专利名称：一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多晶硅锭的制备装置。
背景技术：
目前市场上的硅太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅三大类单晶硅太阳 能电池以其转换效率高04.5%)、质量稳定等特点在国际市场上得到了广泛的应用，但单 晶硅对原料的纯度要求高(99. 999999999% )，因此，单晶硅生产成本高，制约了单晶硅的 应用。多晶硅太阳能电池以其转换效率较高(19.8%)，性能稳定和成本适中而得到广泛应 用，多晶硅电池对原料的纯度要求低，原料的来源渠道也较为广阔，可由铸锭而成，适合大 规模商业化生产，占据市场的主导地位。非晶硅太阳能电池转换效率较低(14.5%)，性能 极不稳定，电池衰减快，其应用受到了制约。法国的E. Ehret和F. Durand等人将电磁连铸 技术应用于多晶硅连铸，这种方法制成的多晶硅定杂质含量基本相当，成本低，但是存在结 晶缺陷，多晶硅锭的组织不是定向凝固的柱状晶。定向凝固是在控制铸件内部传热、传质和 流动的条件下，金属(或晶体类材料)能够沿固定生长方向进行凝固或结晶的过程。定向 凝固后金属的组织特征是与凝固热流方向平行的一组平行柱状晶。定向凝固是在满足单向 的热量和质量传递基本条件下的特殊的材料加工工艺。目前定向凝固多晶硅锭的制备主要 是在直径为IOOmm左右的陶瓷(刚玉)或石墨套筒中进行，套筒内壁对多晶硅产生污染，以 致最后影响硅锭的纯度。
发明内容
本发明的目的是为解决现有多晶硅锭的制备主要是在陶瓷或石墨套筒中进行，套 筒内壁对多晶硅产生污染，导致多晶硅锭的纯度低的问题，提供一种具有定向凝固组织多 晶硅锭的制备装置。本发明包括炉体、真空室、真空泵、冷却器、拉杆、伺服电机、石墨底座、冷坩埚、方 环状出水管、出水接管、第一螺母、水箱进水管、方环状进水管、进水接管、第二螺母、水箱出 水管、感应线圈、石墨管、支撑板、聚料斗、壳体、螺杆、联轴器、可调式变速箱、步进电机和料 斗，真空室设置在炉体中，真空泵设置在真空室的侧壁上，真空泵的入口端与真空室连通， 冷却器设置在炉体和真空室的底板上，拉杆设置在冷却器中，拉杆的下端与伺服电机的输 出端连接，拉杆的上端与石墨底座连接，石墨底座设置在冷坩埚的内腔中，方环状出水管套 在冷坩埚的上端，冷坩埚上的每个通水孔分别通过细接管与方环状出水管连通，出水接管 的一端与方环状出水管连接，出水接管的另一端通过第一螺母与水箱进水管连接，方环状 进水管设置在方环状出水管的上方，冷坩埚上的每个通水孔分别通过细接管与方环状进水 管连通，进水接管的一端与方环状进水管连接，进水接管的另一端通过第二螺母与水箱出 水管连接，感应线圈位于方环状出水管的下方且缠绕在冷坩埚的外壁上，石墨管的下端出 口与冷坩埚的内腔正对，石墨管的上端固装在支撑板上，支撑板与真空室内壁固接，聚料斗 设置在石墨管上，壳体固装在支撑板上，且壳体上的出口与聚料斗正对，螺杆的两端分别通过轴承设置在壳体上，螺杆的输入端通过联轴器和可调式变速箱与步进电机传动连接，料 斗安装在壳体的进料口处。本发明具有以下优点一、由于定向凝固多晶硅锭是利用本发明设备制备的，且在 真空室内通过步进电机驱动螺杆连续送料，利用感应线圈加热与冷却器的强冷，冷坩埚内 的循环水路将加热的水强烈搅拌，使得多晶硅锭具有定向凝固组织的柱状晶，且柱状晶生 长连续、柱状晶大，柱状晶贯穿多晶硅锭的高度，因此，本发明方法制备的多晶硅锭纯度高 且无污染。二、本发明设备制备的多晶硅锭具有环保、低碳的优点。三、利用本发明设备制 备的具有定向凝固多晶硅锭适用于太阳能级多晶硅对纯度的要求。
图1是本发明整体结构主剖视图， 图2是图1的A-A剖视图，
图3是冷坩埚8的结构主剖视图， 图4是图3的B-B剖视图， 图5是图4的I局部放大图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括炉体1、真空 室2、真空泵3、冷却器4、拉杆5、伺服电机6、石墨底座7、冷坩埚8、方环状出水管9、出水接 管10、第一螺母11、水箱进水管12、方环状进水管13、进水接管14、第二螺母15、水箱出水 管16、感应线圈17、石墨管18、支撑板19、聚料斗20、壳体21、螺杆22、联轴器23、可调式变 速箱对、步进电机25和料斗沈，真空室2设置在炉体1中，真空泵3设置在真空室2的侧 壁上，真空泵3的入口端与真空室2连通，冷却器4设置在炉体1和真空室2的底板上，拉 杆5设置在冷却器4中，拉杆5的下端与伺服电机6的输出端连接，拉杆5的上端与石墨底 座7连接，石墨底座7设置在冷坩埚8的内腔中，方环状出水管9套在冷坩埚8的上端，冷坩 埚8上的每个通水孔8-5分别通过细接管与方环状出水管9连通，出水接管10的一端与方 环状出水管9连接，出水接管10的另一端通过第一螺母11与水箱进水管12连接，方环状 进水管13设置在方环状出水管9的上方，冷坩埚8上的每个通水孔8-5分别通过细接管与 方环状进水管13连通，进水接管14的一端与方环状进水管13连接，进水接管14的另一端 通过第二螺母15与水箱出水管16连接，感应线圈17位于方环状出水管9的下方且缠绕在 冷坩埚8的外壁上，石墨管18的下端出口与冷坩埚8的内腔正对，石墨管18的上端固装在 支撑板19上，支撑板19与真空室2内壁固接，聚料斗20设置在石墨管18上，壳体21固装 在支撑板19上，且壳体21上的出口与聚料斗20正对，螺杆22的两端分别通过轴承设置在 壳体21上，螺杆22的输入端通过联轴器23和可调式变速箱M与步进电机25传动连接， 料斗26安装在壳体21的进料口处。冷却器4对液态金属有强烈的制冷效果。使用时，通 过感应线圈17向冷坩埚8内的颗粒硅感应加热，颗粒硅被感应熔化并形成熔体驼峰，冷坩 埚8下面的冷却器4为熔化颗粒硅提供强冷，形成定向凝固组织的柱状晶，柱状组织为外层 有Imm 2mm的多晶层，内部为平行于拉杆方向的柱状晶，将多晶层加工去除后即为具有定 向凝固多晶硅锭。冷坩埚8的材质为紫铜，紫铜颗粒硅不产生污染。伺服电机6的型号为
4MHMA052A1C ；步进电机 25 的型号为 61K180RGN-CF。
具体实施方式
二 结合图3 图5说明本实施方式，本实施方式的冷坩埚8由上半 体8-1、下半体8-2和绝缘密封材料8-3组成，上半体8-1与下半体8_2固接，冷坩埚8的横 截面为方环状的空腔体，上半体8-1分割成十六个柱体8-4，十六个柱体8-4沿冷坩埚8截 面上的水平轴和垂直轴对称设置，每个柱体8-4的内部设有通水孔8-5，下半体8-2的侧壁 上对应通水孔8-5的位置处开有纵向盲孔8-6，每个纵向盲孔8-6与对应的通水孔8-5连 通，十六个盲孔8-6分为八组，每组两个盲孔8-6连通，每相邻两个柱体8-4之间留有间隙 T，所述间隙T内填充有绝缘密封材料8-3。绝缘密封材料8-3为天然云母片或环氧树脂。这 样设计使得坩埚具有更好的聚磁效果，使颗粒硅预热均勻，以制备出所需组织的多晶硅锭， 消除了硅颗粒预热度不够而造成感应熔化不良或感应熔化终止的现象，降低了冷坩埚自身 的能量损耗，提高了冷坩埚的电源利用率。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图3说明本实施方式，本实施方式的冷坩埚8的方环状空腔 体的内接圆直径上小下大。这样设计便于颗粒硅凝固膨胀时能顺利连续抽拉。其它组成及 连接关系与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四结合图5说明本实施方式，本实施方式的所述间隙T为0.3mm 0. 8mm，所述间隙T的高度H为IOOmm 120mm。这样的坩埚分瓣间隙使得坩埚具有良好的 透磁效果。其它组成及连接关系与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
五结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的冷坩埚8的高度 为IlOmm 130mm。这样设计使得冷坩埚8内腔尺寸较大，并符合坩埚内径和高度比的要 求，便于颗粒硅凝固膨胀时能顺利连续抽拉。其它组成及连接关系与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
六结合图1说明本实施方式，本实施方式的感应线圈17的线径为 Φ8πιπι Φ12πιπι，感应线圈17的匝数为4匝。这种设计使得坩埚内形成的驼峰高度合适， 有利于连续熔铸过程的顺利实施。其它组成及连接关系与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
七结合图1说明本实施方式，本实施方式的石墨底座7的高度为 20mm 35mm。这样设计为保证石墨底座能够在感应线圈的有效感应加热范围之内，从而更 好的对颗粒硅进行预热。其它组成及连接关系与具体实施方式
六相同。本发明的工作过程将石墨底座7的上端面设置在距冷坩埚8的上端面20mm 35mm处，将料斗沈装满颗粒硅，并先漏入石墨底座7的上端面上20g 30g的颗粒硅；利 用真空泵3将真空室2抽真空，使真空室2的真空度为0. 05Pa 0. IPa ；向真空室2充入 300 4001 的氩气；感应线圈17通入单相交流电，电源功率为45KW 55KW，通过感应线 圈17使冷坩埚8内的颗粒硅感应加热并完全熔化；启动步进电机25使颗粒硅连续不断的 向冷坩埚8内加入，形成颗粒硅熔体驼峰后，停止启动步进电机25，保温8min ；启 动伺服电机6驱动拉杆5以lmm/min 3mm/min的速度向下运动，同时启动步进电机25，使 石墨管18中的颗粒硅以1. 73g/min 5. 19g/min的速度连续不断的向冷坩埚8内加料，同 时冷坩埚8下面的冷却器4为熔化的颗粒硅提供强冷，使熔化的颗粒硅形成具有定向凝固 组织的柱状晶，待石墨底座7向下移动IOmm 15mm后，即为所需长度的柱状晶硅锭；柱状 晶硅锭的外层有Imm 2mm的多晶层，外层内部为平行于拉杆方向的柱状晶，将多晶层加工 去除后即为具有定向凝固多晶硅锭。
权利要求
1.一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备装置，其特征在于所述设备包括炉体(1)、 真空室(2)、真空泵(3)、冷却器(4)、拉杆(5)、伺服电机(6)、石墨底座(7)、冷坩埚(8)、方 环状出水管(9)、出水接管(10)、第一螺母(11)、水箱进水管(12)、方环状进水管(13)、进水 接管(14)、第二螺母(15)、水箱出水管(16)、感应线圈(17)、石墨管(18)、支撑板(19)、聚 料斗(20)、壳体(21)、螺杆(22)、联轴器(23)、可调式变速箱(M)、步进电机0 和料斗 (沈)，真空室(2)设置在炉体(1)中，真空泵(3)设置在真空室O)的侧壁上，真空泵(3) 的入口端与真空室(2)连通，冷却器⑷设置在炉体⑴和真空室(2)的底板上，拉杆(5) 设置在冷却器⑷中，拉杆(5)的下端与伺服电机(6)的输出端连接，拉杆(5)的上端与石 墨底座(7)连接，石墨底座(7)设置在冷坩埚(8)的内腔中，方环状出水管(9)套在冷坩 埚(8)的上端，冷坩埚(8)上的每个通水孔(8- 分别通过细接管与方环状出水管(9)连 通，出水接管(10)的一端与方环状出水管(9)连接，出水接管(10)的另一端通过第一螺母 (11)与水箱进水管(1 连接，方环状进水管(1 设置在方环状出水管(9)的上方，冷坩 埚⑶上的每个通水孔(8-5)分别通过细接管与方环状进水管(13)连通，进水接管(14) 的一端与方环状进水管(1 连接，进水接管(14)的另一端通过第二螺母(1 与水箱出水 管(16)连接，感应线圈(17)位于方环状出水管(9)的下方且缠绕在冷坩埚(8)的外壁上， 石墨管(18)的下端出口与冷坩埚(8)的内腔正对，石墨管(18)的上端固装在支撑板(19) 上，支撑板(19)与真空室(2)内壁固接，聚料斗00)设置在石墨管(18)上，壳体固 装在支撑板(19)上，且壳体上的出口与聚料斗OO)正对，螺杆0 的两端分别通过 轴承设置在壳体上，螺杆0 的输入端通过联轴器和可调式变速箱04)与步 进电机0 传动连接，料斗06)安装在壳体的进料口处。
2.根据权利要求1所述一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备装置，其特征在于所 述冷坩埚(8)由上半体(8-1)、下半体(8-2)和绝缘密封材料(8-3)组成，上半体(8-1)与 下半体(8-2)固接，所述冷坩埚(8)的横截面为方环状的空腔体，所述上半体(8-1)分割成 十六个柱体(8-4)，十六个柱体(8-4)沿冷坩埚(8)截面上的水平轴和垂直轴对称设置，每 个柱体(8-4)的内部设有通水孔(8-5)，所述下半体(8-2)的侧壁上对应通水孔(8-5)的 位置处开有纵向盲孔(8-6)，每个纵向盲孔(8-6)与对应的通水孔(8- 连通，十六个盲孔 (8-6)分为八组，每组两个盲孔(8-6)连通，每相邻两个柱体(8-4)之间留有间隙(T)，所述 间隙(T)内填充有绝缘密封材料(8-3)。
3.根据权利要求2所述一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备装置，其特征在于所 述冷坩埚(8)的方环状空腔体的内接圆直径上小下大。
4.根据权利要求2所述一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备装置，其特征在于所 述间隙(T)为0. 3mm 0. 8mm，所述间隙(T)的高度(H)为IOOmm 120mm。
5.根据权利要求2所述一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备装置，其特征在于冷 坩埚(8)的高度为IlOmm 130mm。
6.根据权利要求1或2所述一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备装置，其特征在于 所述感应线圈(17)的线径为Φ8mm Φ 12mm，感应线圈(17)的匝数为4匝。
7.根据权利要求6所述一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备装置，其特征在于石 墨底座(7)的高度为20mm 35mm。
全文摘要
一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备装置，它涉及一种多晶硅锭的制备装置，以解决现有多晶硅锭的制备是在陶瓷或石墨套筒中，套筒内壁对多晶硅产生污染，导致多晶硅锭纯度低的问题。冷却器设置在真空室的底板上，拉杆设置在冷却器中，拉杆与伺服电机连接，拉杆与石墨底座连接，石墨底座设置在冷坩埚中，冷坩埚上的每个通水孔分别通过细接管与方环状出水管连通，冷坩埚上的每个通水孔分别通过细接管与方环状进水管连通，进水接管的一端与方环状进水管连接，感应线圈缠绕在冷坩埚的外壁上，石墨管的出口与冷坩埚的内腔正对，聚料斗设置在石墨管上，壳体上的出口与聚料斗正对，螺杆设置在壳体上，料斗安在壳体进料口处。本发明用于制备多晶硅锭。
文档编号C30B29/06GK102094233SQ201010609909
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者丁宏升, 傅恒志, 李新中, 苏彦庆, 郭景杰, 陈瑞润, 黄锋 申请人:哈尔滨工业大学