一種鑄錠快速凝固的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明屬于定向凝固法晶體生長工藝領(lǐng)域，具體涉及一種鑄錠快速凝固的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]太陽能光伏是新能源利用的主要形式之一，具有廣闊的發(fā)展前景。太陽電池是太陽能光伏系統(tǒng)的核心部件，制備太陽電池的材料主要是晶體硅，晶體硅鑄錠的制備成本和品質(zhì)直接決定太陽電池的制備成本和光電轉(zhuǎn)換效率。在晶體硅鑄錠的各種制備方法中，定向凝固法由于其控制簡便、易于大尺寸生長、平均能耗小，且生產(chǎn)的鑄錠能夠直接切成方形硅片、材料損耗小等優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用。
[0003]定向凝固法制備多晶硅鑄錠從上世紀90年代末的每錠不足10kg發(fā)展到現(xiàn)在800kg，投料量逐步增大。同時，鑄錠工藝不斷更新，運行周期縮短;鑄錠所需熱場結(jié)構(gòu)不斷改進，能耗進一步降低。相應(yīng)的鑄錠質(zhì)量不斷提高，電池光電轉(zhuǎn)換效率提升。然而，相比于傳統(tǒng)能源，多晶硅電池技術(shù)依然具有較高的發(fā)電成本。
[0004]晶硅鑄錠生長過程需耗費大量電能，縮短鑄錠生長周期，減小能耗成為降低生產(chǎn)成本的重要途徑之一。通過提高鑄錠的凝固速率可有效縮短鑄錠的凝固時間，如何在鑄錠凝固階段快速降低坩禍底部溫度，在坩禍底部形成較大的軸向溫度梯度，成為縮短鑄錠凝固時間的關(guān)鍵技術(shù)。在現(xiàn)有的晶硅鑄錠過程中，一般通過在坩禍底部布置水冷或者氣冷通道的方法實現(xiàn)鑄錠的強化冷卻。但是，由于水冷和氣冷都是通過改變冷卻介質(zhì)的顯焓(即溫度變化)從而帶走坩禍底部釋放的熱量，冷卻能力很有限。
[0005]20世紀60年代，美國開始了使用化學熱沉作為冷卻方式的研究。其原理為通過氣態(tài)物質(zhì)的吸熱化學反應(yīng)，快速移除局部或者反應(yīng)表面上的高密度熱量。與氣冷或者水冷等通過改變冷卻介質(zhì)的顯焓從而帶走局部熱量的冷卻方式不同，化學熱沉冷卻方式是通過化學反應(yīng)過程吸熱的特性主動移除局部的高密度熱流，冷卻效果非常顯著。但是該技術(shù)在鑄錠定向凝固領(lǐng)域至今沒有應(yīng)用方面的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0006]本發(fā)明的目的是提供一種鑄錠快速凝固的裝置及方法，其利用化學吸熱反應(yīng)實現(xiàn)晶硅鑄錠的快速冷卻，進而達到縮短鑄錠生長周期，節(jié)約能耗，降低晶硅鑄錠生產(chǎn)成本的目的。同時在長晶初期可保證坩禍底部維持一定的過冷度，防止底部籽晶被熔化，進而提高晶體質(zhì)量。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0008]—種鑄錠快速凝固的裝置，包括具有密封腔體的爐壁，爐壁內(nèi)設(shè)置有保溫底板，保溫底板上設(shè)置有隔熱籠，隔熱籠內(nèi)設(shè)置有底部熱交換臺，以及依次設(shè)置在底部熱交換臺上的石墨坩禍和石英坩禍，石墨坩禍的周向上還設(shè)置有加熱器;其中，底部熱交換臺與石墨坩禍之間還設(shè)置有具有中空腔體的化學吸熱反應(yīng)換熱器，化學吸熱反應(yīng)換熱器上設(shè)置有與其中空腔體相連通的進氣口和排氣口，且進氣口和排氣口依次穿過保溫底板和爐壁后引出至爐壁外。
[0009]本發(fā)明進一步的改進在于，在鑄錠熔化階段，隔熱籠和保溫底板緊密接觸，在內(nèi)部形成封閉的高溫空間，在鑄錠生長以及退火階段通過隔熱籠上移或保溫底板下移控制鑄錠的冷卻以及退火速率。
[0010]本發(fā)明進一步的改進在于，底部熱交換臺的頂部開設(shè)有一個凹槽，化學吸熱反應(yīng)換熱器嵌入在該凹槽內(nèi)。
[0011]本發(fā)明進一步的改進在于，化學吸熱反應(yīng)換熱器采用鎢、鈦或鉬材質(zhì)制成。
[0012]本發(fā)明進一步的改進在于，爐壁上還開設(shè)有保護氣進氣口和保護氣出氣口，且保護氣進氣口穿過隔熱籠引入至隔熱籠內(nèi)。
[0013]本發(fā)明進一步的改進在于，工作時，通過進氣口和排氣口向化學吸熱反應(yīng)換熱器的中空腔體內(nèi)通入反應(yīng)物。
[0014]本發(fā)明進一步的改進在于，化學吸熱反應(yīng)換熱器的頂部緊貼在石墨坩禍的底部，且化學吸熱反應(yīng)換熱器的上表面面積與石英坩禍的底面積相同。
[0015]—種鑄錠快速凝固的方法，該方法基于上述的鑄錠快速凝固的裝置，包括以下步驟:
[0016]I)硅料熔化階段，將高純硅料放入石英坩禍中，化學吸熱反應(yīng)換熱器通入反應(yīng)物，改變加熱器功率，使高純硅料熔化；
[0017]2)凝固階段，改變加熱器功率，控制隔熱籠和保溫底板之間的開度，在硅熔體內(nèi)形成一個垂直方向的溫度梯度，通過調(diào)節(jié)通入化學吸熱反應(yīng)換熱器中反應(yīng)物的流量，控制從鑄錠底部吸收的熱量，進而達到控制凝固速率；
[0018]3)退火階段，改變加熱器功率，控制隔熱籠和保溫底板之間的開度，調(diào)節(jié)化學吸熱反應(yīng)換熱器中反應(yīng)物的流量，對鑄錠進行退火處理；
[0019 ] 4)冷卻階段，關(guān)閉加熱器，調(diào)節(jié)化學吸熱反應(yīng)換熱器中反應(yīng)物的流量，控制鑄錠冷卻速率。
[0020]本發(fā)明進一步的改進在于，若石英坩禍底部鋪有籽晶，則向化學吸熱反應(yīng)換熱器中通入部分反應(yīng)物，利用反應(yīng)物的吸熱反應(yīng)，保證石英坩禍底部維持一定的過冷度，進而防止石英坩禍底部籽晶被熔化。
[0021]本發(fā)明進一步的改進在于，通入化學吸熱反應(yīng)換熱器中的反應(yīng)物為碳粉和二氧化碳混合物，乙醇，碳粉和水蒸氣混合物，甲醇，氨氣，甲基環(huán)己烷，或者甲烷。
[0022]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0023]本發(fā)明提供的鑄錠快速凝固的裝置，通過在坩禍底部布置化學吸熱反應(yīng)換熱器，利用化學吸熱反應(yīng)換熱器在鑄錠生長過程中向化學吸熱反應(yīng)換熱器中通入反應(yīng)物，反應(yīng)物在高溫下發(fā)生化學吸熱反應(yīng)物，從坩禍底部吸收大量熱量，可在坩禍底部區(qū)域快速形成低溫區(qū)，促進鑄錠的凝固過程，縮短生長周期。
[0024]本發(fā)明提供的鑄錠快速凝固的方法，在鑄錠凝固階段，可通過調(diào)節(jié)通入的反應(yīng)物流量，控制化學反應(yīng)吸熱量，進而達到控制鑄錠凝固速率的目的。
[0025]若坩禍底部鋪有籽晶，利用化學吸熱反應(yīng)可在坩禍底部形成局部低溫區(qū)，可有效防止籽晶被熔化，進而提高鑄錠質(zhì)量。
[0026]在鑄錠生長以及冷卻退火階段，可通過調(diào)節(jié)通入的反應(yīng)物流量，控制化學反應(yīng)吸熱量，進而達到調(diào)節(jié)鑄錠退火以及冷卻速率的目的。
[0027]綜上所述，本發(fā)明兼具物理氣冷冷卻功能，可僅向化學吸熱反應(yīng)換熱器中通入惰性氣體，利用物理吸熱對鑄錠底部進行強化冷卻。并且，本發(fā)明可在傳統(tǒng)底部氣冷設(shè)備的基礎(chǔ)上進行改造，設(shè)備改造成本低。此外，本發(fā)明中，反應(yīng)物僅在化學吸熱反應(yīng)換熱器中進行，可有效避免反應(yīng)物對坩禍內(nèi)熔體和鑄錠的污染。
【附圖說明】
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[0028]圖1為本發(fā)明中晶硅鑄錠爐中坩禍底部換熱結(jié)構(gòu)概略構(gòu)成剖面圖。
[0029]圖2為本發(fā)明化學吸熱反應(yīng)換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖3為分別為傳統(tǒng)鑄錠爐和采用化學吸熱反應(yīng)的鑄錠爐情況下在凝固初期鑄錠底部的溫度梯度曲線;其中，圖3(a)為軸向溫度梯度曲線，圖3(b)為徑向溫度梯度曲線。
[0031]圖4為兩種結(jié)構(gòu)鑄錠爐在鑄錠凝固初期凝固界面形狀的分布。
[0032]圖中:I為硅熔體，2為石英坩禍，3為石墨坩禍，4為化學吸熱反應(yīng)換熱器，401為進氣口，402為排氣口，5為底部熱交換臺，6為加熱器，7為隔熱籠，8為保溫底板，9為保護氣進氣口，10為保護氣出氣口，11為爐壁。
【具體實施方式】
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[0033]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0034]參見圖1，是為本發(fā)明中晶硅鑄錠爐中坩禍底部換熱結(jié)構(gòu)概略構(gòu)成剖面圖，其中，化學吸熱反應(yīng)換熱器4為本發(fā)明的核心部件?；瘜W吸熱反應(yīng)換熱器4緊貼石墨坩禍3底部，可采用不同的布置方式以保證與石墨坩禍3間有較大的接觸面積。圖2所示為其中一種布置方式的剖面圖?；旌蠚怏w經(jīng)進氣口 401通入，進入石墨坩禍3下方，反應(yīng)生成物氣體和未完全反應(yīng)的氣體經(jīng)排氣口 402排出。所有反應(yīng)均在化學吸熱反應(yīng)換熱器4中進行