一种多晶铸锭炉热场结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种多晶铸锭炉热场结构，涉及铸锭炉的热场结构设计和制造【技术领域】，具体包括炉体、隔热笼、加热器以及坩埚，坩埚四周外壁上固定有的支撑板，坩埚的底部设有热交换块，所述的支撑板侧壁四周包裹有侧部硬毡，侧部硬毡的最大厚度小于支撑板与加热器之间的间隙，侧部硬毡的纵向高度不超过硅锭高度的2/3，在侧部硬毡的底部设有硅液溢流口。改进后降低了坩埚四周与中心的温度差，平稳化料界面，使凸型化料界面变为平面，从而可以降低底部籽晶保留的高度的同时提高底部籽晶保留的面积，同时降低侧部的散热速率，使得四周的温度与中心的温度差减小，控制长晶界面呈平面形状，得到竖直生长的晶体生长方向。
【专利说明】一种多晶铸锭炉热场结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及铸锭炉的热场结构设计和制造【技术领域】，具体涉及一种可以平稳化料界面的铸锭炉热场结构。
【背景技术】
[0002]太阳能的利用分为光热、光电利用，光电转换利用所形成的光伏产业是太阳能利用的重要部分。太阳能光伏发电是目前发展最快的可持续能源利用的形式之一，近些年来在各国都得到了迅速的发展。当前光伏产业中的光伏电池主要是晶体硅电池，晶体硅电池又以多晶硅和单晶硅电池占主导地位，单晶硅电池效率高成本高；多晶硅电池效率低于单晶硅但成本较低。目前单晶电池成本与多晶成本逐步接近，要使得多晶更具优势，在降低成本的同时则需提高其电池效率，而传统的多晶硅锭铸造由于工艺及热场的限制，多晶硅锭的生长方向不符合高效率多晶硅片的要求。
[0003]现阶段多晶铸锭炉具有顶侧加热器占据大部分比例，这种热场结构会导致化料过程侧部位置温度高于中心位置，同时采用侧部散热方式的铸锭炉，侧部热量散失的速率明显大于中心位置，会导致晶体的生长方向指向硅锭中心位置。在以上铸锭炉热场的情况下进行有籽晶高效多晶铸锭工艺，在化料与长晶过程都会遇到相关的问题。化料的过程中坩埚底部的四周温度高于中心位置。有籽晶高效铸锭工艺(半熔)要求底部铺设的籽晶不仅要做到保留高度尽量的低的情况下，还要做到最大面积的保留。但是鉴于在具有顶侧加热器的铸锭炉中侧部温度高于中心温度，因此侧部的籽晶比较容易化掉，整体的化料界面成为一个凸型，因此较低的籽晶保留高度与较大的保留面积这两个条件不能同时满足，会影响整体的出材率以及高效多晶的比例，最终影响电池成本以及电池效率。在长晶的过程中，由于铸锭炉侧部散热的方式，是的侧部散热速率较大，侧部冷却速率较大，造成长晶过程坩埚底部的四周温度低于中心温度，导致四周长晶高度高于中心高度，从而形成凹型长晶界面，使得晶体生长的方向指向硅锭内部，因此在娃锭切割过程中硅片的切割面并不能与晶体生长方向垂直，因此会降低电池的效率。
[0004]目前，有些专利中公开了通过在支撑板的底部增加保温材料的多晶铸锭炉中热场结构，比如专利CN202989331U、CN 203668552U、CN203668552U中。从这些专利公开的技术方案看，热场改造中只对热交换块上下包裹碳条，没有热交换块周边碳条，没有侧部挡板碳条，没有隔热笼增高碳条，由于现有技术中热交换块碳条包裹较少，熔化过程中对热量的吸收较多，造成底部温度较高。底部温度较高对半熔高效多晶工艺非常不利，不利于底部籽晶的保留，侧部支撑板并没有包裹碳条，针对侧部散热的炉子，这种设计并未解决侧部吸热与散热的缺陷，化料阶段侧部吸热较多，易使侧部硅料熔化，使化料界面呈凸型，不利于籽晶保留与高出材率的获得，长晶过程中侧部散热较多，晶体生长界面呈凹型，晶体纵向生长很难呈竖直方向，不利于高品质硅锭的获得。
实用新型内容
[0005]本实用新型要解决的技术问题是提供一种多晶铸锭炉热场结构，该结构解决了底部籽晶侧部吸热与散热的缺陷，保证化料界面水平生长，提高出材率。
[0006]为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是:一种多晶铸锭炉热场结构，包括炉体、设于炉体内的隔热笼5、加热器以及位于隔热笼5内的坩埚4，其特征在于所述的坩埚4四周外壁上固定有的支撑板7，坩埚4的底部设有热交换块8，所述的支撑板7侧壁四周包裹有侧部硬毡3，所述的侧部硬毡3的最大厚度小于支撑板7与加热器之间的间隙，侧部硬毡3的纵向高度不超过硅锭高度的2/3，在侧部硬毡3的底部设有硅液溢流口 9。
[0007]对上述结构作进一步限定，所述的热交换块8四周设有热交换块包裹毡2，所述的热交换块包裹毡2是由三块部分毡片组成，侧部毡片固定于热交换块8的四周表面、且其外边缘与支撑板7外表面齐平，上部毡片填充于坩埚4底部与热交换块8之间的的空腔内，底部毡片固定于热交换块8的底部、且其边缘大于侧部毡片的外边缘，在底部毡片的突出部分设有硅液溢流口 9。
[0008]对上述结构作进一步限定，所述的隔热笼5底部四周设有隔热笼垫高块1，所述的隔热笼垫高块I为硬毡条，其宽度与隔热笼5向内竖直面齐平，其竖直方向高度最大限制为开笼后不与侧部加热器接触为上限。
[0009]采用上述技术方案所产生的有益效果在于:
[0010](I)本实用新型在底部热交换块进行四周设有热交换块包裹毡，起到底部保温的作用，达到化料过程底部温度低与长晶过程阻挡侧部散热的目的，同时对侧部支撑板的底部进行包裹，同样起到化料过程侧部保温(减小侧部受辐射过多热量)与长晶过程减小侧部散热的目的，第三增加对隔热笼进行垫高，起到减小侧部散热口的目的；
[0011](2)本实用新型在侧部硬毡底部增加硅液溢流口，对热交换块包裹毡的底部毡片突出部分开挖空洞，作为硅液溢流口，可以有效地防止侧部硬毡和突出部分毡片对溢流硅液的阻挡作用；
[0012](3)本实用新型的改造结构有利于边部温度的降低，有利于化料界面的优化，改造前后长晶过程侧部热量散失的方向由向外散失改为竖直方向散失，改善了侧部热量散失的方向，使得晶体呈竖直方向生长，改善固液界面，底部温度分布更加均衡，有利于长晶界面水平。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细的说明。
[0014]图1是本实用新型的结构示意图；
[0015]图2是侧部硬毡的结构示意图；
[0016]图3是现有多晶铸淀炉热场结构不意图；
[0017]图4现有结构化料过程热量传递方向示意图；
[0018]图5本实用新型化料过程热量传递方向示意图；
[0019]图6现有结构长晶过程热量传递方向示意图；
[0020]图7本实用新型长晶过程热量传递方向示意图；
[0021]其中:1、隔热笼垫高块，2、热交换块包裹毡，3、侧部硬毡，4、坩埚，5、隔热笼，6、侧部加热器，7、支撑板，8、热交换块，9、硅液溢流口。
【具体实施方式】
[0022]本实用新型具体涉及一种多晶铸锭炉热场结构，如附图1所示其具体包括炉体、设于炉体内的隔热笼5、加热器以及位于隔热笼5内的坩埚4，坩埚4四周外壁上固定有的支撑板7，坩埚4的底部设有热交换块8，热交换块8为石墨支撑件，主要作用是热场中底部起到支撑坩埚，同时起到导热的作用，加热器为螺旋形的侧部加热器6，侧部加热器6处于支撑板7与隔热笼5之间的空腔内，并环绕于支撑板7四周。
[0023]本实用新型是在现有多晶铸锭炉热场结构的基础上进行改进，主要有三点:(I)在支撑板7侧壁四周包裹有侧部硬毡3，侧部硬毡3的最大厚度小于支撑板7与加热器之间的间隙，侧部硬毡3的纵向高度不超过硅锭高度的2/3，在侧部硬毡3的底部设有硅液溢流口 9 ; (2)热交换块8四周设有热交换块包裹毡2，热交换块包裹毡2为三块部分毡片组成，侧部毡片固定于热交换块8的四周表面、且其外边缘与支撑板7外表面齐平，上部毡片填充于坩埚4底部与热交换块8之间的空腔内，底部毡片固定于热交换块8的底部、且其边缘大于侧部毡片的外边缘，在底部毡片的突出部分设有硅液溢流口 9 ;(3)隔热笼5底部四周设有隔热笼垫高块1，隔热笼垫高块I为硬毡条，其宽度与隔热笼5向内竖直面齐平，其竖直方向高度最大限制为开笼后不与侧部加热器接触为上限。
[0024]本专利的基本方案是底部热交换块8进行四周碳条包裹，起到底部保温的作用，达到化料过程底部温度低与长晶过程阻挡侧部散热的目的，同时进行侧部石墨支撑板的包裹，同样起到化料过程侧部保温(减小侧部受辐射过多热量)与长晶过程减小侧部散热的目的，第三增加隔热笼侧部散热口碳条高度，起到减小侧部散热口的目的。
[0025]通过上述三点改进，其主要目的是:第一是化料的控制，本发明可以降低坩埚底部的四周的温度，降低坩埚四周与中心的温度差，平稳化料界面，使凸型化料界面变为平面，从而可以降低底部籽晶保留的高度的同时提高底部籽晶保留的面积；第二个目的是长晶的控制，本发明可以降低侧部的散热速率，使得四周的温度与中心的温度差减小，控制长晶界面呈平面形状，因此得到竖直生长的晶体生长方向。
[0026]附图3为现有的铸锭炉热场结构，热场中只对热交换块8上下包裹碳条，没有热交换块周边碳条，没有侧部挡板碳条，没有隔热笼增高碳条。
[0027]为了说明本实用新型改造后的技术效果，下面采用模拟计算的方式进行理论推理，对化料和长晶两个过程进行计算模拟，对改造前后模拟计算结果对比。
[0028]附图4和5分别为改造前后化料过程热量传递方向，两附图对比可以看出，改造前化料过程侧部热量由外向内传递，改造后侧部热量部分竖直方向传递，因此可以降低底部的温度，通过计算得到热场改造前坩埚底部的四周温度较中心位置的温度高53摄氏度左右，改造后四周温度较中心温度高20摄氏度左右。因此改造模型有利于边部温度的降低，有利于化料界面的优化。
[0029]附图6和7分别为改造前后长晶过程热量传递方向，通过计算结果对比可以看出，改造前后长晶过程侧部热量散失的方向由向外散失改为竖直方向散失，改善了侧部热量散失的方向，使得晶体呈竖直方向生长，改善固液界面，通过以上计算结果可以看出，改善后界面的凹度明显低于改造前，底部温度的差异也有较大改善，改造后四周与中心的温度差为26摄氏度，改造前四周与中心的温度差为63摄氏度，因此改造后底部温度分布更加均衡，有利于长晶界面水平。
【权利要求】
1.一种多晶铸锭炉热场结构，包括炉体、设于炉体内的隔热笼(5)、加热器以及位于隔热笼(5)内的坩埚(4)，其特征在于所述的坩埚(4)四周外壁上固定有的支撑板(7)，坩埚(4)的底部设有热交换块(8)，所述的支撑板(7)侧壁四周包裹有侧部硬毡(3)，所述的侧部硬毡(3)的最大厚度小于支撑板(7)与加热器之间的间隙，侧部硬毡(3)的纵向高度不超过硅锭高度的2/3，在侧部硬毡(3)的底部设有硅液溢流口(9)。
2.根据权利要求1所述的一种多晶铸锭炉热场结构，其特征在于所述的热交换块(8)四周设有热交换块包裹毡(2)，所述的热交换块包裹毡(2)是由三块部分毡片组成，侧部毡片固定于热交换块(8)的四周表面、且其外边缘与支撑板(7)外表面齐平，上部毡片填充于坩埚(4)底部与热交换块(8)之间的的空腔内，底部毡片固定于热交换块(8)的底部、且其边缘大于侧部毡片的外边缘，在底部毡片的突出部分设有硅液溢流口(9)。
3.根据权利要求1或2所述的一种多晶铸锭炉热场结构，其特征在于所述的隔热笼(5)底部四周设有隔热笼垫高块(1)，所述的隔热笼垫高块(I)为硬毡条，其宽度与隔热笼(5)向内竖直面齐平，其竖直方向高度最大限制为开笼后不与侧部加热器接触为上限。
【文档编号】C30B29/06GK204080179SQ201420443486
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】王全志 申请人:英利能源（中国）有限公司