专利名称：一种连续生产多晶硅锭的定向凝固方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以材料或形状为特征的具有一定结构的均匀多晶材料，尤其是涉及一种 冶金法从金属硅制造太阳能级多晶硅过程中，连续生产多晶硅锭的定向凝固方法和设备。
背景技术：
目前太阳能已经成为最受关注的绿色能源，多晶硅是目前应用最广泛的太阳能电池材 料。浇铸多晶硅锭的制备工艺在原理上有两种方式 一种是在一个坩埚内将多晶硅熔化，然 后通过坩埚底部热交换，使晶体冷却，即热交换法；另一种是在一个坩埚内将多晶硅熔化， 然后倒入另一个坩埚冷却。
国际上著名的多晶硅生产厂商如日本的京陶、德国的拜耳、法国的伏特瓦克等公司均采 用热交换法，使用的浇铸炉一次投料可生产250kg多晶硅，但是采用这种方式， 一个定向凝 固炉一次只能定向凝固一个多晶硅锭，周期长，单体凝固耗能大。
公开号为CN1873062的发明专利申请中提供一种太阳能电池用高纯多晶硅的制备方法和 装置。该发明把真空电磁感应熔炼、等离子体氧化除杂和定向凝固结合起来，制备太阳能电 池用高纯硅锭。根据电磁感应原理，在材料外侧施加交变电磁场时，Q = jVo。根据化学平 衡原理，元素在真空中的平衡分压低于大气中的分压，因此，真空熔炼可以去除液体硅中的 P等杂质。根据金属凝固原理，在材料结晶过程中溶质将再分配，且平衡分配系数小于l的 元素可以通过顺序凝固被富集在最后凝固部位，达到将其从液体中排除的目的。
公开号为CN85100529的发明专利申请中提供一种定向凝固生长太阳能电池用的多晶硅 锭工艺，以高性能的石墨块组合成模具，用去离子水等作调料,将经处理的氮化硅粉料调成糊 状，作脱模剂,用氩气和氮气为气氛，熔化时模具悬挂，凝固时模具支撑在水冷却的下转轴上， 在下降模具的同时增大冷却水流速,使熔硅从模具底始定向凝固.使用本发明可得无气孔、无 裂缝的完整方锭，晶粒呈柱状，晶宽达毫米级，掺杂可控,制作的太阳能电池性能良好，全面积 转换效率最佳值达11.3%。
上述专利申请所提供的方法都是一次只能凝固一个硅锭，不能连续生产。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的生产多晶硅锭的定向凝固方法所存在的一个定向凝固炉一次只能定向凝固一个多晶硅锭，产量低，生产周期长，耗能大，设备复杂，生产成本高等 缺点，提供一种冶金法从金属硅制造太阳能级多晶硅过程中，大批量连续生产多晶硅锭的定 向凝固方法。
本发明的另一目的在于提供一种用于在冶金法从金属硅提纯太阳能级多晶硅过程中实 现多晶硅锭大批量连续生产的定向凝固连续轨道炉。
本发明的技术方案是采用一炉多锭的凝固过程流水线工艺。 本发明所述的连续生产多晶硅锭的定向凝固方法包括以下步骤
1) 将空石墨模具按轴向空间序列排列，并由炉车带动同步前移，空石墨模具在预热区 逐步预热，升温至1200 1600°C;
2) 经熔融精炼的液态硅从炉膛高温区的炉顶加料口倒入预热后的空石墨模具内，炉膛
高温区的温度为1400 1600°C;
3) 装有液态硅的石墨模具在炉膛高温区保温2 8h后进入中温区；
4) 液态硅在石墨模具中经过炉膛的高温区到中温区的时间为10 30h，液态硅逐步定向 凝固，炉膛中温区的温度为1100 140(TC;
5) 凝固硅在石墨模具中经过炉膛低温区的时间为10 20h，温度逐步降温到600 1000 'C，炉膛低温区的温度为600 1100°C;
6) 凝固硅在石墨模具中在回转轨道护罩下逐步冷却到室温，获得定向凝固的多晶硅锭。 空石墨模具最好预先经抗氧化处理，抗氧化处理是指在空石墨模具的内表面和外表面喷
涂二氮化硅或氮化硼，或在空石墨模具的内表面喷涂二氮化硅，在外表面喷涂氮化硼，或在 空石墨模具的内表面喷涂氮化硼，在外表面喷涂二氮化硅。炉膛高温区最好通入氩气气氛。
本发明采用一炉多锭的凝固过程流水线工艺，按时间序列逐个在预热过的石墨模具中倒 入熔融精炼后的硅液体，在炉膛高温区通入氩气气氛，炉膛温度从高到低，炉膛断面温度上 高下低，促使石墨模具中的液态硅由下向上自然形成晶体固液界面逐步定向凝固，使熔体在 凝固过程中杂质浓集便于去除。
本发明所述的连续生产多晶硅锭的定向凝固连续轨道炉设有炉体、炉膛、炉车轨道、炉 车、前辅助小车、后辅助小车、回转轨道、推进装置、供电和温控系统。炉体为分段结构设 计，可移动和拆卸；炉膛由一系列炉车的上方和炉体构成，炉膛内沿轴向设置预热区、高温 区、中温区、低温区等加热区；炉车设于炉膛下方，炉车用于装载石墨模具，炉车轨道设于 炉车下方，炉车在轨道上行驶；前辅助小车设于炉膛入口前方，用于辅助将炉车从回转轨道 上转移到炉膛入口；后辅助小车设于炉膛出口后方，用于辅助将炉车和凝固硅锭从炉膛出口转移到回转轨道上；回转轨道设于炉体的侧面，用于将炉车从炉膛的出口转移到炉膛入口； 推进装置可采用液压或机械式推进装置，设于炉膛入口前方，用于推动炉车前进，控制前进 速度；供电和温控系统设于炉体外。
加料口可采用引导式嵌入型加料口，加料口设有加料口外套，加料口外套与炉体固定， 内套和料斗可抽取便于更换。
在靠近炉膛出口的一段回转轨道上可设回转轨道护罩。
与现有的生产多晶硅锭的定向凝固方法与设备相比，本发明的突出优点与效果是
1、 克服了现有定向凝固方法一个定向凝固炉一次只能定向凝固一个多晶硅锭、产量低、 生产周期长的缺点。通过解决凝固过程顶部加料、炉膛温度梯度结构、炉内漏硅保护、工艺 曲线精确控制等难题， 一个定向凝固炉能够批量连续凝固多晶硅，实现凝固过程的流水线作
业生产。
2、 生产过程节能环保，克服了单锭凝固每次定向凝固过程中炉体都要从最高温下降到 最低温，耗能大的缺点，通过对炉膛按照工艺曲线分区设置温度，保持温度不变，使浇铸多 晶硅凝固过程能耗大幅度降低，生产成本大幅度下降。
3、 凝固过程流水线按照工艺曲线设置控温组数，按照工艺曲线精确控制，工艺过程稳 定。同一条流水线生长的多晶硅锭工艺一致，成品率高。
4、 工艺与设备简单，设备成本低，运行费用低，操作简便，单炉产能大幅度增加。突 破低成本连续性大批量生产太阳能级多晶硅的瓶颈；单套定向凝固炉产能每年可达到200吨 以上。
图1为本发明实施例的工艺流程图。
图2为本发明实施例大批量连续生产多晶硅锭的定向凝固连续轨道炉的结构示意图。
具体实施例方式
参见图1，本发明所述的连续生产多晶硅锭的定向凝固方法其运行过程如下。 一系列空石墨模具l按轴向空间序列排列，并分别由一系列炉车2带动同步右移。经过 抗氧化处理的空石墨模具1在预热区3逐步预热2 6h，升温至1200 160CrC。经熔融精炼 的定量液态硅4从炉膛高温区5的炉顶加料口6倒入预热后的空石墨模具1内。炉膛高温区 5由观察孔旁路7通入氩气气氛8。液态硅9在高温区保温2 8h后(温度为1400 1600°C) 进入中温区10经过10 30h逐步降温至1100 1300°C ，然后进入低温区11逐步降温到600 800°C。出炉膛后在护罩下逐步冷却到室温，获得定向凝固的硅锭12。总工艺时间20 50h。参见图2，大批量连续生产的定向凝固连续轨道炉由炉体、炉膛15、炉内轨道18、炉车 2、前辅助小车20、后辅助小车16、回转轨道、推进装置、供电和温控系统等组成，炉体为 分段设计，可移动和拆卸。炉膛15内沿轴向设置预热区3、高温区5、中温区10、低温区11 等加热区。炉膛15按不同温区分别设计断面结构。炉车2用于装载石墨模具1，在炉内轨道 18上行驶。炉内轨道18设于炉体底部。
参见图1和2，在外回推轨道19上的炉车2上放上石墨模具1 (预先在内表面喷涂二氮 化硅，在内表面喷涂氮化硼)，然后，送料轨道上的炉前辅助小车20把装好石墨模具的炉车 2送至设于前炉门口 13的主推装置14前，同时炉门打开，主推装置14再把前辅助小车20 上的炉车推入炉膛15。石墨模具1在预热区3逐步预热2 6h，升温至1200 1600°C，经熔 融精炼的定量液态硅4从炉膛高温区5的炉顶加料口 6倒入预热后的石墨模具1内，炉膛高 温区5通入氩气气氛，液态硅9在高温区5 (1400 1600°C)保温2 8h后进入中温区10, 经过10 30h，逐步降温至1100 130(TC，然后进入低温区11,逐步降温至600 800°C。 后辅助小车16把推出炉膛的炉车送至回推轨道的护罩下逐步冷却。总工艺时间20 50h，即 可在回推轨道的炉车上得到多晶硅锭。炉车沿着回推轨道又运行到炉膛入口，如此循环往复 运行。
本发明在外围设置循环轨道，利用拖车与炉体下部轨道形成循环，为了保证产品缓慢降 温，在轨道上设有出料保温罩，回转装置包括前辅助小车、后辅助小车和回转轨道。前辅助 小车主要是把装好料钵的炉车送至前炉门口。后辅助小车将主推送料装置推出炉膛的炉车送 至回推轨道，以便下料和装车。
本发明在高温区炉顶设引导式嵌入型加料口，采用锆刚玉材质，外套与炉体固定，内套 和料斗可抽取便于更换。两侧设置观察窗，便于及时了解液态硅料是否泄漏。在高温区设可 调节进气口用于通入特定气体，控制硅液表面的气氛，在预热区、高温区、中温区前后、降 温区分别设置可调节排气口，便于调整炉压和废气排出，在降温区设可调节进气口，维持降 温区气流进出平衡
本发明对凝固过程关键工艺参数连续稳定控制，炉膛断面设置上髙下低的温度梯度结 构，石墨模具下方放置在易于散热的炉车上，促使液体硅模具形成上下的温度梯度。炉膛上 部温度高、下部温度低，炉膛内的若干个模具逐个从定向凝固轨道炉的高温区，按既定的速 度逐步向低温区移动，每次熔融精炼的定量液体硅从炉膛高温区的炉顶加料口倒入炉膛内一 个预热后的石墨模具。炉膛断面设置上高下低的温度梯度结构，石墨模具下方放置在易于散 热的炉车上，促使模具中的液态硅由下向上形成上下的温度梯度，自然形成晶体固液界面，形成柱状结构，并随着模具逐步向低温区的移动而逐步定向凝固，改变原有的定向凝固炉一 次只能定向凝固一个多晶硅锭的单体凝固，实现凝固过程的流水线作业生产。通过改变炉车 推进速度和调整炉膛断面的温度梯度结构，可改变降温速率控制晶体生长速度。同时通过改 变石墨模具厚度，石墨模具下方的冷源半径等几何参数可达到控制固-液界面形状的目的。
不同温区按温度要求分别采用电阻丝、硅碳棒、硅钼棒加热，分别进行温度设定，各温区控 温仪表设有PID调节和温度补偿功能，可自动跟踪设定最佳PID值；各温区控温仪表通过串 行总线与计算机通信，由计算机控制使炉膛温度满足工艺曲线的精确控制，并设置各温区温 度动态上下限报警。
炉车车体由钢骨架四滚轮结构和上面耐热保温层组成，炉车工作面放置模具，底部和侧
面预置液硅漏炉的漏硅排放与吸纳结构，解决高温区可能由于石墨模具氧化引起的液硅漏炉 难题。车与车之间采用曲折密封和纤维压紧密封，炉车与炉体采用砂封结构，炉车下部设有 轨道。车后面有减震块，以减少车间歇式行进过程中互相之间的冲击震动。炉车采用间歇式 连续推进方式，设有工进、快退等功能。炉膛进口端设置安全门，防止炉车产品摆放不正引 起的故障。当故障出现时，有报警装置，并且有保护装置。推进系统设置有超程、炉车产品 摆放不正等报警。
权利要求
1.一种连续生产多晶硅锭的定向凝固方法，其特征在于包括以下步骤1)将空石墨模具按轴向空间序列排列，并由炉车带动同步前移，空石墨模具在预热区逐步预热，升温至1200～1600℃；2)经熔融精炼的液态硅从炉膛高温区的炉顶加料口倒入预热后的空石墨模具内，炉膛高温区的温度为1400～1600℃；3)装有液态硅的石墨模具在炉膛高温区保温2～8h后进入中温区；4)液态硅在石墨模具中经过炉膛的高温区到中温区的时间为10～30h，液态硅逐步定向凝固，炉膛中温区的温度为1100～1400℃；5)凝固硅在石墨模具中经过炉膛低温区的时间为10～20h，温度逐步降温到600～1000℃，炉膛低温区的温度为600～1100℃；6)凝固硅在石墨模具中在回转轨道护罩下逐步冷却到室温，获得定向凝固的多晶硅锭。
2. 如权利要求1所述的一种连续生产多晶硅锭的定向凝固方法，其特征在于所述的空 石墨模具预先经抗氧化处理。
3. 如权利要求2所述的一种连续生产多晶硅锭的定向凝固方法，其特征在于所述的抗 氧化处理是指在空石墨模具的内表面和外表面喷涂二氮化硅或氮化硼，或在空石墨模具的内 表面喷涂二氮化硅，在外表面喷涂氮化硼，或在空石墨模具的内表面喷涂氮化硼，在外表面 喷涂二氮化硅。
4. 连续生产多晶硅锭的定向凝固连续轨道炉，其特征在于设有炉体、炉膛、炉车轨道、 炉车、前辅助小车、后辅助小车、回转轨道、推进装置、供电和温控系统，炉体为分段结构， 炉膛由炉车的上方和炉体构成，炉膛内沿轴向设置预热区、高温区、中温区和低温区；炉膛 高温区的炉顶设置液态硅的加料口；炉车设于炉膛下方，炉车用于装载石墨模具；炉车轨道 设于炉车下方，炉车在轨道上行驶；前辅助小车设于炉膛入口前方，用于辅助将炉车从回转 轴道上转移到炉膛入口；后辅助小车设于炉膛出口后方，用于辅助将炉车从炉膛出口转移到 回转轴道上；回转轨道设于炉体的侧面，用于将炉车从炉膛的出口转移到炉膛入口；推进装 置可采用液压或机械式推进装置，设于炉膛入口前方，用于推动炉车前进，控制前进速度； 供电和温控系统设于炉体外。
5. 如权利要求4所述的连续生产多晶硅锭的定向凝固连续轨道炉，其特征在于所述的 加料口为引导式嵌入型加料口。
6. 如权利要求4或5所述的连续生产多晶硅锭的定向凝固连续轨道炉，其特征在于加 料口设加料口外套，加料口外套与炉体固定。
7. 如权利要求4所述的连续生产多晶硅锭的定向凝固连续轨道炉，其特征在于所述的 炉膛出口处的一段回转轨道上设回转轨道护罩。
全文摘要
一种连续生产多晶硅锭的定向凝固方法及其装置，涉及一种以材料或形状为特征的具有一定结构的均匀多晶材料。提供一种冶金法从金属硅制造太阳能级多晶硅过程中大批量连续生产多晶硅锭的定向凝固方法与装置。将空石墨模具按轴向空间序列排列，由炉车带动同步前移，空石墨模具在预热区预热；经熔融精炼的液态硅倒入预热后的空石墨模具内；在炉膛高温区保温后进入中温区；液态硅在石墨模具中经高温区到中温区，液态硅逐步定向凝固；凝固硅在石墨模具中在回转轨道护罩下逐步冷却到室温，获得定向凝固的多晶硅锭。连续生产多晶硅锭的定向凝固连续轨道炉设有炉体、炉膛、炉车轨道、炉车、前辅助小车、后辅助小车、回转轨道、推进装置、供电和温控系统。
文档编号C30B28/00GK101307487SQ20071000898
公开日2008年11月19日 申请日期2007年5月16日 优先权日2007年5月16日
发明者洪永强 申请人:佳科太阳能硅(厦门)有限公司;厦门大学