇形，其两端分别连接有第二石墨电极221。

具体的，如图1、图3至图6所示，2件蛇型加热器120并排放置，且每个2件蛇型加热器120的两侧分别设置2个S型加热器130。这样，整体上4件S型加热器130和2件蛇型加热器120整体上沿圆周方向布置且大致围成矩形，其中4件S型加热器130形成矩形的一对侧边，2件蛇型加热器120则形成矩形的另一对侧边。8个U型加热器211则均匀分别在矩形的四个侧边处，即每一个侧边并排布置2个U型加热器211。如图4所示，位于左侧的蛇型加热器120及蛇型加热器120上下两侧的2个S型加热器130共将4个U型加热器211串联起来形成串联子单元a和b。图1所示的立体结构示意图中，两个串联子单元a和b大致上下布置。图4所示的俯视示意图中，两个串联子单元a和b左右并排布置。

进一步地，串联子单元中，沿所述圆周方向，相邻的U型加热器211通过蛇型加热器120或S型加热器130依次串联，其中蛇型加热器120的两端分别通过一个转接板40连接至U型加热器211，S型加热器130的两端分别通过一个转接板40连接至U型加热器2021。参考图1、图4，以串联子单元a为例，串联子单元a中的4个U型加热器211中位于中间的2个U型加热器211各自有一个端部连接有转接板40，两个转接板40分别与蛇型加热器120的两端连接。这样，蛇型加热器120将中间的两个U型加热器211串联起来。类似的，S型加热器130通过转接板将中间的2个U型加热器211的剩余的一端部连接至位于外侧的U型加热器211。这样，4个U型加热器211通过1个蛇型加热器120和2个S型加热器130形成串联子单元a。对于串联子单元b，连接方式与串联子单元a类似，不再赘述。

进一步地，所述S型加热器130所连接的转接板40的宽度与S型加热器130的宽度差小于10毫米，该尺寸可保证热功率分布更均匀,同时保证侧部加热器与铸锭炉内的侧部保温屏的间距均在安全距离之内。

进一步地，侧部下加热器220的振幅与U型加热器211的宽度一致。如图1所示，侧部下加热器220为蛇形加热器，每个蛇形加热器的振幅(即高度)与组成侧部上加热器210的U型加热器211的宽度一致。该结构可使U型加热器211的辐射热主要分布在硅料的中上部。

上述实施例中，顶部加热器10包括S型和U型两种形状的加热器，侧部上加热器210则由U型加热器211组成。可以理解地，根据铸锭炉热场特点，可以是选择其他形状的加热器，例如类椭圆形或矩形等。

根据本实用新型的一些实施例，侧部上加热器210的内表面和侧部下加热器220的内表面处于同一平面上，保证侧部上加热器210和侧部下加热器220组成的侧部加热器各处表面与坩埚间距一致，且与坩埚和侧部保温屏间距均在安全距离之内。此处的内表面指侧部上加热器210或侧部下加热器220的用以与石墨坩埚40相对的表面。如图2所示，当侧部加热器20与石墨坩埚50组装后，侧部上加热器210的内表面和侧部下加热器220的内表面共同构成侧部加热器20所围成空间的内壁。

根据本实用新型的一些实施例，侧部下加热器220的宽度与侧部上加热器210与宽度差小于50毫米，保证U型加热器211辐射热分布在硅料的中上部。侧部上加热器210与侧部下加热器220之间的距离为10毫米～60毫米。

根据本实用新型的一些实施例，侧部上加热器210与侧部下加热器220的材质为CC纤维板或石墨。可以理解地，材质可以根据材质本身的电阻特性和铸锭炉热场对加热器阻值要求确定。

根据本实用新型的一些实施例，侧部下加热器220的电阻不大于侧部上加热器210和顶部加热器10串联的电阻之和；侧部上加热器210的电阻小于侧部上加热器210和顶部加热器10串联的电阻之和的1/2。通过调控顶部和侧部上的功率分布，使长晶界面更平缓，长晶耗时调控更有效。

本实用新型的一实施例还提出了一种上述实施例的晶硅铸锭加热器的使用方法。该方法包括以下步骤。

S100、在长晶第一阶段，使侧部下加热器220的发热功率大于侧部上加热器210的发热功率。

根据晶体生长速度，长晶大致可分为两个阶段。第一阶段为长晶初期，此阶段中，生成的晶体高度一般不超过晶体高度的30％。此阶段中，使侧部下加热器220的发热功率大于侧部上加热器210的发热功率，从而避免“冷壁效应”的出现，减弱“冷壁效应”引起的侧边形核，改善长晶界面。

S120、在长晶第二阶段，逐渐降低或关闭侧部下加热器220的发热功率。第二阶段为长晶的中后期，此阶段中，通过逐渐降低侧部下加热器220的发热功，使得主要利用侧部上加热器210向石墨坩埚50内辐射热量；或者关闭侧部下加热器220，仅适用侧部上加热器210向石墨坩埚50内辐射热量。这样，加快硅晶体中热量的散失，加快长晶速度，达到优化长晶后期硅溶液中的温度梯度和长晶速率的目的。同时，长晶过程中长晶速率波动较小，硅晶体中残余热应力更小，降低硅晶体中位错密度，降低生产能耗和成本，更进一步提高硅锭质量。

根据本实用新型的一些实施例，在长晶第一阶段，侧部下加热器220与侧部上加热器210的发热功率比值不小于4.5:2；在长晶第二阶段，侧部下加热器210的发热功率与侧部上加热器10的发热功率的比值不大于1:2。

下面结合一个实施例，说明本实用新型实施例的晶硅铸锭加热器及其使用方法。

一个实施例中，晶硅铸锭加热器包括顶部加热器10和侧部加热器。侧部加热器20包括侧部上加热器210及侧部下加热器220。顶部加热器10包括处于同一平面的并排设置的2个蛇型加热器120，每个蛇形加热器120的两侧分别设置有2个S型加热器130。侧部上加热器210包括沿圆周方向布置的8个U型加热器210。顶部加热器10和侧部上加热器210形成两个串联子单元，其中每个串联子单元由1个蛇形加热器120及其两侧的2个S型加热器130将4个依次布置的U型加热器211串联形成，串联子单元中的2个S型加热器上分别连接有石墨第一石墨电极。转接板40的宽度均为70毫米，不同位置的转接板长度可以有差异。蛇型加热器120和S型加热器130的宽度均为70毫米。

侧部上加热器210的宽度为83毫米，厚度为26毫米。但需要指出，不同位置的侧部上加热器的线长(即展开后的总长度)可以不同。侧部下加热器220的电阻与顶部加热器10和侧部上加热器210的电阻之和相等，而侧部上加热器210的电阻与顶部加热器10的电阻比为1:2。

晶硅铸锭加热器安装至铸锭炉内时，结合图2，侧部下加热器220的下边缘距离石墨底板之间的间距为25毫米，侧部下加热器220的上边缘与侧部上加热器210之间的安全间距为30毫米。侧部上加热器210的上边缘则高于石墨坩埚40的上表面20毫米。侧部上加热器210的内表面和侧部下加热器220的内表面处于同一平面。

长晶前期，侧部下加热器220与侧部上加热器210发热功率比值为5.5:4.5；长晶中后期，逐渐减小侧部下加热器2120的发热功率；将长晶后期侧部下加热器220与侧部上加热器210发热功率比值控制在1:4；长晶末期，则关闭侧部下加热器220。测算表明，铸锭周期为85小时，较同期生产周期为92小时缩短7小时。此外，如图7和图8所示，利用上述晶硅加热器铸造的多晶硅晶体“冷壁效应”引起的侧边形核明显减弱，长晶界面呈微凸状，四周边锭中未出现黑色位错束，中间小方锭位错分布与正常硅锭一致。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种晶硅铸锭加热器，其特征在于，包括

顶部加热器；

侧部加热器，包括侧部上加热器及侧部下加热器，其中所述侧部上加热器和顶部加热器串联形成串联单元，所述串联单元和侧部下加热器分别独立连接电源。

2.根据权利要求1所述的晶硅铸锭加热器，其特征在于，所述串联单元连接至三相交流电源,所述侧部下加热器连接至不同的三相交流电源。

3.根据权利要求1所述的晶硅铸锭加热器，其特征在于，所述顶部加热器包括处于同一平面的并排设置的2个蛇型加热器，每个蛇形加热器的两侧分别设置有2个S型加热器，所述侧部上加热器沿圆周方向均布有4处，每个侧部上加热器包括2个并排设置的U型加热器，所述顶部加热器和所述4处的侧部上加热器形成两个串联子单元，其中每个串联子单元由1个蛇形加热器及其两侧的2个S型加热器将4个依次排列的U型加热器串联形成，所述串联子单元中的2个S型加热器上分别连接有石墨电极。

4.根据权利要求3所述的晶硅铸锭加热器，其特征在于，所述串联子单元中，沿所述圆周方向，相邻的所述U型加热器通过S型加热器或蛇型加热器依次串联，其中所述蛇型加热器的两端分别通过一个转接板连接至U型加热器，S型加热器的两端分别通过一个转接板连接至U型加热器。

5.根据权利要求4所述的晶硅铸锭加热器，其特征在于，所述S型加热器所连接的转接板的宽度与S型加热器的宽度差小于10毫米。

6.根据权利要求1所述的晶硅铸锭加热器，其特征在于，所述侧部上加热器的内表面和所述侧部下加热器的内表面处于同一平面上。

7.根据权利要求1所述的晶硅铸锭加热器，其特征在于，所述侧部上加热器与所述侧部下加热器之间的距离为10毫米～60毫米。

8.根据权利要求1所述的晶硅铸锭加热器，其特征在于，所述侧部下加热器的电阻不大于侧部上加热器和顶部加热器串联的电阻之和；所述侧部上加热器的电阻小于侧部上加热器和顶部加热器串联的电阻之和的1/2。