一种多晶硅铸锭炉的组合式加热器及多晶硅铸锭炉的制作方法

本实用新型涉及一种多晶硅铸锭设备，具体涉及一种多晶硅铸锭炉的组合式加热器及包含该加热器的多晶硅铸锭炉。

背景技术：

目前，太阳能电池(组)多为多晶硅太阳能电池，其中，晶体硅材料是最主要的光伏材料，并且晶体硅材料在今后相当长的一段时间里也依然是太阳能电池的主流材料。通常情况下，制造多硅晶的设备是铸锭炉，而现有的多晶硅铸锭炉主要由炉体、隔热笼、坩埚、加热器以及热交换台等结构构成。

现有多晶硅铸锭炉的工作原理是：当硅材料加热到熔融状态后，将隔热笼从下向上打开，由于坩埚设置在热交换台上，因此坩埚的底部首先冷却，硅液在该部位形成晶核并开始长晶，由于隔热笼从下向上移动，在竖直方向上形成下部低温、上部高温的温度分布，使得长晶界面(等温线)从下逐渐向上移动，让晶体从下向上生长。众所周知，长晶方向与晶体的品质息息相关，若想制造高纯度多晶硅，关键是要保证垂直方向温度梯度和径向长晶界面水平度，亦即让晶体从下垂直地向上生长。

现有的多晶硅铸锭炉中，加热器通常包括顶部加热器和侧向加热器，为了让各个部位均匀受热，加热器在其热辐射范围内的加热量是均匀的，例如申请公布号为CN106757338A的实用新型专利申请文公开的“多晶硅铸锭炉的石墨加热器及多晶硅铸锭炉”，授权公告号为CN103541003B的实用新型专利公开的“多晶硅铸锭炉”等，这种多晶硅铸锭炉的硅液在结晶之前，侧向的温度是均匀的，在长晶过程中，必须通过对隔热笼提升的速度进行合理的控制，才能获得理想的垂直方向的温度梯度，让长晶界面水平地从下向上生长，然而隔热笼的开启过程与最佳的长晶过程之间难以精准地配合，在实际生产中会存在以下的不足：1、长晶界面向上的移动速度难以精准控制，隔热笼的提升速度如果过慢，就会导致长晶界面向上的移动慢，效率低，并影响晶体品质，隔热笼的提升速度如果过快，上方的硅液比下方的硅液更快冷却，就不能保证长晶界面从下向上生长，严重影响晶体品质；2、隔热笼的提升速度较慢，影响生产效率。

技术实现要素：

本实用新型目的在于克服现有技术的不足，提供一种多晶硅铸锭炉的组合式加热器，该加热器能够使得铸锭炉在竖直方向上形成稳定的温度梯度，利用自然的竖向温度分布来促使晶体生长，提高多硅晶的长晶效率以及晶体的纯度。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种多晶硅铸锭炉的组合式加热器，包括支架、设置在支架顶端的顶部加热器、设在支架侧向的侧部加热器以及石墨电极组件；其特征在于，所述侧部加热器包括设置在支架侧面上的多个侧部加热模块，支架的每个侧面设置一个侧部加热模块，每个所述侧部加热模块由多个发热单元组合而成；每个侧部加热模块中的发热单元从下到上分成若干组加热组件；所有侧部加热模块在同一高度上的加热组件的总电阻值相同，同一侧部加热模块中的各个加热组件的总电阻值从下到上呈由小到大分布。

上述多晶硅铸锭炉的组合式加热器的工作原理是：

本实用新型中发热单元的电阻值、尺寸、形状可以做成不同的规格，形成发热单元库待选用；由于同一侧部加热模块中的各个加热组件的总电阻值从下到上呈由小到大分布，而所有侧部加热模块在同一高度上的加热组件的总电阻值相同，因此在对硅原料加热熔融后，硅液外侧的温度从下到上呈由小到大的规律分布，并且相邻两组加热组件的交接位置处，通过局部位置的热交换，温度不会出现跳跃式变化，而会形成自然过渡，使得硅液外侧的温度从下到上温度均匀上升；这样在结晶时，可以把隔热笼一次性打开，让硅液外侧的从下到上具有相同的散热条件，由于下部的温度低，散热快，硅液从底部开始长晶，随着时间的推移，结晶温度线逐渐上移，使得长晶界面逐步的垂直向上移动，由于硅液四周的温度环境一致，因此长晶界面会保持为水平状态，从而能够获得均匀的垂直向上生长的高品质多晶硅。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述石墨电极组件包括与顶部加热器连接的第一石墨电极组以及与侧部加热器连接的第二石墨电极组；所述第一石墨电极组和第二石墨电极组分别与第一三相电源和第二三相电源连接。通过三相电源给顶部加热器和侧部加热器供电，使得在输送相同的加热功率上所使用的时间比直流电源短，能够提高效率，同时能够提供稳定的电压，保证发热单元能够均匀发热；另外，由于顶部加热器和侧部加热器连接在不同的三相电源上，通过控制两个三相电源的电压比，从而可以改变顶部加热器与侧部加热器的功率比，从而更有利于获得需要的温度梯度。

本实用新型的一个优选方案，其中，当所述加热组件中的发热单元为多个时，这些发热单元沿竖向或/和径向排列。这样可以以每组加热组件的总电阻值作为目标，根据加热组件在竖直方向的高度并结合安装空间，灵活选择合适电阻值和尺寸的发热单元进行组合。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述发热单元包括蛇形的发热单元以及板状的发热单元。蛇形结构的发热单元有利于节省材料，并且在后续的散热过程中有利于散热，可以通过在不同位置特意设置蛇形的发热单元，有利于在后续散热过程中让该部位加快散热，从而更有利于获得需要的温度分布；而板状的发热单元则在径向和竖向均能很好地与蛇形的发热单元进行组合搭配。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述支架包括四个连接板，每个连接板包括中间部以及连接在中间部两侧的两个连接部；每个连接板中的两个连接部分别与相邻两个侧部加热模块中的发热单元的一端连接；所述四个连接板将所有的发热单元连接一起形成矩形框结构。这种矩形结构的支架形态不但便于加热单元的安装固定，简化加热单元的结构，而且也有利于保证支架的各个侧面具有一致的加热条件和温度分布，在圆周方向上不会出现温度分布的差异。

本实用新型的一个优选方案，其中，每个连接部上均设有多个沿竖向排列的用于与发热单元连接的安装孔；每个发热单元的两端均设有与所述安装孔配合的固定孔；所述发热单元通过螺栓连接在连接板的连接部上。本优选方案的好处在于方便发热单元的安装和拆卸，并且由于安装孔沿竖向排列，从而可以灵活地调节发热单元在竖直方向的固定位置，也可以适应于不同尺寸规格的发热单元的固定，通用性好，更好地实现发热单元的灵活组合。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述顶部加热器包括五个顶部蛇形发热单元以及用于将每个顶部蛇形发热单元连接固定一起的固定连接块。通过设置蛇形状的顶部加热器，能够节省材料，便于加工和后续散热；另外，通过固定连接块将顶部蛇形发热单元连接固定，有利于顶部蛇形发热单元的安装和拆卸。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述第一石墨电极组包括三个第一石墨电极，并且均匀地设置在顶部蛇形发热单元上；三个所述第一石墨电极将五个所述顶部蛇形发热单元平分为三个电阻值相等的顶部发热块；三个所述第一石墨电极分别与第一三相电源的U、V、W相相连。本优选方案的好处在于使得顶部加热器的顶部蛇形发热单元能够得到相同的电压，从而在顶部加热器内获得均匀的热场。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述第二石墨电极组有三个，并将所述侧部加热器上的加热组件在圆周方向上等分成电阻值相同的三部分；在加热组件上与所述第二石墨电极对应处设有用于连接第二石墨电极和加热组件的导电连接组件，所述连接板由导电材料制成；所述导电连接组件包括安装固定在加热组件上的竖板以及设置在竖板上端的横板，所述第二石墨电极设置在横板上；三个所述第二石墨电极分别与第二三相电源的U、V、W相相连接。通过设置三个电极，不但与三相电源匹配，而且这三个电极在圆周方向上将加热组件等分成电阻值相同的三部分，使得圆周方向的各个部位的发热量均匀，使得加热器内获得均匀的热量，有利于结晶时获得稳定向上移动的等温线。

本实用新型还提出一种多晶硅铸锭炉，包括炉体、加热器、坩埚以及隔热层，其特征在于，所述加热器为上述一种多晶硅铸锭炉的组合式加热器。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

1、通过选用具有不同电阻值的发热单元从下向上排列设置，或者选用电阻值相同但数量不同的发热单元从下向上排列设置，就可以获得具有不同电阻值的加热组件，从而在对硅液进行冷却结晶之后在竖直方向上即可形成理想的温度梯度，这种温度梯度对晶体具有功率补偿的作用，使得温度的控制更加方便和精确，从而能够避免过于依赖控制隔热笼的移动速度来实现温度控制，效率更高，获得的晶体品质更好。

2、发热单元的选择灵活多变，不但发热单元的电阻值可以设置成不同的规格，而且形状、尺寸也可以设置成不同的规格供选择，且发热单元在竖直方向的安装位置也灵活多变，更有利于获得理想的温度分布梯度，进而获得更高品质的多晶体。

3、通过在特定的位置增加或减少一定电阻值的发热单元，可以获得特定形态的等温线，以获得特定品质的晶体。例如，最理想的长晶界面为水平状态，但是硅原料中不可避免的存在一些杂质，部分杂质在高温加热熔融后可以以挥发的方式去掉，但是部分杂质不会熔融，混杂在硅液中，在长晶过程中这些杂质固结在晶体内部，从而影响晶体的纯度；为了排除这些杂质，可以让长晶界面的中部略微向上凸起，四周向下倾斜(这种中部略微向上凸起的长晶界面对长晶的方向和各个部位的长晶速度不会造成实质影响)，这样在长晶过程中，杂质就会在长晶界面上向四周流去，最终这些杂质就会聚集在硅锭的表层或者边缘部分，这样在后续的加工过程中便可以方便地将这些杂质去除；为了获得这种中部略微向上凸起的长晶界面，就要求在硅液的横截面上，中间的温度要略低于四周的温度，在本实用新型中，在具有水平长晶截面的发热单元组合方案的基础上，可以通过在底部的加热组件上增加多一个发热单元，或者在底部的加热组件上选用电阻值更大一点的发热单元，就可以在结晶的初始阶段，让硅液底部周围的温度比正常情况下略高一点，这样硅液在结晶的初始阶段，中间硅液会先于周边的先结晶，这样在初始阶段就能形成中部略微向上凸起的长晶界面，后续的长晶过程就会保持这种状态进行，更有利于获得纯度更高的晶体。

附图说明

图1为本实用新型一种多晶硅铸锭炉的组合式加热器的立体结构示意图。

图2为图1中的顶部加热器和第一石墨电极的俯视图。

图3为图1中连接板的立体结构示意图。

图4为图1中的导电连接组件的立体结构示意图。

图5为本实用新型的一种实施例中的蛇形发热单元的立体结构示意图。

图6为本实用新型的一种实施例中的大号发热单元的立体结构示意图。

图7为本实用新型的一种实施例中的小号发热单元的立体结构示意图。

图8为发热单元的第一种组合方式的多晶硅铸锭炉的组合式加热器的立体结构示意图。

图9为发热单元的第二种组合方式的多晶硅铸锭炉的组合式加热器的立体结构示意图。

图10为发热单元的第三种组合方式的多晶硅铸锭炉的组合式加热器的立体结构示意图。

图11为多晶硅铸锭炉中的水平状态的长晶界面的剖面示意图。

图12为多晶硅铸锭炉中的中部向上微凸的长晶界面和杂质排出的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步描述，但本实用新型的实施方式不仅限于此。

参见图1-图4，本实施例的一种多晶硅铸锭炉的组合式加热器，包括支架、设置在支架顶端的顶部加热器5、设在支架侧向的侧部加热器2以及石墨电极组件；所述侧部加热器2包括设置在支架侧面上的多个侧部加热模块，支架的每个侧面设置一个侧部加热模块，每个所述侧部加热模块由多个发热单元组合而成；每个侧部加热模块中的发热单元从下到上分成若干组加热组件；所有侧部加热模块在同一高度上的加热组件的总电阻值相同，同一侧部加热模块中的各个加热组件的总电阻值从下到上呈由小到大分布。

参见图1，所述石墨电极组件包括与顶部加热器5连接的第一石墨电极4组以及与侧部加热器2连接的第二石墨电极3组；所述第一石墨电极4组和第二石墨电极3组分别与第一三相电源和第二三相电源连接。通过三相电源给顶部加热器5和侧部加热器2供电，使得在输送相同的加热功率上所使用的时间比直流电源短，能够提高效率，同时能够提供稳定的电压，保证发热单元能够均匀发热；另外，由于顶部加热器5和侧部加热器2连接在不同的三相电源上，通过控制两个三相电源的电压比，从而可以改变顶部加热器5与侧部加热器2的功率比，从而更有利于获得需要的温度梯度。

参见图1，当所述加热组件中的发热单元为多个时，这些发热单元沿竖向或/和径向排列。这样可以以每组加热组件的总电阻值作为目标，根据加热组件在竖直方向的高度并结合安装空间，灵活选择合适电阻值和尺寸的发热单元进行组合。

参见图1，所述发热单元包括蛇形的发热单元以及板状的发热单元。蛇形结构的发热单元有利于节省材料，并且在后续的散热过程中有利于散热，可以通过在不同位置特意设置蛇形的发热单元，有利于在后续散热过程中让该部位加快散热，从而更有利于获得需要的温度分布；而板状的发热单元则在径向和竖向均能很好地与蛇形的发热单元进行组合搭配。

参见图1和图3，所述支架包括四个连接板1，每个连接板1包括中间部1-1以及连接在中间部1-1两侧的两个连接部1-2；每个连接板1中的两个连接部1-2分别与相邻两个侧部加热模块中的发热单元的一端连接；所述四个连接板1将所有的发热单元连接一起形成矩形框结构。这种矩形结构的支架形态不但便于加热单元的安装固定，简化加热单元的结构，而且也有利于保证支架的各个侧面具有一致的加热条件和温度分布，在圆周方向上不会出现温度分布的差异。

参见图3，每个连接部1-2上均设有多个沿竖向排列的用于与发热单元连接的安装孔1-21；每个发热单元的两端均设有与所述安装孔1-21配合的固定孔；所述发热单元通过螺栓连接在连接板1的连接部1-2上。这样设置的好处在于方便发热单元的安装和拆卸，并且由于安装孔1-21沿竖向排列，从而可以灵活地调节发热单元在竖直方向的固定位置，也可以适应于不同尺寸规格的发热单元的固定，通用性好，更好地实现发热单元的灵活组合。

参见图2，所述顶部加热器5包括五个顶部蛇形发热单元5-1以及用于将每个顶部蛇形发热单元5-1连接固定一起的固定连接块5-2。通过设置蛇形状的顶部加热器5，能够节省材料，便于加工和后续散热；另外，通过固定连接块5-2将顶部蛇形发热单元5-1连接固定，有利于顶部蛇形发热单元5-1的安装和拆卸。

参见图1和图2，所述第一石墨电极4组包括三个第一石墨电极4，并且均匀地设置在顶部蛇形发热单元5-1上；三个所述第一石墨电极4将五个所述顶部蛇形发热单元5-1平分为三个电阻值相等的顶部发热块；三个所述第一石墨电极4分别与第一三相电源的U、V、W相相连。本优选方案的好处在于使得顶部加热器5的顶部蛇形发热单元5-1能够得到相同的电压，从而在顶部加热器5内获得均匀的热场。

参见图1和图4，所述第二石墨电极3组有三个，并将所述侧部加热器2上的加热组件在圆周方向上等分成电阻值相同的三部分；在加热组件上与所述第二石墨电极3对应处设有用于连接第二石墨电极3和加热组件的导电连接组件6，所述连接板1由导电材料制成；所述导电连接组件6包括安装固定在加热组件上的竖板6-1以及设置在竖板6-1上端的横板6-2，所述第二石墨电极3设置在横板6-2上；三个所述第二石墨电极3分别与第二三相电源的U、V、W相相连接。通过设置三个电极，不但与三相电源匹配，而且这三个电极在圆周方向上将加热组件等分成电阻值相同的三部分，使得圆周方向的各个部位的发热量均匀，使得加热器内获得均匀的热量，有利于结晶时获得稳定向上移动的等温线。

本实施例的一种多晶硅铸锭炉的组合式加热器的工作原理是：

所述发热单元的电阻值、尺寸、形状可以做成不同的规格，形成发热单元库待选用；由于同一侧部加热模块中的各个加热组件的总电阻值从下到上呈由小到大分布，而所有侧部加热模块在同一高度上的加热组件的总电阻值相同，因此在对硅原料加热熔融后，硅液10外侧的温度从下到上呈由小到大的规律分布，并且相邻两组加热组件的交接位置处，通过局部位置的热交换，温度不会出现跳跃式变化，而会形成自然过渡，使得硅液10外侧的温度从下到上温度均匀上升；这样在结晶时，可以把隔热笼一次性打开，让硅液10外侧的从下到上具有相同的散热条件，由于下部的温度低，散热快，硅液10从底部开始长晶，随着时间的推移，结晶温度线逐渐上移，使得长晶界面11逐步的垂直向上移动，由于硅液10四周的温度环境一致，因此长晶界面11会保持为水平状态，从而能够获得均匀的垂直向上生长的高品质多晶硅。

参见图8-图10，本实施例中的多晶硅铸锭炉的组合加热器具有多种组合方式来实现竖直方向上的温度梯度，为具体体现本实用新型的这一特点，列举以下例子：

其中，所述发热单元库包括小号板状发热单元、大号板状发热单元以及蛇形发热单元7，另外，上述三种发热单元的电阻值依次增大；

(1)在侧部加热模块中位于最低的加热组件由一个小号板状发热单元8组成，位于中间的加热组件由一个大号板状加热单元组成，位于最高的加热组件由一个蛇形发热单元7组成；(如图8所示)

(2)在侧部加热模块中位于最低的加热组件由两个小号板状发热单元8组成，位于中间的加热组件由大号板状发热单元9组成，位于最高的加热组件由两个蛇形发热单元7组成；(如图9所示)

(3)在侧部加热模块中位中间的加热组件由两个小号板状发热单元8组成，位于最高的加热组价由一个大号板状发热单元9、一个小号板状发热单元8以及一个蛇形发热单元7组成，在最低处不设置发热单元。(如图10所述)

本实用新型的多晶硅铸锭炉的组合式加热器在实际工作中，还有各种各样的组合方式，发热单元库也不止只有三种发热单元；通过不同的发热单元的组合方式，最终形成的稳定的温度梯度，并且竖直方向的温度始终是由下至上升温，从而提高析晶率和析出晶体的纯度。

参见图11-图12，另外，还能根据析晶的实际情况来调整发热单元的组合方式。例如，最理想的长晶界面11为水平状态(如图11所示)，然而，为了方便清理析出晶体后的杂质14，可以让长晶界面11的中部略微向上凸起，四周向下倾斜(这种中部略微向上凸起的长晶界面11对长晶的方向和各个部位的长晶速度不会造成实质影响)，让杂质14在长晶界面11上向四周流去，聚集在晶体的表层；此时，工人可以在侧部加热模块的最低层另加一个附加发热单元13(或选用一个电阻值稍大的发热单元)，这样在结晶的初始阶段，能够让硅液10底部周围的温度比正常情况下略高一点，就会使得中间硅液10会先于周边的先结晶，从而使得在初始阶段就能在多晶硅铸锭炉12中形成中部略微向上凸起的长晶界面11，后续的长晶过程就会保持这种状态进行，更有利于获得纯度更高的晶体。

上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。