本申請是申請?zhí)枮?01180055458.1，申請日為2011年11月17日，發(fā)明名稱為“用于硅的定向固化的裝置和方法”的中國專利申請的分案申請。

要求優(yōu)先權(quán)

本申請要求2010年11月17日提交的美國專利申請序列號12/947,936的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其以全文引用方式并入本文。

本發(fā)明涉及定向固化的裝置和方法，具體地涉及用于硅的定向固化的裝置和方法。

背景技術(shù)：

太陽能電池通過利用其將日光轉(zhuǎn)化成電能的能力可以是可行的能源。硅是太陽能電池的制造中所使用的半導(dǎo)體材料，然而，硅的使用的限制涉及將其純化至太陽能級(sg)的成本。

已知數(shù)種用于制造太陽能電池的硅晶體的技術(shù)。這些技術(shù)的大多數(shù)的操作原理是，當(dāng)硅從熔融溶液固化時，不期望的雜質(zhì)傾向于保留在熔融溶液中。例如，可以使用浮區(qū)技術(shù)以制造單晶錠塊，并且使用固體材料中的移動液區(qū)，將雜質(zhì)移動至材料的邊緣。在另一實(shí)例中，可以使用提拉法技術(shù)以制造單晶錠塊，并且使用從溶液緩慢提拉的晶種，允許單晶硅柱的形成，同時將雜質(zhì)留在溶液中。在又一實(shí)例中，可以使用布里奇曼或換熱器技術(shù)以制造單晶錠塊，并且使用溫度梯度以造成定向固化。

用于制造太陽能電池的硅晶體的各種技術(shù)在熔融制造階段的過程中使用坩堝以容納硅。不幸地，大多數(shù)坩堝在單次使用之后破裂，因?yàn)槔缛廴诠柙谄涔袒瘯r尺寸或形狀改變。產(chǎn)生單晶錠塊的方法可以包括使用石英坩堝，石英坩堝昂貴且為易碎材料。產(chǎn)生多晶錠塊的方法通常使用更大的坩堝，并且由于石英的費(fèi)用，這些坩堝通常由更廉價的材料制成，例如熔化二氧化硅或其他耐火材料。盡管由更廉價的材料制成，由熔化二氧化硅或其他耐火材料制成的大型坩堝的生產(chǎn)成本仍然昂貴并且通常僅可使用一次。坩堝的高費(fèi)用和有限壽命的結(jié)合限制了硅純化裝置和方法的經(jīng)濟(jì)效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

考慮到目前的能源需求和供應(yīng)限制，本發(fā)明人意識到需要更為經(jīng)濟(jì)有效的將冶金級(mg)硅(或具有比太陽能級更大量雜質(zhì)的任何其他硅)純化成太陽能級硅的方法。

本發(fā)明涉及用于硅的定向固化的裝置。本發(fā)明特別提供定向固化模具。定向固化模具可以包含至少一種耐火材料。至少一種耐火材料可以被構(gòu)造成允許硅在模具內(nèi)的定向固化。外殼和隔熱層可以包圍部分模具。在各個實(shí)施例中，隔熱層至少部分地設(shè)置在定向固化模具和外殼之間。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種模具構(gòu)造可以重復(fù)用于硅的定向固化而沒有故障。

在一些實(shí)施例中，定向固化模具的一個或多個側(cè)壁可以包含氧化鋁。在一些實(shí)施方案中，定向固化模具的底部可以包含碳化硅。定向固化模具也可以包括頂層。頂層可以包括滑移面耐火件。當(dāng)移除定向固化的硅產(chǎn)品時，頂層可以被構(gòu)造成足以保護(hù)部分定向固化模具免受損壞。在一些實(shí)施例中，模具的外殼可以包含鋼或不銹鋼。在一些實(shí)施例中，隔熱層可以包括隔熱磚、耐火材料、耐火材料的混合物、隔熱板、陶瓷紙、高溫棉，或其組合。

在一些實(shí)施例中，本發(fā)明還包括加熱器。加熱器可以包括一個或多個加熱構(gòu)件。一個或多個加熱構(gòu)件可以獨(dú)立地包括加熱元件或感應(yīng)加熱器。包括加熱元件的加熱構(gòu)件可以使用如碳化硅、二硅化鉬、石墨或其組合的材料。加熱器也可以包括隔熱磚、耐火件、耐火件的混合物、隔熱板、陶瓷紙、高溫棉，或其組合。外殼或隔熱件可以包圍部分加熱器。加熱器的外殼可以包含鋼或不銹鋼。加熱器的隔熱件可以至少部分地設(shè)置在一個或多個加熱構(gòu)件和外殼之間。

本發(fā)明還涉及純化硅的方法。純化硅的方法可以是用于制造用于制入太陽能電池的一個或多個錠塊的方法。純化硅的方法可以是制造用于切成一個或多個太陽能晶片的一個或多個硅錠塊的方法。所述方法可以包括提供或接收第一硅并且至少部分地熔融第一硅。所述方法可以包括提供或接收定向固化裝置。硅可以至少部分地熔融從而提供第一熔融硅。所述方法可以進(jìn)一步包括定向固化第一熔融硅。可以使用定向固化裝置定向固化第一硅。第一熔融硅在定向固化裝置中的定向固化可以提供第二硅。用于定向硅的裝置可以包括定向固化模具。定向固化模具可以包含至少一種耐火材料。硅的定向固化可以在定向固化裝置的定向固化模具中進(jìn)行。耐火材料可以被構(gòu)造成允許硅在模具內(nèi)的定向固化。外殼和隔熱層可以包圍部分模具。隔熱層至少部分地設(shè)置在定向固化模具和外殼之間。同樣地，所述裝置可以重復(fù)用于硅的定向固化而沒有故障。

在一個具體實(shí)施方案中，本發(fā)明還涉及用于硅的純化的裝置。所述裝置包括定向固化模具。定向固化模具包含至少一種耐火材料。至少一種耐火材料被構(gòu)造成允許硅在模具內(nèi)的定向固化。定向固化模具的一個或多個側(cè)面包含氧化鋁。定向固化模具的底部包含碳化硅或石墨。定向固化模具也包括頂層。頂層包括滑移面耐火件。當(dāng)從模具移除定向固化的硅時，頂層可以被構(gòu)造成保護(hù)定向固化模具的剩余部分免受損壞。本發(fā)明還包括外殼。外殼包含鋼或不銹鋼。本發(fā)明還包括隔熱層。隔熱層至少部分地設(shè)置在定向固化模具的一個或多個側(cè)面和外殼的一個或多個側(cè)面之間。隔熱層包括隔熱磚、耐火材料、耐火材料的混合物、隔熱板、陶瓷紙、高溫棉，或其組合。所述具體實(shí)施方案還包括頂部加熱器。頂部加熱器包括一個或多個加熱構(gòu)件。一個或多個加熱構(gòu)件獨(dú)立地包括加熱元件或感應(yīng)加熱器。加熱元件包含碳化硅、二硅化鉬、石墨，或其組合。頂部加熱器也包括隔熱磚、耐火件、耐火件的混合物、隔熱板、陶瓷紙、高溫棉，或其組合。頂部加熱器還包括外殼。頂部加熱器的外殼包含鋼或不銹鋼。頂部加熱器的隔熱件至少部分地設(shè)置在一個或多個加熱構(gòu)件和頂部加熱器外殼之間。同樣地，定向固化模具、外殼和隔熱層被構(gòu)造成用于硅的定向固化多于兩次。

本發(fā)明相對于用于硅的定向固化的先前裝置和方法提供優(yōu)點(diǎn)。在一個實(shí)施例中，由于裝置的可重用性，本發(fā)明可以提供純化硅的經(jīng)濟(jì)上更有效的方法。例如，本發(fā)明可以提供制造用于切成一個或多個太陽能晶片的一個或多個硅錠塊的經(jīng)濟(jì)上更有效的方法。裝置的可重用性可以幫助減少浪費(fèi)，并且可以提供更經(jīng)濟(jì)的方法以使用更大的坩堝用于定向固化。通過允許有效地使用更大的坩堝，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)得益于規(guī)模經(jīng)濟(jì)的定向固化方法。此外，本發(fā)明的一些實(shí)施方案中存在的加熱器提供便利和有效的方法以加熱硅、維持硅的溫度、控制硅的冷卻，或其組合，這可以允許精確控制溫度梯度和相應(yīng)的硅的定向固化。本發(fā)明的裝置和方法可以特別用于制造用于太陽能電池的硅晶體。

附圖說明

在附圖(所述附圖不一定按比例繪制)中，貫穿數(shù)圖的相似的附圖標(biāo)記表示基本上相似的組件。具有不同字母后綴的相似的附圖標(biāo)記表示基本上相似的組件的不同實(shí)例。一般而言，附圖以舉例的方式(并非限制性的方式)描述了本文獻(xiàn)中所討論的各個實(shí)施方案。

圖1顯示了根據(jù)至少一個實(shí)施方案構(gòu)造的用于硅的定向固化的裝置的模具、外殼和隔熱層的橫截面圖。

圖2顯示了根據(jù)至少一個實(shí)施方案構(gòu)造的用于硅的定向固化的裝置的模具、外殼和隔熱層的橫截面圖。

圖3顯示了根據(jù)至少一個實(shí)施方案構(gòu)造的用于硅的定向固化的裝置的加熱器的橫截面圖。

圖4顯示了根據(jù)至少一個實(shí)施方案構(gòu)造的用于硅的定向固化的裝置的3d投影，所述裝置包括位于模具頂部的加熱器。

圖5顯示了根據(jù)至少一個實(shí)施方案構(gòu)造的用于硅的定向固化的裝置的加熱器的等距視圖。

圖6顯示了根據(jù)至少一個實(shí)施方案構(gòu)造的用于硅的定向固化的裝置的模具的等距視圖。

圖7顯示了由根據(jù)至少一個實(shí)施方案構(gòu)造的本發(fā)明的裝置和方法產(chǎn)生的硅錠塊。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將具體參考所公開的主題的某些實(shí)施例，其中的一些實(shí)施例顯示在附圖中。雖然主要結(jié)合附圖描述所公開的主題，應(yīng)理解這些描述并不旨在將所公開的主題限制于這些附圖。相反，所公開的主題旨在覆蓋可以包括在由權(quán)利要求所限定的本文所公開主題的范圍內(nèi)的所有替代方案、修改方案和等同方案。

當(dāng)說明書中提及“一個實(shí)施方案”、“一個示例性實(shí)施方案”等時，其表示所描述的實(shí)施方案可以包括特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性，但是不一定每個實(shí)施方案都包括特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性。此外，這些表述不一定涉及相同的實(shí)施方案。此外，當(dāng)在一個實(shí)施方案中描述特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性時，認(rèn)為本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在其它實(shí)施方案中采用這種特征、結(jié)構(gòu)或特性，無論是否明確描述。

在該文獻(xiàn)中，除非另有聲明，術(shù)語“一”或“一個”用于包括一個或多于一個，術(shù)語“或”用于表示無排他性的“或”。此外應(yīng)理解，除非另有聲明，本文所采用的措辭或術(shù)語僅出于描述的目的，而非限制性的。此外，本文獻(xiàn)中提及的所有的出版物、專利和專利文獻(xiàn)以全文引用的方式并入本文，就好像以引用的方式單獨(dú)并入本文。在本文獻(xiàn)和以引用的方式并入本文的那些文獻(xiàn)之間的用法不一致的情況下，并入的參考文獻(xiàn)中的用法應(yīng)被認(rèn)為是本文獻(xiàn)的用法的補(bǔ)充，對于矛盾的不一致性，以本文獻(xiàn)中的用法為準(zhǔn)。

在本文描述的制備方法中，除非明確指出時間順序或操作順序，可以以任何順序進(jìn)行步驟而不偏離本發(fā)明的原理。當(dāng)在權(quán)利要求中描述首先進(jìn)行一個步驟，然后進(jìn)行數(shù)個其它步驟時，應(yīng)理解其意指第一個步驟在所有其它步驟之前進(jìn)行，但是其它步驟可以以任何合適的順序進(jìn)行，除非在其它步驟中進(jìn)一步描述順序。例如，描述“步驟a、步驟b、步驟c、步驟d和步驟e”的權(quán)利要求成分應(yīng)被理解為意指首先進(jìn)行步驟a，最后進(jìn)行步驟e，步驟b、c和d可以在步驟a和e之間以任何順序進(jìn)行，且所述順序仍然落入要求保護(hù)的方法的字面范圍內(nèi)。給定的步驟或步驟的子集也可以重復(fù)。

此外，可以同時進(jìn)行特定的步驟，除非明確的權(quán)利要求語言中描述了分別進(jìn)行這些步驟。例如，要求保護(hù)的做x的步驟和要求保護(hù)的做y的步驟可以在單一操作中同時進(jìn)行，所形成的方法落入要求保護(hù)的方法的字面范圍內(nèi)。

本發(fā)明涉及使用定向固化用于純化硅的裝置和方法。所述裝置可以有利地用于硅的定向固化多于一次。本發(fā)明的裝置和方法可以用于制造用于太陽能電池的硅晶體。

在本發(fā)明的實(shí)施方案中，通過控制溫度梯度，可以完成高度受控的定向固化。在本發(fā)明中，定向結(jié)晶大致從底部至頂部進(jìn)行，因此期望的溫度梯度在底部具有更低的溫度，而在頂部具有更高的溫度。對溫度梯度和相應(yīng)的定向結(jié)晶的高度控制可以有利地允許更有效的定向固化，形成更高純度的硅。

定義

正如本文所使用的，“導(dǎo)管”表示通過材料的管狀孔，其中材料不必是管狀的。例如，穿過材料塊的孔為導(dǎo)管。所述孔可以具有比直徑更大的長度。導(dǎo)管可以通過在材料中嵌入管道(包括管)而形成。

正如本文所使用的，“定向固化”表示在大致一個位置處開始、以大致線性方向(例如豎直、水平或垂直于表面)進(jìn)行并且在大致另一個位置處結(jié)束的材料的結(jié)晶。正如該定義中所使用的，位置可以是點(diǎn)、面或曲面，包括環(huán)狀或碗狀。

正如本文所使用的，“風(fēng)扇”表示可以移動空氣的任何設(shè)備或裝置。

正如本文所使用的，“加熱元件”表示當(dāng)允許電流過材料時產(chǎn)生熱的材料片。

正如本文所使用的，“感應(yīng)加熱器”表示經(jīng)由材料中的電流感應(yīng)向所述材料加熱的加熱器。通常地，這種電流通過允許交變電流流過靠近待加熱材料的金屬線圈而產(chǎn)生。

正如本文所使用的，“熔融”表示經(jīng)受從固體至液體的相變。

正如本文所使用的，“油”表示在環(huán)境溫度下為液體的物質(zhì)，所述物質(zhì)為疏水性的并且具有300℃以上的沸點(diǎn)。油的實(shí)例包括但不限于植物油和石油。

正如本文所使用的，“耐火材料”表示在高溫下化學(xué)和物理穩(wěn)定的材料。耐火材料的實(shí)例包括但不限于氧化鋁、氧化硅、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、氧化鉻、碳化硅、石墨，或其組合。

正如本文所使用的，“熱面耐火件”表示耐火材料。

正如本文所使用的，“傳導(dǎo)耐火件”表示可以導(dǎo)熱的耐火材料。

正如本文所使用的，“側(cè)面”或“多個側(cè)面”可以表示一個或多個側(cè)面，除非另有聲明，表示與物體的一個或多個頂部或底部相比的物體的一個或多個側(cè)面。

正如本文所使用的，“硅”表示元素si，并且可以表示任何純度的si，但是通常表示純度至少為50重量％，優(yōu)選純度為75重量％，更優(yōu)選純度為85％，更優(yōu)選純度為90重量％，更優(yōu)選純度為95重量％，甚至更優(yōu)選純度為99重量％的硅。

正如本文所使用的，“滑移面耐火件”表示在固體硅和定向固化模具之間減少摩擦和減少粘連的耐火材料。

正如本文所使用的，“管道”表示中空管狀材料。管道通常具有大致匹配其外部形狀的內(nèi)部形狀。管道的內(nèi)部形狀可以為任何合適的形狀，包括圓形、方形，或具有任何數(shù)量側(cè)面的形狀，包括不對稱形狀。

底部模具

圖1顯示了本發(fā)明的實(shí)施方案。顯示了裝置100的剖面?zhèn)纫晥D。裝置100包括定向固化模具110，所述定向固化模具110包含至少一種耐火材料。至少一種耐火材料被構(gòu)造成允許硅在模具內(nèi)的定向固化。裝置100還包括外殼130。此外，裝置100包括隔熱層120，所述隔熱層120至少部分地設(shè)置在定向固化模具110和外殼130之間。裝置100可以用于硅的定向固化多于一次。

本發(fā)明的實(shí)施方案的整體三維形狀可以類似于具有圓形形狀的厚壁大碗。替代性地，整體形狀可以類似于具有方形形狀，或六邊形、八邊形、五邊形或具有任何合適數(shù)量的側(cè)邊的任何合適形狀的大碗。在其他實(shí)施方案中，裝置的整體形狀可以為用于硅的定向固化的任何合適的形狀。在一個實(shí)施方案中，底部模具可以容納約1公噸硅或更多。在一個實(shí)施方案中，底部模具可以容納約1.4公噸硅或更多。在另一個實(shí)施方案中，底部模具可以容納約2.1公噸硅或更多。在另一個實(shí)施方案中，底部模具可以容納約1.2、1.6、1.8、2.0、2.5、3、3.5、4、4.5或5公噸硅或更多。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，所述裝置圍繞中心豎軸大致對稱。裝置中包含的材料或裝置的形狀偏離圍繞中心軸的近似對稱的實(shí)施方案仍然包括為優(yōu)選的實(shí)施方案；正如本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的，大致優(yōu)選對稱。在一些實(shí)施方案中，裝置圍繞中心豎軸不對稱。在其他實(shí)施方案中，裝置圍繞中心豎軸部分地大致對稱且圍繞中心豎軸部分地不對稱。在包括不對稱特征的實(shí)施方案中，可以包括本文描述的任何合適的特征，包括作為圍繞中心軸整體或部分地大致對稱的實(shí)施方案的一部分所描述的特征。

如圖1中所示，定向固化模具110在定向固化模具的底部和定向固化模具的側(cè)面之間具有大于90度的內(nèi)角，本文稱為斜度。所述斜度允許移除在模具中固化的硅片而不會破壞硅或定向固化模具。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，定向固化模具具有如圖1中所示的斜度，所述斜度足以允許從所描述的模具中移除硅。然而，在替代性實(shí)施方案中，定向固化不具有斜度，或者具有反向斜度。在不具有斜度的替代性實(shí)施方案中，裝置優(yōu)選具有通過中部的切口，所述切口允許將其容易地分為兩半從而移除固體硅。所述兩半然后可以再次結(jié)合形成整體，并且重用裝置。然而，可以斷成兩半的實(shí)施方案不限于無斜度的那些實(shí)施方案。本文討論的所有實(shí)施方案可以包括或不包括分成兩半從而容易移除固體硅的能力。

圖1中所示的定向固化模具110包含耐火材料。耐火材料可以是任何合適的耐火材料。耐火材料可以是氧化鋁、氧化硅、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、氧化鉻、碳化硅、石墨，或其組合。定向固化模具可以包含一種耐火材料。定向固化模具可以包含多于一種耐火材料。包含在定向固化模具中的一種或多種耐火材料可以混合，或者它們可以位于定向固化模具的分離部分處，或其組合。一種或多種耐火材料可以以層的形式排列。定向固化模具可以包括多于一層一種或多種耐火材料。定向固化模具可以包括一層一種或多種耐火材料。耐火件的側(cè)面可以是不同于耐火件底部的材料。定向固化模具的側(cè)面相比于定向固化模具的底部可以為不同厚度，包含不同的材料組成，包含不同的材料量，或其組合。在一個實(shí)施方案中，定向固化模具的側(cè)面包含熱面耐火件，且定向固化模具的底部包括傳導(dǎo)耐火件。定向固化模具的側(cè)面可以包含氧化鋁。定向固化模具的底部可以包含導(dǎo)熱材料，例如碳化硅、石墨、鋼、不銹鋼、鑄鐵、銅，或其組合。

在一些實(shí)施方案中，包含在定向固化模具的側(cè)面中的一種或多種材料可以從定向固化模具的外底部的高度向上延伸，并且包含在定向固化模具的底部中的一種或多種材料可以從對應(yīng)于定向固化模具的一個側(cè)面的內(nèi)部的豎直位置橫穿底部豎直地延伸至對應(yīng)于對立側(cè)面的內(nèi)部的豎直位置。在另一個實(shí)施方案中，包含在定向固化模具的側(cè)面中的一種或多種材料可以從定向固化模具的內(nèi)底部的高度向上延伸，而包含在定向固化模具的底部中的一種或多種材料可以從對應(yīng)于定向固化模具的一個側(cè)面的外部的豎直位置橫穿定向固化模具的底部豎直地延伸至對應(yīng)于定向固化模具的對立側(cè)面的外部的豎直位置。在另一個實(shí)施例中，包含在定向固化模具的側(cè)面中的一種或多種材料可以從定向固化模具的底部的高度以上的高度向上延伸，而包含在定向固化模具的底部中的一種或多種材料可以穿過定向固化模具的底部從對應(yīng)于定向固化模具的一個外側(cè)面的豎直位置豎直地延伸至對應(yīng)于定向固化模具的另一個外側(cè)面的豎直位置，并且也向上延伸至定向固化模具的底部的高度以上的側(cè)面。在另一個實(shí)施例中，包含在定向固化模具的側(cè)面中的一種或多種材料可以從定向固化模具的內(nèi)底部的高度向上延伸，而包含在定向固化模具的底部中的一種或多種材料可以從外殼側(cè)面的內(nèi)側(cè)面橫穿外殼的內(nèi)底部豎直地延伸至外殼的對立側(cè)面的內(nèi)側(cè)面，或者包含在定向固化模具的底部中的一種或多種材料可以從外殼的側(cè)面的內(nèi)側(cè)面和對應(yīng)于定向固化模具的外側(cè)面的豎直位置的中間，橫穿定向固化模具的底部，豎直地延伸至外殼的對立內(nèi)側(cè)面和對應(yīng)于定向固化模具的對立側(cè)面的外側(cè)面的豎直位置的中間。

圖1中所示的裝置100的隔熱層120可以包含隔熱材料。隔熱材料可以是任何合適的材料。例如，隔熱材料可以為隔熱磚、耐火材料、耐火材料的混合物、隔熱板、陶瓷紙、高溫棉，或其組合。隔熱板可以包括高溫陶瓷板。隔熱層可以包含多于一種隔熱材料。包含在隔熱層120中的一種或多種隔熱材料可以共混、混合，或者它們可以位于隔熱層的分離部分處，或其組合。一種或多種隔熱材料可以以層的形式排列。在一個實(shí)施例中，隔熱層可以包括多于一層一種或多種隔熱材料。在另一個實(shí)施例中，隔熱層可以包括一層一種或多種隔熱材料。隔熱層的側(cè)面可以是不同于隔熱層底部的材料。例如，隔熱層的側(cè)面相比于隔熱層的底部可以為不同厚度，包含不同的材料組成，或其組合。在一個實(shí)施方案中，隔熱層設(shè)置在定向固化模具的底部和外殼之間。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，隔熱層至少部分地設(shè)置在定向固化模具的側(cè)面和外殼的側(cè)面之間，并且隔熱層不設(shè)置在定向固化模具的底部和外殼的底部之間，如圖1中所示。

裝置100的隔熱層120在圖1中顯示為設(shè)置在裝置的外殼的側(cè)面和裝置的定向固化模具的側(cè)面之間。如圖所示，隔熱層的側(cè)面從對應(yīng)于外殼的底部的內(nèi)側(cè)面的高度向上延伸。本發(fā)明的實(shí)施方案也可以包括隔熱層120的構(gòu)造，其中隔熱層從對應(yīng)于定向固化模具的內(nèi)部的底部的高度向上延伸。在另一個實(shí)施例中，隔熱層從外殼的底部的內(nèi)側(cè)面和外殼的底部的內(nèi)側(cè)面的高度的中間向上延伸。在另一個實(shí)施方案中，隔熱層從對應(yīng)于定向固化模具的內(nèi)部的底部的高度以上向上延伸。

圖1中所示的裝置100的外殼130可以包含任何合適的材料從而圍住隔熱層和定向固化模具。外殼可以包含一種或多種材料。在一個實(shí)施方案中，外殼包含鋼。在另一個實(shí)施方案中，外殼包含鋼、不銹鋼、銅、鑄鐵、耐火材料、耐火材料的混合物，或其組合。外殼的不同部分可以包含不同的材料、不同的材料厚度、不同的材料組成，或其組合。

在一些實(shí)施方案中，外殼可以包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以為裝置增加強(qiáng)度和剛性并且可以包含任何合適的材料。例如，結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以包含鋼、不銹鋼、銅、鑄鐵、耐火材料、耐火材料的混合物，或其組合。在一個實(shí)施例中，外殼可以包括一個或多個結(jié)構(gòu)構(gòu)件，所述一個或多個結(jié)構(gòu)構(gòu)件從外殼的外部以遠(yuǎn)離裝置中心的方向延伸，并且圍繞裝置的圓周或周邊水平地延伸。一個或多個水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以設(shè)置在例如外殼的外部的上邊緣處、外殼的外部的底部邊緣處、外殼的外部的頂部邊緣和底部邊緣中間的任何位置處。在一個實(shí)施例中，裝置包括三個水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一個設(shè)置在外殼的上邊緣處，一個設(shè)置在外殼的底部邊緣處，一個設(shè)置在外殼的上邊緣和下邊緣中間。外殼可以包括在外殼的外部上的一個或多個結(jié)構(gòu)構(gòu)件，所述一個或多個結(jié)構(gòu)構(gòu)件從外殼的外部以遠(yuǎn)離裝置中心的方向延伸，并且從外殼的外部的底部豎直地延伸至外殼的外部的頂部。在一個實(shí)施例中，外殼可以包括八個豎直結(jié)構(gòu)構(gòu)件。豎直結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以圍繞外殼的圓周或周邊均勻地設(shè)置。在另一個實(shí)施例中，外殼包括豎直和水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件兩者。外殼可以包括橫穿外殼的底部延伸的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。底部上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以從外殼的底部的一個外邊緣延伸至外殼的底部的另一個邊緣。底部上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件也可以部分地橫穿外殼的底部延伸。結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以是條帶、條棒、管道或用于為裝置增加結(jié)構(gòu)支撐的任何合適的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以經(jīng)由焊接、釬焊或任何其他合適的方法附接至外殼。結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以適合于幫助裝置的輸送和物理操縱。例如，外殼的外部的底部上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以為足夠尺寸、強(qiáng)度、取向、間隔或其組合的管道，使得特定的叉車或其他起重機(jī)可以升起或移動或物理操縱裝置。在另一個實(shí)施方案中，上述設(shè)置在外殼的外部上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以替代性地或者額外地設(shè)置在外殼的內(nèi)部上。

外殼130在圖1中顯示為在隔熱層120的頂部上方延伸并且部分地覆蓋定向固化模具110的頂部。然而，本發(fā)明的實(shí)施方案也包括外殼130相對于隔熱層120和定向固化模具110的寬范圍的各種結(jié)構(gòu)構(gòu)造。實(shí)施方案可以包括完全延伸至定向固化模具110的頂部的內(nèi)緣的外殼130，僅部分橫穿隔熱層120的頂部延伸的外殼130，或不橫穿隔熱層120的任何部分延伸的外殼130。還包括外殼130不完全向上延伸至隔熱層的外部的側(cè)面的構(gòu)造。在外殼在定向固化模具或隔熱層的頂部的任何部分上方延伸的實(shí)施方案中，在頂部上方延伸的外殼部分可以包含相比于外殼的側(cè)面和底部具有更大隔熱性質(zhì)的材料。在一些實(shí)施方案中，這種材料的選擇可以促進(jìn)在裝置中形成所需的溫度梯度。

圖1中所示的裝置100的頂部邊緣被描繪成具有在大致平坦的高度處的定向固化模具110和隔熱層120，并且具有在隔熱層的頂部上方和部分地在定向固化層的頂部上方延伸的外殼的頂部。如上所討論的，包括外殼的頂部、隔熱層的頂部和定向固化模具的頂部的其他構(gòu)造作為本發(fā)明的實(shí)施方案，包括所有合適的排列。例如，隔熱層可以豎直地延伸至定向固化模具的頂部邊緣以上的高度。替代性地，定向固化模具可以豎直地延伸至定向固化模具的頂部邊緣以上的高度。隔熱層可以部分地或完全地在定向固化模具的頂部邊緣上方延伸。或者，定向固化模具可以部分地或完全地在隔熱層的頂部邊緣上方延伸。

圖1中所示的裝置100被描繪成具有定向固化模具110、隔熱層120和外殼130的特定的相對厚度。然而，本發(fā)明的實(shí)施方案包括定向固化模具110、隔熱件120和外殼130的任何合適的相對厚度。

圖1中的裝置100可以用于定向固化硅多于一次。當(dāng)能夠使用多于一次時，裝置可以重用于定向固化而在使用之間無需修補(bǔ)，或者在使用之間最小量修補(bǔ)。最小量修補(bǔ)可以包括修整或完全重涂涂層，所述涂層為定向固化模具的內(nèi)側(cè)面的一部分，例如修補(bǔ)頂層，包括滑移面耐火涂層。本發(fā)明的實(shí)施方案還包括可以用于硅的定向固化多于兩次的裝置。還包括可以用于硅的定向固化多于三次、四次、五次、六次、十二次或更多次的裝置。

在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，裝置僅包括底部模具。在其他實(shí)施方案中，本發(fā)明包括底部模具和頂部加熱器兩者。

圖2顯示了本發(fā)明的實(shí)施方案。顯示了裝置200的剖面?zhèn)纫晥D。裝置200包括定向固化模具201，所述定向固化模具201包含至少一種耐火材料。至少一種耐火材料被構(gòu)造成允許硅在模具內(nèi)的定向固化。裝置200還包括外殼203。此外，裝置包括隔熱層202，所述隔熱層202至少部分地設(shè)置在定向固化模具201和外殼203之間。裝置100可以用于硅的定向固化多于一次。

圖2中所示的定向固化模具201包含一種或多種耐火材料。定向固化模具的側(cè)面包含熱面耐火件220。在圖2中，定向固化模具的熱面耐火件220從外殼的底部的內(nèi)部向上延伸；如上所討論的，包括定向固化模具的側(cè)面的各種構(gòu)造作為本發(fā)明的實(shí)施方案。熱面耐火件220可以為任何合適的耐火材料。例如，熱面耐火件220可以為氧化鋁。

在建造本發(fā)明的底部模具裝置時，可以以與施用濕水泥相似的方式施用耐火材料。可以使用拖網(wǎng)或其他合適的工具，包括模型從而操縱濕耐火件至所需形狀，然后允許耐火材料干燥和凝固。

圖2中所示的定向固化模具201的底部包含傳導(dǎo)耐火件230。在圖2中，定向固化模具的傳導(dǎo)耐火件230在對應(yīng)于定向固化模具的側(cè)面的外部的豎直位置和對應(yīng)于定向固化模具的側(cè)面的內(nèi)部的豎直位置的中間，橫穿定向固化模具的底部，豎直地延伸至對應(yīng)于定向固化模具的對立側(cè)面的外部的豎直位置和對應(yīng)于定向固化模具的對立側(cè)面的外部的豎直位置的中間；如上所討論的，包括定向固化模具的側(cè)面的各種構(gòu)造作為本發(fā)明的實(shí)施方案。傳導(dǎo)耐火件230可以為任何合適的材料。例如，傳導(dǎo)耐火件可以包含碳化硅。通過將傳導(dǎo)材料設(shè)置在裝置的底部上，促進(jìn)定向固化模具內(nèi)的熔融硅的底部的冷卻。模具底部容易冷卻幫助形成和控制定向固化模具的底部和頂部之間的溫度梯度，允許在模具內(nèi)進(jìn)行從底部開始并在頂部結(jié)束的所需的定向固化。

在替代性的實(shí)施方案中，定向固化模具的底部可以包含用于元件230的任何合適的導(dǎo)熱材料，包括碳化硅、石墨、銅、鋼、不銹鋼、石墨、鑄鐵，或其組合。正如圖2中所示的實(shí)施方案，該實(shí)施方案可以包括頂層210。替代性地，該實(shí)施方案不包括頂層210。

傳導(dǎo)耐火件230在圖2中顯示為在其外邊緣處具有附加構(gòu)件231。傳導(dǎo)耐火件230的附加構(gòu)件231將傳導(dǎo)耐火件固定至接收狹槽232中，所述接收狹槽232設(shè)置在熱面耐火件220中。將熱面耐火件固定至傳導(dǎo)耐火件防止其從裝置松脫。在一個實(shí)施方案中，包括附件231和接收狹槽232。在另一個實(shí)施方案中，不包括附件231和接收狹槽232。在其他實(shí)施方案中，包括固定傳導(dǎo)耐火件的替代性手段。

圖2中所示的定向固化模具201還包括頂層210。頂層包含至少一種滑移面耐火材料。滑移面耐火材料可以包含任何合適的耐火材料?；泼婺突鸩牧习刍趸?、二氧化硅、氧化鋁、碳化硅、石墨，或其組合。當(dāng)從模具移除定向固化的硅時，頂層210保護(hù)定向固化模具的剩余部分免受損壞。例如，圖2中的定向固化模具201的剩余部分為熱面耐火件220和傳導(dǎo)耐火件230。整個頂層210可以具有大致一致的厚度和組成，如圖2中所示。在其他實(shí)施方案中，頂層可以具有可變的厚度或組成。替代性地，頂層的一些部分可以具有大致一致的厚度和組成，而頂層的其他部分可以具有可變的厚度或組成。在當(dāng)移除固體硅保護(hù)定向固化模具的剩余部分免受損壞時，并且在幫助固體硅的移除時，當(dāng)移除硅時頂層可能部分或全部損壞。頂層可以在裝置的一次或多次使用中間進(jìn)行更換或修補(bǔ)。頂層可以以任何合適的方式施用。頂層可以以噴射或刷涂的方式施用。在另一個實(shí)施例中，頂層可以使用拖網(wǎng)施用，并與濕水泥相似地鋪開。在施用之后，可以允許頂層干燥和凝固。在一些實(shí)施方案中，可以使用硅膠作為用于頂層的粘合劑，包括用于滑移面耐火件噴射。頂層可以在使用之前加熱從而干燥并以備使用。

圖2中所示的裝置200的隔熱層202至少部分地設(shè)置在定向固化模具201和外殼203的側(cè)面之間。如圖2中所示，具體實(shí)施方案的隔熱層從外殼的底部的內(nèi)部向上延伸。如上所討論的，包括隔熱層的各種構(gòu)造作為本發(fā)明的實(shí)施方案。圖2中所示的隔熱層202包括兩個層，內(nèi)層240和外層250。層240和250可以包含任何合適的隔熱材料。在一個實(shí)施方案中，外隔熱層250包括陶瓷紙和高溫陶瓷板。在一個實(shí)施方案中，外隔熱層250包括陶瓷紙、高溫棉、高溫陶瓷板，或其組合。在一個實(shí)施方案中，內(nèi)隔熱層240包括隔熱磚或耐火材料，其中耐火材料可以包含可鑄耐火材料。

圖2中所示的裝置200的外殼203包含任何合適的材料。例如，外殼203包含鋼或不銹鋼。在圖2中，外殼顯示為在外層250的頂部上方并且部分地在內(nèi)層240的頂部上方延伸；如上文所討論的，包括隔熱層的各種構(gòu)造作為本發(fā)明的實(shí)施方案。

圖2中所示的裝置200包括錨固件260。錨固件可以將耐火層固定在裝置中，從而防止耐火層松脫。例如，在圖2中，錨固件260將熱面耐火件220固定至內(nèi)層240，并且可以幫助固定裝置。在其他實(shí)施方案中，錨固件可以固定在外殼中并且可以通過任何數(shù)量的層延伸從而固定所述任何數(shù)量的層。在其他實(shí)施方案中，錨固件可以在任何合適的層中開始和結(jié)束。錨固件可以包含任何合適的材料。例如，錨固件可以包含鋼、不銹鋼或鑄鐵。錨固件可以為任何合適的形狀，并且為任何合適的取向。通過用錨固件260，用附件231和狹槽232，用其組合，或用替代性的固定手段固定裝置，所述裝置可以具有更久的壽命并且可以承受更多變的處理而具有最小量的損壞。此外，用錨固件260，用附件231和狹槽232，用其組合，或用替代性的固定手段固定裝置，可以幫助防止當(dāng)裝置倒置時層從裝置脫落。

頂部加熱器

在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明還包括頂部加熱器。頂部加熱器可以設(shè)置在底部模具的頂部上。頂部加熱器的底部的形狀大致匹配底部模具的頂部的形狀。頂部加熱器可以向底部模具的頂部施加熱量，加熱其中的硅。向底部模具施加熱量可以造成底部模具中的硅熔融。此外，向底部模具施加熱量可以允許控制底部模具中的硅的溫度。同樣地，頂部加熱器可以設(shè)置在底部模具的頂部上而不加熱，充當(dāng)隔熱體從而控制熱從底部模具的頂部釋放。通過控制底部模具的頂部的溫度或熱量釋放，可以更容易地實(shí)現(xiàn)所需的溫度梯度，這可以允許更為高度受控的定向固化。最后，對溫度梯度的控制可以允許更為有效的定向固化，其中所得的硅純度達(dá)到最大。在一個實(shí)施方案中，可以使用b型熱電偶從而監(jiān)控爐腔內(nèi)的溫度。

圖3顯示了頂部加熱器300。頂部加熱器可以包括一個或多個加熱構(gòu)件310。一個或多個加熱構(gòu)件的每一者可以獨(dú)立地包含任何合適的材料。例如，一個或多個加熱構(gòu)件的每一者可以獨(dú)立地包括加熱元件，其中加熱元件可以包含碳化硅、二硅化鉬、石墨，或其組合；并且一個或多個加熱構(gòu)件的每一者可以替代性地獨(dú)立地包括感應(yīng)加熱器。在一個實(shí)施方案中，一個或多個加熱構(gòu)件設(shè)置在大致相同的高度處。在另一個實(shí)施方案中，一個或多個加熱構(gòu)件設(shè)置在不同的高度處。

在一個實(shí)施例中，加熱元件包含碳化硅，碳化硅具有某些優(yōu)點(diǎn)。例如，碳化硅加熱元件在高溫下在氧氣的存在下不腐蝕。可以通過使用真空室減少包含腐蝕材料的加熱元件的氧腐蝕，但是碳化硅加熱元件可以不使用真空室而避免腐蝕。此外，碳化硅加熱元件可以使用而無需水冷導(dǎo)線。在一個實(shí)施方案中，加熱元件可以在真空室中使用、具有水冷導(dǎo)線，或者兩者。在另一個實(shí)施方案中，加熱元件可以不具有真空室使用、不具有水冷導(dǎo)線，或者不具有兩者。

在一個實(shí)施方案中，一個或多個加熱構(gòu)件為感應(yīng)加熱器。感應(yīng)加熱器可以鑄造在一種或多種耐火材料中。包含一個或多個感應(yīng)加熱線圈的耐火材料可以然后設(shè)置在底部模具上方。耐火材料可以是任何合適的材料。例如，耐火材料可以包括氧化鋁、氧化硅、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、氧化鉻、碳化硅、石墨，或其組合。在另一實(shí)施方案中，感應(yīng)加熱器不鑄造在一種或多種耐火材料中。

在一個實(shí)施方案中，一個或多個加熱構(gòu)件具有電系統(tǒng)，使得如果至少一個加熱構(gòu)件失效，任何剩余功能性加熱構(gòu)件繼續(xù)接收電流并且產(chǎn)生熱量。在一個實(shí)施方案中，每個加熱構(gòu)件具有其自身的電路。

頂部加熱器可以包括隔熱件，例如圖3中所示的頂部加熱器300包括隔熱件320。隔熱件可以包含任何合適的隔熱材料。隔熱件可以包含一種或多種隔熱材料。例如，隔熱件可以包括隔熱磚、耐火件、耐火件的混合物、隔熱板、陶瓷紙、高溫棉或其混合物。隔熱板可以包括高溫陶瓷板。如圖3中所示，隔熱材料和一個或多個加熱構(gòu)件310的底部邊緣在大致相同的高度處。包括一個或多個加熱構(gòu)件和隔熱件的其他構(gòu)造作為本發(fā)明的實(shí)施方案。例如，一個或多個加熱構(gòu)件可以包括感應(yīng)加熱器，隔熱件可以包含耐火材料，并且一個或多個加熱構(gòu)件可以嵌入耐火材料。在該實(shí)施方案中，也可以任選地包括額外的隔熱材料，其中額外的隔熱件可以為耐火材料，或者額外的隔熱件可以為另一種合適的隔熱材料。在另一個實(shí)施例中，一個或多個加熱構(gòu)件可以包括感應(yīng)加熱器，并且加熱構(gòu)件可以如圖3中所示的加熱構(gòu)件設(shè)置，或者以不嵌入耐火材料的另一種構(gòu)造相似地設(shè)置。在另一個實(shí)施例中，一個或多個加熱構(gòu)件可以設(shè)置在隔熱件的底部邊緣的高度以上。在另一個實(shí)施例中，隔熱件的底部邊緣可以設(shè)置在一個或多個加熱構(gòu)件的高度以上。在一個或多個加熱構(gòu)件設(shè)置在不同高度處的實(shí)施方案中，隔熱件的邊緣可以在加熱構(gòu)件的高度中間，或者為上述任何其他構(gòu)造。

頂部加熱器可以包括外殼，例如圖3中所示的頂部加熱器300包括外殼330。外殼可以包含任何合適的材料。例如，外殼可以包含鋼或不銹鋼。在另一個實(shí)施方案中，外殼包含鋼、不銹鋼、銅、鑄鐵、耐火材料、耐火材料的混合物，或其組合。隔熱件320至少部分地設(shè)置在一個或多個加熱構(gòu)件和外殼之間。在圖3中，外殼330的底部邊緣被顯示為與隔熱件的底部邊緣和與一個或多個加熱構(gòu)件大致平坦。然而，正如上文關(guān)于一個或多個加熱構(gòu)件和隔熱件所討論的，包括外殼、隔熱件和一個或多個加熱構(gòu)件的各種構(gòu)造作為本發(fā)明的實(shí)施方案。例如，外殼的邊緣可以在隔熱件的邊緣和一個或多個加熱構(gòu)件以下延伸。在另一個實(shí)施例中，外殼的邊緣可以在隔熱件的邊緣以下、在一個或多個加熱構(gòu)件以下延伸，或其組合。在一個實(shí)施例中，外殼可以在隔熱件的底部邊緣以下延伸并且連續(xù)橫穿全部或部分地覆蓋隔熱件的底部邊緣。在一些實(shí)施方案中，覆蓋隔熱件的邊緣的外殼部分可以包含具有相對低傳導(dǎo)性的材料，例如合適的耐火件，例如氧化鋁、氧化硅、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、氧化鉻、碳化硅、石墨，或其組合。在另一個實(shí)施例中，外殼不在隔熱件的底部邊緣或一個或多個加熱構(gòu)件的高度以下延伸。在另一個實(shí)施方案中，外殼在一個或多個加熱構(gòu)件的高度以下延伸，但是仍然在隔熱件的底部邊緣以上。在一個或多個加熱構(gòu)件設(shè)置在不同高度處的實(shí)施方案中，外殼可以延伸至加熱構(gòu)件的高度中間的高度，或者為上述任何其他構(gòu)造。

在一些實(shí)施方案中，頂部加熱器外殼可以包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以為頂部加熱器增加強(qiáng)度和剛性。結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以包含鋼、不銹鋼、銅、鑄鐵、耐火材料、耐火材料的混合物，或其組合。在一個實(shí)施例中，頂部加熱器外殼可以包括一個或多個結(jié)構(gòu)構(gòu)件，所述一個或多個結(jié)構(gòu)構(gòu)件從頂部加熱器外殼的外部以遠(yuǎn)離頂部加熱器中心的方向延伸，并且圍繞頂部加熱器的圓周或周邊水平地延伸。一個或多個水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以設(shè)置在例如頂部加熱器外殼的外部的下邊緣處、頂部加熱器外殼的外部的頂部邊緣處、頂部加熱器外殼的外部的底部邊緣和頂部邊緣中間的任何位置處。在一個實(shí)施例中，頂部加熱器包括三個水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一個設(shè)置在頂部加熱器外殼的底部邊緣處，一個設(shè)置在頂部加熱器外殼的上邊緣處，一個設(shè)置在頂部加熱器外殼的下邊緣和上邊緣中間。頂部加熱器外殼可以包括在頂部加熱器外殼的外部上的一個或多個結(jié)構(gòu)構(gòu)件，所述一個或多個結(jié)構(gòu)構(gòu)件從頂部加熱器外殼的外部以遠(yuǎn)離頂部加熱器中心的方向延伸，從頂部加熱器外殼的外部的底部豎直地延伸至頂部加熱器外殼的外部的頂部。在一個實(shí)施例中，頂部加熱器外殼可以包括八個豎直結(jié)構(gòu)構(gòu)件。豎直結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以圍繞頂部加熱器的圓周或周邊均勻地設(shè)置。在另一個實(shí)施例中，頂部加熱器外殼包括豎直和水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件兩者。頂部加熱器外殼可以包括橫穿頂部加熱器外殼的頂部延伸的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。頂部上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以從頂部加熱器外殼的頂部的一個外邊緣延伸至頂部加熱器外殼的頂部的另一個邊緣。頂部上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件也可以部分地橫穿外殼的頂部延伸。結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以是條帶、條棒、管道或用于為頂部加熱器增加結(jié)構(gòu)支撐的任何合適的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以經(jīng)由焊接、釬焊或任何其他合適的方法附接至頂部加熱器外殼。結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以適合于幫助裝置的輸送和物理操縱。例如，頂部加熱器外殼的外部的頂部上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以為足夠尺寸、強(qiáng)度、取向、間隔或其組合的管道，使得特定的叉車或其他起重機(jī)可以升起或移動或物理操縱頂部加熱器。在另一個實(shí)施方案中，上述設(shè)置在頂部加熱器外殼的外部上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以替代性地或者額外地設(shè)置在頂部加熱器外殼的內(nèi)部上。在另一個實(shí)施方案中，可以使用吊車或其他起重機(jī)，使用附接至頂部加熱器的鏈條，包括附接至頂部加熱器的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或頂部加熱器的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鏈條，移動頂部加熱器。例如，四根鏈條可以附接至頂部加熱器外殼的上邊緣從而形成束帶，使得吊車升起或移動頂部加熱器。

冷卻

如上所述，通過控制裝置中的溫度梯度，可以實(shí)現(xiàn)高度受控的定向固化。對溫度梯度和相應(yīng)的定向結(jié)晶的高度控制可以允許更有效的定向固化，提供更高純度的硅。在本發(fā)明中，定向結(jié)晶大致從底部至頂部進(jìn)行，因此期望的溫度梯度在底部具有更低的溫度，而在頂部具有更高的溫度。在具有頂部加熱器的實(shí)施方案中，頂部加熱器是控制熱量進(jìn)入或從定向固化模具的頂部損失的一種方法。一些實(shí)施方案在定向固化模具中包括傳導(dǎo)耐火材料，從而引起從裝置底部的熱量損失，而一些實(shí)施方案也在定向固化模具的側(cè)面上包括隔熱材料，從而防止從其熱量損失并且促進(jìn)形成豎直熱梯度和阻止形成水平熱梯度。在使用本發(fā)明的一些方法中，風(fēng)扇可以橫穿裝置的底部，例如橫穿外殼的底部鼓風(fēng)，從而控制從裝置底部的熱損失。在使用本發(fā)明的一些方法中，使用環(huán)境空氣的循環(huán)而不使用風(fēng)扇從而冷卻裝置，包括裝置的底部。

在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，一個或多個傳熱翅片可以附接至外殼的底部從而促進(jìn)裝置的空氣冷卻。風(fēng)扇可以通過橫穿外殼的底部鼓風(fēng)從而增強(qiáng)冷卻翅片的冷卻效果?？梢允褂萌魏魏线m數(shù)量的翅片。一個或多個翅片可以通過翅片的表面積吸收來自裝置底部的熱量并且允許通過空氣冷卻移除熱量。例如，翅片可以由銅、鑄鐵、鋼或不銹鋼制成。

在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，包括至少一個液體導(dǎo)管。至少一個液體導(dǎo)管被構(gòu)造成允許冷卻液體穿過導(dǎo)管，從而傳遞熱量離開定向固化模具。冷卻液體可以是任何合適的冷卻液體。冷卻液體可以是一種液體。冷卻液體可以是多于一種液體的混合物。冷卻液體可以包括水、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、油、油混合物，或其組合。

在一些實(shí)施方案中，至少一個液體導(dǎo)管包括管道。管道可以包含任何合適的材料。例如，管道可以包含銅、鑄鐵、鋼、不銹鋼、耐火材料、耐火材料的混合物，或其組合。至少一個液體導(dǎo)管可以包括通過材料的導(dǎo)管。導(dǎo)管可以通過任何合適的材料。例如，導(dǎo)管可以通過包含如下的材料：銅、碳化硅、石墨、鑄鐵、鋼、不銹鋼、耐火材料、耐火材料的混合物，或其組合。至少一個液體導(dǎo)管可以為管道和通過材料的導(dǎo)管的組合。在一些實(shí)施方案中，至少一個液體導(dǎo)管可以設(shè)置為靠近裝置的底部。至少一個液體導(dǎo)管可以設(shè)置在裝置的底部內(nèi)。至少一個液體導(dǎo)管的位置可以包括靠近裝置的底部和在裝置的底部內(nèi)的組合。

本發(fā)明的一些實(shí)施方案中包括的液體導(dǎo)管包括允許冷卻液體傳遞熱量離開定向固化模具的各種構(gòu)造?？梢允褂帽脧亩苿永鋮s液體?？梢允褂美鋮s系統(tǒng)從而從冷卻液體移除熱量。例如，可以使用一個或多個管道，包括管。一個或多個管道可以為任何合適的形狀，包括圓形、方形或扁平形。管道可以盤繞。管道可以靠近外殼的外部。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，管道可以靠近外殼的外部的底部。管道可以接觸外殼使得產(chǎn)生足夠的表面積接觸，從而允許從裝置有效地傳遞熱量至冷卻液體。管道可以以任何合適的方式，包括沿管道的邊緣接觸外殼。管道可以焊接、釬焊、錫焊，或通過任何合適的方法附接至外殼的外部。管道可以平貼至外殼的外部從而增強(qiáng)熱量傳遞的效率。在一些實(shí)施方案中，至少一個液體導(dǎo)管是穿過底部模具的底部的一個或多個導(dǎo)管。穿過底部模具的底部的導(dǎo)管可以是嵌入包括在定向固化模具中的耐火件的管道。管道可以進(jìn)入外殼的一部分，穿過定向固化模具底部處的耐火材料或傳導(dǎo)材料或其組合，并離開外殼的另一部分。嵌入定向固化模具的底部耐火件或底部傳導(dǎo)材料的管道可以盤繞，或者以任何合適的形狀排列，包括在離開裝置的底部之前前后移動一次或多次。

在另一個實(shí)施方案中，至少一個液體導(dǎo)管包括嵌入耐火材料、熱傳導(dǎo)材料或其組合的管道，其中所述材料為尺寸足以在其上放置裝置的材料塊。導(dǎo)管可以通過任何合適的材料。例如，導(dǎo)管可以通過包含如下的材料：銅、碳化硅、石墨、鑄鐵、鋼、不銹鋼、耐火材料、耐火材料的混合物，或其組合。冷卻液體可以從其上設(shè)置底部模具的耐火材料移除熱量，從而從裝置的底部移除熱量。

綜述

圖4顯示了用于硅的定向固化的裝置400的具體實(shí)施方案，包括設(shè)置在底部模具420的頂部上的頂部加熱器部分。頂部加熱器包括鏈條401，所述鏈條401經(jīng)由豎直結(jié)構(gòu)構(gòu)件403中的孔402連接至頂部加熱器410。鏈條401形成束帶，所述束帶可以允許通過使用吊車移動頂部加熱器。也可以例如通過將裝置的下半部分放置在剪刀式升降機(jī)上而將頂部加熱器留在下半部分上從而移動裝置。裝置可以以任何合適的方式移動。豎直結(jié)構(gòu)構(gòu)件403從頂部加熱器410的外殼的底部邊緣豎直地延伸至頂部加熱器410的不銹鋼外殼的頂部邊緣。豎直結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)置在頂部加熱器外殼的外部上并且從外殼平行于遠(yuǎn)離頂部加熱器中心的方向延伸。頂部加熱器還包括水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件404，所述水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件404設(shè)置在頂部加熱器外殼的外部上并且從外殼以平行于遠(yuǎn)離頂部加熱器中心的方向延伸。頂部加熱器還包括唇緣405，所述唇緣406為頂部加熱器的外殼的一部分。唇緣突出遠(yuǎn)離頂部加熱器的外殼。唇緣可以朝向頂部加熱器的中心軸線向內(nèi)延伸使其覆蓋頂部加熱器的隔熱件至任何合適的程度。替代性地，唇緣可以向內(nèi)延伸僅足以覆蓋頂部加熱器的外殼的底部邊緣。篩箱406圍住從頂部加熱器的外殼突出的加熱構(gòu)件的端部，保護(hù)使用者免于這些構(gòu)件的端部中或端部附近可能存在的熱量和電流。

在圖4中所示的具體實(shí)施方案中，來自底部模具420的隔熱件411在頂部加熱器410和底部模具420之間。底部模具的一個或多個隔熱層的至少一部分延伸超過底部模具的外殼的高度。底部模具包括豎直結(jié)構(gòu)構(gòu)件412。豎直結(jié)構(gòu)構(gòu)件412在底部模具的外殼的外表面上，平行于遠(yuǎn)離底部模具中心的方向延伸遠(yuǎn)離外殼。豎直結(jié)構(gòu)構(gòu)件412從外殼的底部邊緣豎直地延伸至外殼的頂部邊緣。底部模具還包括水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件413。水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件413在底部模具的外殼的外表面上，平行于遠(yuǎn)離底部模具中心的方向延伸遠(yuǎn)離外殼。水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件413圍繞底部模具的圓周水平地延伸。底部模具還包括底部結(jié)構(gòu)構(gòu)件414和415。底部結(jié)構(gòu)構(gòu)件414和415平行于遠(yuǎn)離底部模具中心的方向延伸遠(yuǎn)離外殼。底部結(jié)構(gòu)構(gòu)件橫穿底部模具的底部延伸。一些底部結(jié)構(gòu)構(gòu)件415的形狀使其允許叉車或其他機(jī)器升起或物理操縱裝置。

圖5顯示了朝向頂部加熱器500的底部的圖，所述頂部加熱器500為用于硅的定向固化的裝置的實(shí)施方案的一部分。在該具體實(shí)施方案中，外殼延伸超過頂部加熱器的底部邊緣處的隔熱層520的一部分。加熱構(gòu)件530在相同高度處，并且頂部加熱器510的外殼的底部邊緣和隔熱件520在加熱元件的高度以下。

圖6顯示了朝向用于硅的定向固化的裝置600的實(shí)施方案的定向固化模具的內(nèi)部的圖。在該具體實(shí)施方案中，外殼610的邊緣不延伸超過隔熱層620的邊緣。相反，隔熱層620延伸超過定向固化模具630的頂部邊緣。定向固化模具的頂部邊緣在隔熱件620的頂部邊緣和外殼610的高度以下。該實(shí)施方案的整體三維形狀相似于厚壁大碗。

圖7顯示了通過本發(fā)明的裝置和方法的實(shí)施方案制造的硅錠塊700。錠塊顯示為具有面向上方的錠塊底部701，和面向下方的錠塊頂部702。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，在通過定向結(jié)晶制造之后，錠塊700在錠塊頂部702處的最后凝固部分中具有最大量的雜質(zhì)。因此，在一些實(shí)施方案中，錠塊頂部702使用例如帶鋸移除，從而增加錠塊700的整體純度。

使用方法

本發(fā)明提供使用上述裝置純化硅的方法，其中所述裝置可以是裝置的任何實(shí)施方案。純化硅的方法可以是制造用于切成一個或多個太陽能晶片的一個或多個硅錠塊的方法。所述方法包括提供或接收第一硅。第一硅可以包含任何合適純度級別的硅。所述方法可以包括至少部分地熔融第一硅。所述方法可以包括完全熔融第一硅。至少部分地熔融第一硅可以包括完全熔融第一硅，幾乎完全熔融第一硅(超過約99重量％、95重量％、90重量％、85重量％或80重量％熔融)，或部分地熔融第一硅(小于約80重量％或更少熔融)。熔融第一硅提供第一熔融硅。所述方法包括提供或接收定向固化裝置。定向固化裝置可以基本上相似于上文所述。所述方法包括定向地固化第一硅，從而提供第一熔融硅。在定向固化中，硅的固化大致在定向固化模具的底部開始并大致在定向固化模具的頂部結(jié)束。定向固化提供第二硅。第二硅的最后凝固部分包含相比于第一硅更大的雜質(zhì)濃度。第二硅除最后凝固部分的部分包含相比于第一硅更小的雜質(zhì)濃度。

第二硅可以為硅錠塊。硅錠塊可以適合于切成太陽能晶片，用于制造太陽能電池。硅錠塊可以使用例如帶鋸、鋼絲鋸或任何合適的切割設(shè)備切成太陽能晶片。

在一些實(shí)施方案中，所述方法在真空中、在惰性氣氛中或在環(huán)境空氣中進(jìn)行。為了在真空中或在惰性氣氛中進(jìn)行所述方法，所述裝置可以放置在這樣的室中，所述室能夠形成小于大氣壓力的壓力或者填充有具有相比于環(huán)境空氣更大濃度的惰性氣體的氣氛。在一些實(shí)施方案中，可以將氬氣泵入裝置或容納裝置的室中，從而置換裝置中的氧氣。

在一些實(shí)施方案中，所述方法包括將上述頂部加熱器設(shè)置在定向固化模具上方。底部模具，包括定向固化模具，可以在加入熔融硅之前預(yù)熱?？梢允褂庙敳考訜崞鲝亩A(yù)熱底部模具。預(yù)熱底部模具可以幫助防止硅在模具的壁上過快固化?？梢允褂庙敳考訜崞鲝亩廴诘谝还琛Ｔ诠枞廴谥?，可以使用頂部加熱器從而傳遞熱量至硅。當(dāng)硅在定向固化模具中熔融時，在硅熔融之后，頂部加熱器可以傳遞熱量至硅?？梢允褂庙敳考訜崞鲝亩刂乒桧敳康臒崃俊ｍ敳考訜崞骺梢杂米鞲魺峒?，從而控制在底部模具的頂部處的熱量損失的量。第一硅可以在裝置外部，例如在爐中熔融，然后加入裝置。在一些實(shí)施方案中，在加入裝置之后，在裝置外部熔融的硅可以使用頂部加熱器進(jìn)一步加熱至所需溫度。

在包括具有感應(yīng)加熱器的頂部加熱器的實(shí)施方案中，硅優(yōu)選地在加入底部模具之前熔融。替代性地，頂部加熱器包括加熱元件以及感應(yīng)加熱器。感應(yīng)加熱器對于熔融硅可以更有效。感應(yīng)可以造成熔融硅的混合。在一些實(shí)施方案中，可以充分調(diào)節(jié)功率從而優(yōu)化混合的量，因?yàn)檫^多的混合可以提高雜質(zhì)的分離但是也可以在最終硅錠塊中產(chǎn)生不期望的多孔性。

定向固化可以包括從定向固化裝置的底部移除熱量。熱量的移除可以以任何合適的方式進(jìn)行。例如，熱量的移除可以包括橫穿定向固化裝置的底部的鼓風(fēng)風(fēng)扇。熱量的移除可以包括允許環(huán)境空氣冷卻裝置的底部，而不使用風(fēng)扇。熱量的移除可以包括使冷卻液體穿過靠近裝置底部的管道，穿過經(jīng)過裝置底部的管道，穿過經(jīng)過其上設(shè)置裝置的材料的管道，或其組合。從裝置的底部移除熱量允許在裝置中建立熱梯度，所述熱梯度造成其中的熔融硅大致從定向固化模具的底部至模具的頂部的定向固化。

從裝置的底部移除熱量可以在定向固化的整個持續(xù)時間內(nèi)進(jìn)行?？梢允褂枚嘀乩鋮s方法。例如，裝置的底部可以液體冷卻和用風(fēng)扇冷卻。風(fēng)扇冷卻可以針對定向固化的一部分進(jìn)行，而液體冷卻針對另一部分進(jìn)行，兩種冷卻方法之間存在任何合適量的重疊和缺失。液體冷卻可以針對定向固化的一部分進(jìn)行，而環(huán)境空氣冷卻針對另一部分單獨(dú)進(jìn)行，兩種冷卻方法之間存在任何合適量的重疊和缺失。通過將裝置設(shè)置在冷卻材料塊上進(jìn)行冷卻也可以在定向固化的任何合適的持續(xù)時間內(nèi)進(jìn)行，包括與其他冷卻方法的任何合適的組合，存在任何合適量的重疊?？梢赃M(jìn)行底部的冷卻同時向頂部加入熱量；例如，同時向頂部加入熱量從而增加頂部的溫度、維持頂部的溫度，或者允許頂部特定的冷卻速度。包括加熱裝置頂部、冷卻底部及其組合(存在任何合適量的暫時重疊或缺失)的所有合適的構(gòu)造和方法作為本發(fā)明的實(shí)施方案。

定向固化可以包括使用頂部加熱器從而將硅加熱至至少約1450℃，并在大約10至16小時內(nèi)將硅頂部的溫度從大約1450℃緩慢冷卻至1410℃。定向固化可以包括使用頂部加熱器從而將硅加熱至至少約1450℃，并維持硅頂部的溫度大約恒定在大約1425℃和1460℃之間大約14小時。定向固化可以包括關(guān)閉頂部加熱器，允許硅冷卻大約4-12小時，然后從定向固化模具移除頂部加熱器。

在一個實(shí)施方案中，定向固化包括使用頂部加熱器從而將硅加熱至至少約1450℃，并維持硅頂部的溫度大約恒定在大約1425℃和1460℃之間大約14小時。所述實(shí)施方案包括關(guān)閉頂部加熱器，允許硅冷卻大約4-12小時，然后從定向固化模具移除頂部加熱器。

在另一個實(shí)施方案中，定向固化包括使用頂部加熱器從而將硅加熱至至少約1450℃，并在大約10至16小時內(nèi)將硅頂部的溫度從大約1450℃緩慢冷卻至1410℃。所述實(shí)施方案包括關(guān)閉頂部加熱器，允許硅冷卻大約4-12小時，然后從定向固化模具移除頂部加熱器。

所述方法可以包括從定向固化裝置移除第二硅。硅通過任何合適的方法移除。例如，可以通過倒置裝置并且允許第二硅從定向固化模具脫落從而移除硅。在另一個實(shí)施例中，定向固化裝置從中間分開從而形成兩半，允許容易地從模具移除第二硅。

所述方法可以包括從定向固化的第二硅移除任何合適的部分。優(yōu)選地，移除合適的部分導(dǎo)致硅錠塊的整體純度的升高。例如，所述方法可以包括從定向固化的第二硅移除至少一部分的最后凝固部分。優(yōu)選地，定向固化的硅的最后凝固部分為錠塊頂部，因?yàn)槠湓诘撞恐另敳慷ㄏ蚬袒^程中取向。最大雜質(zhì)濃度通常在固化硅的最后凝固部分中產(chǎn)生。移除最后凝固部分因此可以從固化硅移除雜質(zhì)，得到具有相比于第一硅更低的雜質(zhì)濃度的經(jīng)修整第二硅。移除一部分硅可以包括用帶鋸切割固體硅。移除一部分硅可以包括珠粒噴擊清理或蝕刻。珠粒噴擊清理或蝕刻也可以通常用于清理或移除第二硅的任何外表面，而不僅是最后凝固部分。

實(shí)施方案

本發(fā)明提供如下示例性實(shí)施方案：

實(shí)施方案1.用于硅的定向固化的裝置，包括：

定向固化模具，所述定向固化模具包含至少一種耐火材料；

外殼；和

隔熱層，所述隔熱層至少部分地設(shè)置在定向固化模具和外殼之間。

實(shí)施方案2.根據(jù)實(shí)施方案1所述的裝置，其中定向固化模具、外殼和隔熱層被構(gòu)造成用于硅的定向固化多于兩次。

實(shí)施方案3.根據(jù)實(shí)施方案1-2任一項(xiàng)所述的裝置，其中定向固化模具包括接收至少約1.4公噸硅的容量。

實(shí)施方案4.根據(jù)實(shí)施方案1-3任一項(xiàng)所述的裝置，其中至少一種耐火材料包括氧化鋁、氧化硅、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、氧化鉻、碳化硅、石墨，或其組合。

實(shí)施方案5.根據(jù)實(shí)施方案1-4任一項(xiàng)所述的裝置，其中定向固化模具的一個或多個側(cè)壁相比于定向固化模具的底部包括不同的厚度、材料組成或材料量。

實(shí)施方案6.根據(jù)實(shí)施方案1-5任一項(xiàng)所述的裝置，其中定向固化模具的一個或多個側(cè)壁包括熱面耐火件，并且其中定向固化模具的底部包括傳導(dǎo)耐火件。

實(shí)施方案7.根據(jù)實(shí)施方案1-6任一項(xiàng)所述的裝置，其中定向固化模具的一個或多個側(cè)壁包含氧化鋁，并且其中定向固化模具的底部包含碳化硅、石墨，或其組合。

實(shí)施方案8.根據(jù)實(shí)施方案1-7任一項(xiàng)所述的裝置，其中隔熱層包括隔熱磚、耐火材料、隔熱板、陶瓷紙、高溫棉，或其組合。

實(shí)施方案9.根據(jù)實(shí)施方案1-8任一項(xiàng)所述的裝置，其中隔熱層的一個或多個側(cè)壁相比于隔熱層的底部包括不同的厚度、材料組成或材料量。

實(shí)施方案10.根據(jù)實(shí)施方案1-9任一項(xiàng)所述的裝置，其中隔熱層至少部分地設(shè)置在定向固化模具的一個或多個側(cè)壁和外殼的一個或多個側(cè)壁之間，并且其中隔熱層不設(shè)置在定向固化模具的底部和外殼的底部之間。

實(shí)施方案11.根據(jù)實(shí)施方案1-10任一項(xiàng)所述的裝置，其中外殼包含鋼、不銹鋼、銅、鑄鐵、耐火材料、耐火材料的混合物，或其組合。

實(shí)施方案12.根據(jù)實(shí)施方案1-11任一項(xiàng)所述的裝置，進(jìn)一步包括斜度，所述斜度足以允許從模具移除定向固化的硅。

實(shí)施方案13.根據(jù)實(shí)施方案1-12任一項(xiàng)所述的裝置，其中外殼進(jìn)一步包括一個或多個結(jié)構(gòu)構(gòu)件，所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件包含鋼、不銹鋼、銅、鑄鐵、耐火材料、耐火材料的混合物，或其組合。

實(shí)施方案14.根據(jù)實(shí)施方案1-13任一項(xiàng)所述的裝置，進(jìn)一步包括至少一個液體管道，所述液體管道的尺寸和形狀允許冷卻液體穿過所述液體管道并且傳遞熱量遠(yuǎn)離定向固化模具。

實(shí)施方案15.根據(jù)實(shí)施方案14所述的裝置，進(jìn)一步包括冷卻液體，所述冷卻液體選自水、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、油、油混合物，或其組合。

實(shí)施方案16.根據(jù)實(shí)施方案14-15任一項(xiàng)所述的裝置，其中至少一個液體導(dǎo)管包含銅、鑄鐵、鋼、不銹鋼、耐火材料、耐火材料的混合物，或其組合。

實(shí)施方案17.根據(jù)實(shí)施方案14-16任一項(xiàng)所述的裝置，其中至少一個液體導(dǎo)管設(shè)置于靠近定向固化模具的底部部分、外殼或隔熱層，或者設(shè)置在定向固化模具的底部部分、外殼或隔熱層內(nèi)。

實(shí)施方案18.根據(jù)實(shí)施方案1-17任一項(xiàng)所述的裝置，其中定向固化模具包括頂層，所述頂層包含至少一種滑移面耐火材料，當(dāng)從定向固化模具移除定向固化的硅時，所述頂層被構(gòu)造成保護(hù)定向固化模具的剩余部分免受損壞。

實(shí)施方案19.根據(jù)實(shí)施方案18所述的裝置，其中整個頂層包括基本一致的厚度和組成。

實(shí)施方案20.根據(jù)實(shí)施方案18-19任一項(xiàng)所述的裝置，其中至少一個滑移面耐火件包含熔化二氧化硅、二氧化硅、氧化鋁、碳化硅、石墨，或其組合。

實(shí)施方案21.根據(jù)實(shí)施方案18-20任一項(xiàng)所述的裝置，其中頂層被構(gòu)造成在硅的第一次定向固化和硅的第二次定向固化之間進(jìn)行更換或修補(bǔ)。

實(shí)施方案22.根據(jù)實(shí)施方案1-21任一項(xiàng)所述的裝置，進(jìn)一步包括頂部加熱器，所述頂部加熱器包括一個或多個加熱構(gòu)件，所述一個或多個加熱構(gòu)件包括加熱元件或感應(yīng)加熱器。

實(shí)施方案23.根據(jù)實(shí)施方案22所述的裝置，其中加熱元件包含碳化硅、二硅化鉬、石墨，或其組合。

實(shí)施方案24.根據(jù)實(shí)施方案22-23任一項(xiàng)所述的裝置，進(jìn)一步包括電系統(tǒng)，所述電系統(tǒng)被構(gòu)造成向一個或多個加熱構(gòu)件供應(yīng)電力，所述電系統(tǒng)聯(lián)接至加熱構(gòu)件，使得如果任何一個加熱元件失效，任何剩余加熱元件繼續(xù)接收電流并且產(chǎn)生熱量。

實(shí)施方案25.根據(jù)實(shí)施方案22-24任一項(xiàng)所述的裝置，其中頂部加熱器進(jìn)一步包括隔熱件，所述隔熱件包括隔熱磚、耐火件、耐火件的混合物、隔熱板、陶瓷紙、高溫棉，或其混合物。

實(shí)施方案26.根據(jù)實(shí)施方案22-25任一項(xiàng)所述的裝置，其中頂部加熱器進(jìn)一步包括外殼，其中隔熱件至少部分地設(shè)置在一個或多個加熱元件和頂部加熱器外殼之間。

實(shí)施方案27.根據(jù)實(shí)施方案26所述的裝置，其中頂部加熱器外殼進(jìn)一步包括一個或多個結(jié)構(gòu)構(gòu)件，所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件包含鋼、不銹鋼、銅、鑄鐵、耐火材料、耐火材料的混合物，或其組合。

實(shí)施方案28.根據(jù)實(shí)施方案26-27任一項(xiàng)所述的裝置，其中頂部加熱器外殼包含不銹鋼。

實(shí)施方案29.根據(jù)實(shí)施方案1-28任一項(xiàng)所述的裝置，被構(gòu)造成使得第一半可以沿著豎縫與第二半分離，足以移除定向固化的硅，和

其中第一半和第二半可以結(jié)合從而形成裝置，并且裝置可以重用。

實(shí)施方案30.純化硅的方法，包括：

提供或接收第一硅；

至少部分地熔融第一硅，從而提供第一熔融硅；和

在根據(jù)實(shí)施方案1-29任一項(xiàng)所述的定向固化裝置中定向固化第一熔融硅，從而提供第二硅。

實(shí)施方案31.純化硅的方法，包括：

提供或接收第一硅；

提供或接收定向固化裝置，其中所述裝置包括：

定向固化模具，所述定向固化模具包含至少一種耐火材料；

外殼；和

隔熱層，所述隔熱層至少部分地設(shè)置在定向固化模具和外殼之間；

至少部分地熔融第一硅，從而提供第一熔融硅；和

在定向固化模具中定向固化第一熔融硅從而提供第二硅。

實(shí)施方案32.根據(jù)實(shí)施方案31所述的方法，其中純化硅的方法可以是制造用于切成一個或多個太陽能晶片的一個或多個硅錠塊的方法。

實(shí)施方案33.根據(jù)實(shí)施方案31-32任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括將加熱器設(shè)置在定向固化模具上方，包括將選自加熱元件和感應(yīng)加熱器的一個或多個加熱構(gòu)件設(shè)置在定向固化模具上方。

實(shí)施方案34.根據(jù)實(shí)施方案31-33任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括將第一熔融硅加入至定向固化裝置，

其中熔融第一硅包括在定向固化裝置外部熔融第一硅。

實(shí)施方案35.根據(jù)實(shí)施方案31-34任一項(xiàng)所述的方法，其中熔融第一硅包括在定向固化之前在定向固化裝置內(nèi)部熔融第一硅。

實(shí)施方案36.根據(jù)實(shí)施方案31-35任一項(xiàng)所述的方法，其中定向固化第一熔融硅包括從定向固化裝置的底部移除熱量。

實(shí)施方案37.根據(jù)實(shí)施方案31-36任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括從定向固化裝置移除第二硅。

實(shí)施方案38.根據(jù)實(shí)施方案33-37任一項(xiàng)所述的方法，其中加熱元件包含碳化硅、二硅化鉬、石墨，或其組合。

實(shí)施方案39.根據(jù)實(shí)施方案33-38任一項(xiàng)所述的方法，其中定向固化第一熔融硅包括：

使用頂部加熱器從而將硅加熱至至少約1450℃；和

在大約10至16小時之內(nèi)將硅的頂部部分的溫度從大約1450℃緩慢冷卻至1410℃。

實(shí)施方案40.根據(jù)實(shí)施方案33-39任一項(xiàng)所述的方法，其中定向固化第一熔融硅包括：

使用頂部加熱器從而將硅加熱至至少約1450℃；和

維持硅頂部的溫度大約恒定在大約1425℃和1460℃之間大約14小時。

實(shí)施方案41.根據(jù)實(shí)施方案33-40任一項(xiàng)所述的方法，其中定向固化第一熔融硅包括：

關(guān)閉頂部加熱器；

允許硅冷卻大約4-12小時；和

從定向固化模具移除頂部加熱器。

實(shí)施方案42.根據(jù)實(shí)施方案36-41任一項(xiàng)所述的方法，其中從定向固化裝置的底部移除熱量包括用一個或多個風(fēng)扇冷卻裝置的底部。

實(shí)施方案43.根據(jù)實(shí)施方案36-42任一項(xiàng)所述的方法，其中從定向固化裝置的底部移除熱量包括用冷卻液體冷卻裝置的底部。

實(shí)施方案44.根據(jù)實(shí)施方案37-43任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括從定向固化的第二硅移除至少一部分最后凝固部分。

實(shí)施方案45.用于硅的定向固化的裝置，包括：

定向固化模具，所述定向固化模具包含耐火材料，

其中定向固化模具的一個或多個側(cè)壁包含氧化鋁；

其中定向固化模具的底部包含碳化硅、石墨，或其組合；

頂層，所述頂層包括滑移面耐火件，當(dāng)從模具移除定向固化的硅時，頂層被構(gòu)造成保護(hù)定向固化模具的剩余部分免受損壞；

外殼，所述外殼包含鋼；

隔熱層，所述隔熱層包括隔熱磚、耐火材料、耐火材料的混合物、隔熱板、陶瓷紙、高溫棉，或其混合物，隔熱層至少部分地設(shè)置在定向固化模具的一個或多個側(cè)壁和外殼的一個或多個側(cè)壁之間；

頂部加熱器，包括：

一個或多個加熱構(gòu)件，每個加熱構(gòu)件包括加熱元件或感應(yīng)加熱器；

其中加熱元件包含碳化硅、二硅化鉬、石墨，或其組合；

隔熱件，所述隔熱件包括隔熱磚、耐火件、耐火件的混合物、隔熱板、陶瓷紙、高溫棉，或其組合；

外殼，所述外殼包含不銹鋼；

其中隔熱件至少部分地設(shè)置在一個或多個加熱構(gòu)件和頂部加熱器外殼之間；

其中定向固化模具、外殼和隔熱層被構(gòu)造成用于硅的定向固化多于兩次。

實(shí)施例

實(shí)施例1

碳化硅電阻元件用在頂部加熱器中，所述頂部加熱器用高溫棉隔熱體和鋼殼隔熱。將熔融硅(1.4噸)澆注在裝置的耐火件內(nèi)襯的預(yù)熱底部部分中。裝置具有氧化鋁耐火件壁，所述氧化鋁耐火件壁包括斜度從而允許硅在冷卻之后倒出。耐火件的壁涂布有薄滑移面的氧化鋁耐火件然后涂布有第二層si3n4粉末。定向固化模具的底部由碳化硅耐火件制成并且鋼殼的外部用外殼底部上的鼓風(fēng)風(fēng)扇冷卻。加熱器設(shè)定在1450℃保持14小時，然后關(guān)閉元件。六小時之后移除頂部加熱器部分并且允許硅冷卻至室溫。翻轉(zhuǎn)模具。將1.4噸錠塊切成兩半并且將錠塊的頂部25％切除從而移除雜質(zhì)。晶粒為約1-2cm寬和3-10cm高，與來自布里奇曼方法的標(biāo)準(zhǔn)錠塊相似以豎直方向形成柱狀物。

實(shí)施例2

碳化硅電阻元件用在頂部加熱器中，所述頂部加熱器用高溫棉隔熱體和鋼殼隔熱。將熔融硅(0.7噸)澆注在裝置的耐火件內(nèi)襯的預(yù)熱底部部分中。裝置具有氧化鋁耐火件壁，所述氧化鋁耐火件壁包括中間?？p線從而移除硅錠塊。耐火件的壁涂布有薄滑移面的sio2耐火件。定向固化模具的底部由石墨制成并且鋼殼的外部用外殼底部上的鼓風(fēng)風(fēng)扇冷卻。加熱器設(shè)定在1450℃保持12小時，然后關(guān)閉元件。六小時之后移除頂部加熱器部分并且允許硅冷卻至室溫。在?？p線處打開模具。將0.7噸錠塊切成兩半并且將錠塊的頂部15％切除從而移除雜質(zhì)。晶粒為約1cm寬和3-10cm高，與來自布里奇曼方法的標(biāo)準(zhǔn)錠塊相似以豎直方向形成柱狀物。

所有出版物、專利和專利申請以引用的方式并入本文。雖然在上文中已經(jīng)根據(jù)某些優(yōu)選的實(shí)施方案描述所公開的主題，并且已經(jīng)出于說明的目的陳述了許多細(xì)節(jié)，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然的是所公開的主題允許另外的實(shí)施方案，且本文描述的一些細(xì)節(jié)可以在不偏離所公開的主題的基本原則的情況下進(jìn)行明顯變化。