多晶硅铸锭炉的隔热块及包括该隔热块的多晶硅铸锭炉的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及多晶硅铸锭炉技术领域，具体涉及一种用于多晶硅铸锭炉中的隔热块及包括该隔热块的多晶硅铸锭炉。
技术背景
[0002]太阳能光伏发电是一种可持续的能源利用形式，绿色无污染、资源相对充足、不受地域限制、系统运行可靠等诸多优点使其受到越来越广泛的关注。多晶硅太阳能电池以其低成本、高转换效率及易于批量生产等诸多优点成为当前最重要的光伏产品之一。
[0003]多晶硅太阳能电池中的多晶硅锭通常采用铸造方法制备，目前，多晶硅锭铸造方法多为定向凝固法。定向凝固法多晶硅晶体生长时，坩祸底部开始形核，晶粒沿竖直方向生长，凝固结束得到柱状晶粒，此时硅锭内部晶界平行于生长方向，对硅片转换效率影响较小。多晶硅定向凝固过程通常伴随着隔热笼上升或底部隔热板下移，利用热交换块实现坩祸底部散热，但是，在形核初期，坩祸底部边角区域散热较快，使得坩祸壁附近晶粒快速生长形成细晶区，晶界偏离生长方向，同时凝固界面凹向熔体，分凝效应使得杂质集中在硅锭内部，进一步降低硅片光电转换效率。另外，多晶硅锭冷却开始时，硅锭内部温度较高，坩祸侧壁散热过快使得近壁处硅锭径向温度梯度增大，导致此处热应力增加，使得高温下热应力引起的位错密度快速增长，不利于高质量多晶硅锭的生长。
[0004]中国专利申请200820031102.X公开了一种具有石墨冷却块保温条的多晶硅铸锭炉热场结构，其包括保温隔热笼体、加热器、石墨冷却块和安装在石墨冷却块的底部四周的保温条，该结构可以使有效区域内微晶的含量降低，使生产出来的晶锭中微晶含量为0%，但是其不能抑制坩祸壁附近优先结晶，坩祸近壁处硅锭内部位错密度较大，故其还是存在上述缺陷。
[0005]中国专利申请201310327283.6公开了一种多晶硅铸锭炉冷却快，其包括冷却块本体和坩祸，其中坩祸位于冷却块本体的顶面，冷却块本体顶面开有凹槽，坩祸覆盖在凹槽上，凹槽的中心轴线、坩祸的中心轴线和冷却块的中心轴线重合。该方案中，通过设置正方形的凹槽利用空气和石墨的导热率的差异，实现对坩祸边角部位的适当保温，从而可以抑制坩祸壁附近晶粒的优先生长，获得较为平坦的固液界面，提供定向凝固多晶硅的质量。
[0006]但是，该方案中由于凹槽设置在冷却块上，首先会影响坩祸的热交换效率，使得化料时间以及冷却时间都大大增加；其次，由于坩祸是覆盖在凹槽上的，使得对坩祸底部侧壁晶粒的快速生长的抑制以及冷却过程中坩祸侧壁处硅锭内部位错密度快速增长的抑制效果有限，娃锭质量不够高。
【实用新型内容】
[0007]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供一种用于多晶硅铸锭炉的隔热块及包括该隔热块的多晶硅铸锭炉，其不仅可以缩短化料时间，降低加热器功耗，而且还能有效抑制坩祸底部侧壁晶粒的快速生长，获得微凸和较为平直的凝固界面，同时还能够抑制冷却过程中坩祸侧壁处硅锭内部位错密度快速增长，进而提高硅锭质量。
[0008]为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供一种用于多晶硅铸锭炉的隔热块，设置在多晶硅铸锭炉的坩祸底部外周，用于坩祸加热或冷却多晶硅过程中的隔热保温，其特征在于，该隔热块为中空方形筒体结构，筒体筒壁为中空夹层结构，其中内壁用于包覆设置在坩祸底部的热交换块外周壁面，且该内壁与所述热交换块外周壁面具有间隙，所述外壁用于与设置在坩祸外围的竖直隔热板固定接触，所述坩祸中心线、热交换块中心线以及隔热块中心线重合，且所述隔热块顶部低于热交换块顶部。
[0009]作为本实用新型的改进，所述隔热块顶部为平面，底部的内壁面呈内低外高的锥面，使得该隔热块内壁面的底部为内凹的锥形。
[0010]作为本实用新型的改进，所述隔热块底板设置有可上下移动的底部隔热板，该底部隔热板与所述热交换块底部设有间隙，且该间隙与所述筒体筒壁中空层相通。
[0011]按照本实用新型的另一方面，提供一种多晶硅铸锭炉，其具有上述的隔热块。
[0012]本实用新型中，隔热块顶部内、外壁呈正方形，内部中空形成四个大小相同对称分布的长方体气体通道，气体通道顶部矩形最长边与内壁平行，大小与内壁边长相等，最短边长度为15?35mm，侧壁面DEN与竖直隔热板底部侧壁面DBN位于同一平面，防止气体通道堵塞，以带走多晶硅晶体生长过程中的热量和气体中的杂质。
[0013]本实用新型中，隔热块内壁面与外部面形成夹层为四棱台空腔，以避免热交换块底部辐射换热受阻。
[0014]本实用新型中，隔热块置于竖直隔热板底边上，隔热块与热交换块之间优选留有5?1mm空隙，以释放热交换块和隔热块因受热不均匀引起的膨胀。
[0015]本实用新型中，硅料均匀置于坩祸内，坩祸置于热交换台上，隔热块顶部优选低于热交换块顶部5?10_，坩祸中心线、热交换块中心线、隔热块中心线和竖直隔热板中心线重合。
[0016]总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果:本实用新型通过设置上述隔热块，能够缩短多晶硅铸锭过程中化料时间，降低能耗，可以抑制形核初期坩祸底边侧壁处晶粒的快速生长，获得微凸和较为平直的凝固界面，同时还能够降低冷却过程中坩祸侧壁附近硅锭径向温度梯度，使得近壁处硅锭内部热应力减小，进而抑制位错密度的增长，提高多晶硅锭质量。具体来说，
[0017]I)隔热块具有四棱台空腔结构，四棱台侧面不与辐射路径ABB’相交，避免了热交换块底部辐射换热受阻。
[0018]2)隔热块内部矩形空腔对称分布，且远离隔热块内壁面，能够优化坩祸附近热场及流场分布，降低冷却过程中坩祸侧壁径向温度梯度，使得近壁处硅锭内部热应力减小，进而抑制位错密度的增长。
[0019]3)隔热块位于热交换块顶部下方，可以获得微凸凝固界面，进而抑制形核初期，坩祸底边侧壁处晶粒优先生长。
【附图说明】
[0020]图1为按照本实用新型实施例所构建的隔热块及具有该隔热块的铸锭炉炉体结构示意图；
[0021]图2为按照本实用新型实施例所构建的隔热块的俯视图；
[0022]图3为按照本实用新型实施例所构建的隔热块三维空间结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0024]参见图1-3，按照本实用新型实施例所构建的隔热块2的顶部内、外壁呈正方形，内部中空形成四个大小相同对称分布的长方体气体通道5，气体通道5顶部矩形最长边与内壁平行，大小与内壁边长相等均为840mm，最短边EK大小为15mm，侧壁面DEN与竖直隔热板底部侧壁DBB’位于同一平面，隔热块2置于竖直隔热板I底边上，DF大小为22.5mm。隔热块内壁面CHG宽度为145_。隔热块2与热交换块4之间空隙为10_。硅料7均匀置于坩祸6内，坩祸6水平放置在热交换台4上，隔热块2顶部低于热交换块4顶部10mm，坩祸中心线、热交换块中心线、隔热块中心线和竖直隔热板中心线相互重合。隔热块2在整个铸锭过程中静止不动，底部隔热板8可沿竖直方向移动，以实现多晶硅锭冷却过程。
[0025]实际生产过程中，首先多晶硅原料7装入涂有Si3N4缓冲层的坩祸6中，再将坩祸6置于热交换块4上，确保坩祸中心线与热交换块中心线相互重合，然后将隔热块2置于竖直隔热板I底边上，移动底部隔热板8至B处，关闭炉腔，进行化料，此时由于隔热块2的保温作用使得隔热块2顶部区域温度很高，缩短了化料时间，底部区域温度较低，因而降低了加热器功耗。多晶硅晶体生长开始时，底部隔热板8开始下移，此时坩祸6底部热量通过热传导进入热交换块4，隔热块2与热交换块4侧壁空隙降低了热交换块侧壁散热，此时热交换块4主要通过底部进行辐射散热，由于隔热块顶部低于坩祸底部，从而对坩祸底部起到一定的保温作用，因而可以获得微凸的凝固界面，抑制了坩祸底部侧壁晶粒优先生长。冷却过程开始时，底部隔热板8开始下移，此时硅锭内部温度较高，由于隔热块的保温作用，使得坩祸外壁周围气体温度相对较高，坩祸近壁处硅锭径向温度梯度相对减小，降低了近壁处硅锭内部热应力，因而抑制了高温下热应力引起的位错密度的快速增长，提高了多晶硅锭质量。
[0026]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型专利较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于多晶硅铸锭炉的隔热块，设置在多晶硅铸锭炉的坩祸(6)底部外周，用于坩祸(6)加热或冷却多晶硅(7)过程中的隔热保温，其特征在于，该隔热块(2)为中空方形筒体结构，筒体筒壁为中空夹层结构，其中内壁用于包覆设置在坩祸(6)底部的热交换块(4)外周壁面，且该内壁与所述热交换块(4)外周壁面具有间隙，所述外壁用于与设置在坩祸(6)外围的竖直隔热板⑴固定接触，所述坩祸(6)中心线、热交换块⑷中心线以及隔热块(2)中心线重合，且所述隔热块(2)顶部低于热交换块(4)顶部。
2.根据权利要求1所述的一种用于多晶硅铸锭炉的隔热块，其中，所述隔热块(2)顶部为平面，底部的内壁面呈内低外高的锥面，使得该隔热块(2)内壁面的底部为内凹的锥形。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于多晶硅铸锭炉的隔热块，其中，所述隔热块(2)底板设置有可上下移动的底部隔热板(8)，该底部隔热板(8)与所述热交换块(4)底部设有间隙，且该间隙与所述筒体筒壁的中空层相通。
4.一种多晶硅铸锭炉，其具有上述权利要求1-3中任一项所述的隔热块。
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于多晶硅铸锭炉的隔热块，设置在多晶硅铸锭炉的坩埚底部外周，用于坩埚加热或冷却多晶硅过程中的隔热保温，该隔热块为中空方形筒体结构，筒体筒壁为中空夹层结构，其中内壁用于包覆设置在坩埚底部的热交换块外周壁面，且该内壁与所述热交换块外周壁面具有间隙，所述外壁用于与设置在坩埚外围的竖直隔热板固定接触，所述坩埚中心线、热交换块中心线以及隔热块中心线重合，且所述隔热块顶部低于热交换块顶部。本实用新型还公开了具有该隔热块的铸锭炉。本实用新型不仅可以缩短硅锭铸造过程中化料时间，降低能耗，而且能够有效抑制形核初期坩埚壁附近晶粒优先生长，获得微凸和比较平直的凝固界面，进而提高硅锭质量。
【IPC分类】C30B28-06, C30B29-06
【公开号】CN204265888
【申请号】CN201420670376
【发明人】方海生, 王森, 蒋志敏, 郑江, 张梦杰, 金泽林
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年4月15日
【申请日】2014年11月11日