娃，这可以具有一些优点。例如，碳化 硅加热构件602在氧的存在下在高温下会较不易于腐蚀。通过使用真空室可以减少对包含 可腐蚀材料的加热元件的氧腐蚀，但是碳化硅加热构件602可以在没有真空室的条件下避 免腐蚀。另外，碳化硅加热构件602可以在没有水冷导线的条件下使用。在一个实例中，在 真空室中使用加热元件，在有水冷导线的条件下使用加热元件，或者是这两种情形的组合。 在一个实例中，在没有真空室的条件下使用加热构件602,在没有水冷导线的条件下使用加 热构件，或者是在真空室和水冷导线都没有的条件下使用加热构件。
[0119] 在一个实例中，一个或多个加热构件602是感应加热器。感应加热器602可以铸 入到一种或多种耐火材料中。那么，含有感应加热线圈的耐火材料可以位于底部坩埚的上 方。耐火材料可以是任何合适的材料，其包括但不限于氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧 化锆、氧化铬、碳化硅、石墨或其组合。在另一实例中，感应加热器602不铸入到一种或多种 耐火材料中。
[0120] 一种或多种加热构件602可以具有电气系统，使得当至少一个加热构件602失效 时，任何其余的功能性加热构件602可以继续接收电力并产生热量。在一个实例中，每个加 热构件602都具有其自己的电路。
[0121] 顶部加热器600可以包括隔热体604。隔热体604可以包括任何合适的隔热材料， 其包括但不限于隔热砖、耐火物、耐火物的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温毛或其组合。隔热 板可以包括高温陶瓷板。隔热材料604的底部边缘和一个或多个加热构件602可以在大致 相同的高度，或加热构件602可以位于隔热材料604的底部边缘的高度的上方，或隔热材料 604的底部边缘可以位于加热构件602的高度的上方。可以使用一个或多个加热构件602 与隔热材料604的其他配置，如一个或多个加热构件602为感应加热器、隔热材料604包含 耐火材料，其中一个或多个加热构件602被装在耐火材料604中。在这样的实例中，还可以 任选地包含额外的隔热材料，其中额外的隔热材料可以是耐火材料，或额外的隔热材料可 以是另一种合适的隔热材料。
[0122] 顶部加热器600可以包括外套606。外套606可以包含任何合适的材料，其包括但 不限于钢、不锈钢、铜、铸铁、耐火材料、耐火材料的混合物或其组合。隔热材料604可以至 少部分地布置在一个或多个加热构件602与外套606之间。外套606的底部边缘可以与隔 热材料604的底部边缘以及与一个或多个加热构件602大致齐平，或外套606的底部边缘 可以与隔热材料604的底部边缘或与一个或多个加热构件602相偏移，或者是这两种情形 的组合。在一个实例中，外套606的覆盖隔热材料604边缘的部分可以包含具有相对低的热 导率的材料，如合适的耐火物，如氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氧化铬、碳化硅、 石墨或其组合。
[0123] 顶部加热器外套606可以包括结构件，如可以为顶部加热器600增加强度或刚性 的构件。结构件可以包含钢、不锈钢、铜、铸铁、耐火材料、耐火材料的混合物或其组合。在 一个实例中，顶部加热器外套606可以包括一个或多个结构件，所述结构件在远离顶部加 热器600中心的方向从顶部加热器外套606的外部延伸，并围绕顶部加热器600的外周或 周边水平地延伸。例如，一个或多个水平结构件可以位于顶部加热器外套606的外部的下 边缘处，位于顶部加热器外套606的外部的顶部边缘处，或位于顶部加热器外套606的外部 的底部边缘与顶部边缘之间的任何位置处。在一个实例中，顶部加热器600包括三个水平 结构件，其中一个位于顶部加热器外套606的底部边缘处，一个位于顶部加热器外套606的 上边缘处，并且一个位于顶部加热器外套606的下边缘和上边缘之间。
[0124] 顶部加热器外套606可以包括在顶部加热器外套606的外部上的一个或多个结构 件，所述结构件在远离顶部加热器600中心的方向上延伸向顶部加热器外套606的外部，并 且从顶部加热器外套606的外部的底部到顶部加热器外套606的外部的顶部垂直地延伸。 在一个实例中，顶部加热器外套606可以包括八个垂直结构件。垂直结构件可以围绕着顶 部加热器600的外周或周边均匀地间隔开。在一个实例中，顶部加热器外套606可以包括垂 直结构件和水平结构件两者。顶部加热器外套606可以包括延伸越过顶部加热器外套606 的顶部的结构件。顶部上的结构件可以从顶部加热器外套606的顶部的一个外边缘延伸到 顶部加热器外套606的顶部的另一边缘。顶部上的结构件也可以部分地延伸越过外套606 的顶部。结构件可以是条状物、棒、管或任何适于为顶部加热器增加结构支撑的结构。结构 件可以通过焊接、硬钎焊或其他合适的方法附接至顶部加热器外套606。可以使结构件适合 于有利于设备的运输和物理操作。例如，顶部加热器外套606的外部的顶部上的结构件可 以是具有足够尺寸、强度、方向、间距或其组合的管，使得特定的叉车或其他起重机可以提 升或移动或以其他方式物理地操作顶部加热器。在另一实例中，以上描述为位于顶部加热 器外套606的外部上的结构件可以可替代地或额外地位于顶部加热器外套606的内部。在 另一实例中，可以使用吊车或其他起重装置（例如，液压设备）利用附接至顶部加热器600 的链来移动顶部加热器600,所述链包括附接至顶部加热器的结构件的链或附接至顶部加 热器600的非结构件的链。例如，链可以附接至顶部加热器外套606的上边缘以形成用于 吊车的限动器来提升和额外地移动顶部加热器600。
[0125] 宙向凝固的方法
[0126] 本发明提供了使用上述设备进行定向凝固的方法，其中所述设备可以是设备的任 何实施方案。定向凝固的方法可以包括纯化硅以制造一个或多个硅锭块用于切成一个或多 个太阳能晶片。所述方法包括提供或接收第一硅。第一硅可以包括任何合适纯度等级的 硅。所述方法可以包括至少部分地熔化第一硅。所述方法可以包括完全熔化第一硅。至少 部分地熔化第一硅可以包括完全熔化第一硅，几乎完全熔化第一硅（熔化约99重量％、95 重量％、90重量％、85重量％或80重量％以上），或部分地恪化第一娃（恪化低于约80重 量％或更低）。熔化第一硅提供第一熔融硅。所述方法包括提供或接收包括底部的定向凝 固坩埚。定向凝固坩埚可以与本文中所述的坩埚基本相似。
[0127] 所述方法可以包括提供或接收冷却平台。冷却平台可以与本文中所述的冷却平台 基本相似。所述方法可以包括利用强制空气或空气和水蒸气或其他气体的混合物冷却定向 凝固坩埚的一部分。该部分可以包括由外套或坩埚的暴露底部的耐火材料包围的部分，如 本文所述的。
[0128] 所述方法包括定向凝固第一硅以提供第一熔融硅。在定向凝固中，硅大致在定向 凝固坩埚的底部处开始凝固，并大致在定向凝固坩埚的顶部处结束。定向凝固提供第二硅。 第二硅的最后凝固部分比第一硅包括更大浓度的杂质。第二硅除最后凝固部分之外的部分 比第一硅包含更低浓度的杂质。
[0129] 第二硅可以是硅锭块。硅锭块可适于切成太阳能晶片，用于制造太阳能电池。硅 锭块可以使用例如带锯、线锯或任何合适的切割装置来切成太阳能晶片。
[0130] 在一些实施方案中，在真空中、在惰性气氛中或在环境空气中实施所述方法。为了 在真空中或在惰性气氛中实施所述方法，可以将设备放置在能够低于大气压的或填充有比 环境空气具有更大浓度的惰性气体的气氛的室中。在一个实例中，坩埚和顶部加热器之间 的空间可以在真空中或在惰性气氛中。在一些实施方案中，可以将氩气泵送到设备中或泵 送到容纳设备的室中，以置换来自设备中的氧气。可以从设备中移除来自加热元件的碳。
[0131] 在一些实施方案中，所述方法包括将上述的顶部加热器放置在定向凝固坩埚的上 方。可以在添加熔融硅之前预热底部坩埚，包括定向凝固坩埚。顶部加热器可以用于预热底 部坩埚。预热底部坩埚可以有助于防止硅在坩埚壁上的过快凝固。在添加熔融硅之前可以 预热顶部加热器。顶部加热器可以用于熔化第一硅。在硅熔化后，顶部加热器可以用于将 热量传递到硅。当在定向凝固坩埚中熔化硅时，在硅熔化后，顶部加热器可以将热量传递到 硅。顶部加热器可以用于控制硅顶部的热量。顶部加热器可以用作隔热器，以控制在底部 坩埚顶部处的热量损失的量。可以在定向凝固坩埚的外部熔化第一硅，例如在熔炉中的定 向凝固坩埚中，然后将其添加到定向凝固坩埚中。在一些实施方案中，在定向凝固坩埚的外 部熔化的硅可以在被添加到定向凝固坩埚之后使用顶部加热器进一步加热至期望的温度。
[0132] 在一些实施方案中，顶部加热器包括感应加热器，硅会优选地在被添加至底部坩 埚之前熔化。可替代地，顶部加热器包括加热元件以及感应加热器。感应加热对熔融硅可 以是更有效的。感应可以导致熔融硅的混合。在一些实施方案中，可以充分调整功率以优 化混合量，因为过多的混合能增加杂质的偏析。为了产生硅给料，湍流混合可以改善硅的品 质，但是也可以产生不期望的效果，如多孔性或杂质在最终硅锭块中的沉淀。搅拌的性质和 强度应不在硅液体中产生流体力学不稳定性，并且不应使凝固前沿不稳定。
[0133] 定向凝固可以包括从定向凝固坩埚的底部移除热量。热量的移除可以任何合适的 方式进行。例如，热量的移除可以包括跨过定向凝固坩埚的底部吹风扇。热量的移除可以包 括允许环境空气或空气和水蒸气或其他气体的混合物冷却坩埚的底部，而不使用风扇。除 了环境空气或空气和水蒸气或其他气体的混合物之外，热量的移除还可以包括使冷却液流 过与定向凝固坩埚的底部相邻的管，流过穿过定向凝固坩埚底部的管，流过穿过定向凝固 坩埚所位于的材料的管，或其组合。从定向凝固坩埚的底部移除热量使得在定向凝固坩埚 中建立热梯度，所述热梯度引起坩埚内的熔融硅大致从定向凝固坩埚的底部到定向凝固坩 埚的顶部的定向凝固。
[0134] 从定向凝固坩埚的底部移除热量可以在整个定向凝固期间进行。可以使用多种冷 却方法。例如，定向凝固坩埚的底部可以进行液体冷却，或利用风扇进行冷却。可以对定向 凝固的一部分进行风扇冷却，而对另一部分进行液体冷却，并且在这两种冷却方法之间存 在任何合适量的重叠或缺乏（lack)。可以对定向凝固的一部分进行液体冷却，而对另一部 分进行环境空气的冷却或空气和水蒸气或其他气体的混合物的冷却，并且在这两种冷却方 法之间存在任何合适量的重叠或缺乏。也可以在定向凝固的任何合适期间内，通过将定向 凝固坩埚放置到冷却的材料块上进行冷却，包括具有任何合适的重叠量的与其他冷却方法 的任何合适组合。可以进行底部的冷却，且同时将热量添加到顶部；例如同时将热量添加到 顶部以升高顶部的温度、保持顶部的温度、或实现顶部的特定冷却速率。作为本发明的实施 方案，涵盖了加热定向凝固坩埚顶部、冷却底部及其组合