專利名稱：一種鑄錠爐的加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鑄錠爐的設(shè)計制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鑄錠爐的加熱器。
背景技術(shù)：
太陽能光伏發(fā)電是可持續(xù)能源利用的形式之一，近年來在各國都得到了迅速的發(fā)展。目前，應(yīng)用最為普遍的是晶體硅太陽能電池，晶體硅太陽能電池主要由單晶硅片或多晶硅片制成。世界光伏產(chǎn)業(yè)中多晶硅片以產(chǎn)能高、能耗低、成本低占據(jù)太陽能電池的主導(dǎo)地位，鑄錠爐正是生產(chǎn)多晶硅硅錠的核心制造設(shè)備。中國專利申請CNlO177564IA公開了一種多晶硅鑄錠爐的結(jié)構(gòu)，其包括爐室、置于爐室內(nèi)的坩堝、用于對坩堝加熱的頂部加熱器和側(cè)部加熱器、以及位于坩堝底部的熱交換臺，其中，頂部加熱器和側(cè)部加熱器固定于電極上，爐室內(nèi)設(shè)有側(cè)面包圍式的隔熱籠，坩堝、 頂部加熱器、側(cè)部加熱器以及熱交換臺均置于隔熱籠中，隔熱籠的上端與提升裝置相連；隔熱籠上下分別設(shè)置有頂部保溫板和下保溫層，其中，頂部保溫板固定懸掛于電極上，下保溫層及熱交換臺均固定于支撐柱上，頂部保溫板與隔熱籠上端活動相接，下保溫層與隔熱籠下端活動相接；一個環(huán)形的隨動隔熱環(huán)通過數(shù)個連接裝置固定隔熱籠內(nèi)部。在這種多晶硅鑄錠爐中，其通過頂部加熱器和側(cè)部加熱器對坩堝進行加熱，然而，由于側(cè)部加熱器本身并沒有額外的設(shè)計，故在長晶階段時梯度熱場的實現(xiàn)主要還是靠隔熱籠的提升，因此，加熱器本身對實現(xiàn)梯度熱場的貢獻不大。另外，隨著熱場的不斷加高，原來僅通過提升隔熱籠以實現(xiàn)長晶時期的溫度梯度變得越來越困難，尤其隨著硅錠高度的加大，導(dǎo)致長晶后期長晶速度越來越慢，甚至達到溫度平衡而無法長晶。另外，現(xiàn)有技術(shù)中的用于鑄錠爐的電阻加熱器大多數(shù)都是石墨加熱器，為了降低能耗、提高產(chǎn)能以及降低成本的目的，多晶硅鑄錠爐容積、熱場高度及熱場寬度均被設(shè)計得越來越大，這導(dǎo)致原有石墨加熱器的體積也越來越大。然而，由于大型石墨加熱器既難以加工又較為笨重，故尋找一種新型材料以加工制成加熱器也是目前急需解決的技術(shù)問題。近來，鑄錠類單晶硅的生產(chǎn)也是太陽能行業(yè)發(fā)展的又一主要方向。鑄錠類單晶硅的生產(chǎn)主要是通過以下方法裝料時在石英坩堝底部鋪一層5 40_單晶籽晶后再裝填多晶硅原料，在熔化過程中保護底部籽晶不完全熔化，然后在未熔化籽晶的基礎(chǔ)上進行單晶硅生長；該方法的主要困難在于熔化過程中保護籽晶不完全熔化，然而，以現(xiàn)有的鑄錠爐生產(chǎn)時，在隔熱籠關(guān)閉且原料處于熔化過程中時，熱場內(nèi)的溫度分布較為均勻，無法較好地保護籽晶。另外，僅通過提升隔熱籠的方式很難得到平坦的等溫面，實踐中多為凹固液界面，而這會導(dǎo)致準單晶區(qū)域逐漸變小。

發(fā)明內(nèi)容
針對用于鑄錠爐的石墨加熱器的以上不足，本發(fā)明提出一種加熱器。本發(fā)明的其中一個目的是通過改進側(cè)部加熱器本身使其具有電阻梯度以在通電時獲得熱梯度。
本發(fā)明的另一個目的是在熔化階段可以獲得更好的熱場的縱向梯度從而保護籽晶，同時，在長晶階段不僅可以獲得更好的熱場的縱向梯度以便于定向凝固而且能得到平坦的等溫面避免凹固液界面的出現(xiàn)。本發(fā)明的其中一個目的是不僅可以在靠近坩堝的側(cè)面即在縱向上獲得熱場梯度而且可以靠近坩堝的底面即在橫向上獲得熱場梯度，這是通過在坩堝的側(cè)面和底面分別設(shè)有本發(fā)明的側(cè)部加熱器和底部加熱器，其中底部加熱器和側(cè)部加熱器的原理相同。
本發(fā)明的另一個目的是將加熱器的熱產(chǎn)生本體部的材料由碳-碳復(fù)合材料制得，這樣，加熱器整體重量較輕，便于加工和安裝，而且更節(jié)省空間。另外，本發(fā)明的一個目的是將加熱器用于多晶硅或類單晶硅的生產(chǎn)。具體地，本發(fā)明提出了一種鑄錠爐的加熱器，其具有第一電極、第二電極和位于第一電極和第二電極之間的熱產(chǎn)生本體部，其中，熱產(chǎn)生本體部與第一電極和第二電極分別電連接；第一電極和第二電極用于直接或間接地連接于電源以使在第一電極和第二電極之間的熱產(chǎn)生本體部中形成電流；熱產(chǎn)生本體部沿縱向和/或徑向延伸以至少部分地包圍坩堝的側(cè)部和/或端部，其中，熱產(chǎn)生本體部用于沿縱向和/或徑向形成溫度遞變的熱場。具體地，熱產(chǎn)生本體部由電阻材料形成。在一種選擇性的實施方式中，熱產(chǎn)生本體部由電阻率大體相同的材料制成，其截面的截面積在縱向和/或徑向是遞變的。優(yōu)選地，熱產(chǎn)生本體部的截面為梯形。具體地，梯形的兩平行邊為上寬下窄，換言之，在縱向上，從上到下，截面積逐漸變小，這樣，電阻從上到下卻逐漸變大。在徑向上，從外到內(nèi)，截面積逐漸變小，這樣，電阻從外到內(nèi)逐漸變大。在另一種選擇性的實施方式中，熱產(chǎn)生本體部的截面積在縱向和/或徑向上是不變的，其電阻率在縱向和/或徑向上逐漸遞變的。優(yōu)選地，對于縱向變化的電阻率來說，該逐漸遞變的電阻率是從上到下逐漸變大的；對于徑向上逐漸遞變的電阻率來說，該逐漸遞變的電阻率是從圓心向外逐漸變小的。與上一種實施方式相比，其不同之處僅在于，此種實施方式通過改變電阻率的方式而不是通過改變截面積的方式來實現(xiàn)從上到下的電阻阻值的遞變?？蛇x擇地，該電源可為直流電源。優(yōu)選地，該熱產(chǎn)生本體部是由碳-碳復(fù)合材料制成的，因此加熱器的整體重量輕。優(yōu)選地，該熱產(chǎn)生本體部的電阻率為10-25 μ Ω.πι?？蛇x擇地，該電源為交流電源。進一步地，熱產(chǎn)生本體部為周向封閉的，其上還具有第三電極，第一電極、第二電極和第三電極之間形成三角形電路，交流電源的三相電源線分別與第一電極、第二電極和第三電極電連接。通過典型的三角形電路，第一電極和第二電極之間、第一電極和第三電極之間以及第二電極和第三電極之間均加有相同的電壓，故會有電流通過兩兩電極之間的熱產(chǎn)生本體部。優(yōu)選地，對于熱產(chǎn)生本體部用于沿縱向形成溫度遞變的熱場的技術(shù)方案來說，該加熱器可以靠近所述鑄錠爐中的坩堝的上側(cè)部或下側(cè)部以包圍所述坩堝的方式設(shè)置。本發(fā)明還提出了一種用于鑄錠爐熱場的加熱器陣列，其具有至少兩個加熱器，力口熱器之間是串聯(lián)的或并聯(lián)的。當加熱器之間是串聯(lián)時，一個加熱器的電極是通過另一個加熱器間接地連接到電源上的。
本發(fā)明還提出了一種鑄錠爐，其具有上述的加熱器。在外加電源的情況下，本發(fā)明所公開的加熱器的熱產(chǎn)生本體部的兩端電壓固定，但由于該熱產(chǎn)生本體部的電阻阻值從上至下梯度增大，故流經(jīng)其中的電流從上至下梯度減小，又由于電阻加熱功率為電流與電壓的乘積，因此，加熱器的發(fā)熱量從上至下梯度減少，從而獲得由上至下梯度降溫的溫度場。本發(fā)明優(yōu)點在于，該加熱器本身所占幾何空間少，重量輕，能夠產(chǎn)生梯度分布的溫度場，能夠提高長晶速度，此外，對于鑄錠類單晶技術(shù)中保護籽晶及提供平面型固液界面從而擴大單晶區(qū)域均有良好的效果。


圖I是本發(fā)明的加熱器的一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的加熱器的加熱塊的示意圖，其示出了加熱塊整體以及其截面；圖3是圖I中的加熱器的電路示意圖；圖4是具有本發(fā)明的加熱器的鑄錠爐的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5示出了應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)的加熱器和本發(fā)明的加熱器分別形成的硅錠被縱向剖開后的剖面a和剖面b。
具體實施例方式以下是本發(fā)明的具體實施方式
，其對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述，但本發(fā)明并不限于這些實施方式。圖I示出了加熱器100，該加熱器為電阻加熱器，其由多個加熱塊通過連接板連接并在其上加設(shè)電極而形成。具體地，四塊加熱塊20通過連接板22連接在其一起，形成了周向閉合結(jié)構(gòu)。其中，加熱塊20均由相同的碳-碳復(fù)合材料制成，連接板22由石墨或碳-碳復(fù)合材料制成。上述周向閉合結(jié)構(gòu)安裝有電極31、32和33并被它們分為三段電阻，即位于電極31和電極32之間的熱產(chǎn)生本體部41、位于電極31和電極33之間的熱產(chǎn)生本體部42以及位于電極32和電極33之間的熱產(chǎn)生本體部43。結(jié)合圖3，這三個電極分別連接到交流電源的A、B、C三相而形成三角形電路。形成加熱塊20的電阻率大體上相同，而且，如圖2可知，加熱塊20的截面呈上寬下窄的梯形。由此可知，該加熱塊20的電阻分布從上至下梯度增加，以電極31、32和33對加熱器100加上三相交流電時，從上到下，熱產(chǎn)生本體部所發(fā)出的熱量梯度減少，從而形成梯度分布的溫度場。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當可以理解，將上述的在縱向上厚度遞減的加熱塊20改為厚度不變的長方體，但可以在加工制作加熱塊20的過程中，以對加熱塊20摻雜的方式獲得具有從上到下逐漸變大的電阻。例如，當摻入電阻率大于加熱塊基體的相同雜質(zhì)時，在縱向上從上到下可以變化摻入量，即摻入量依次遞增；再如，當摻入電阻率大于加熱塊基體的不同雜質(zhì)但摻入量相同時，在縱向上從上到下，可以依照電阻率從小到大的順序摻入；自然，也可以采用同時變更雜質(zhì)和摻入量等其他方式。也可以在加工制作加熱塊20的過程中以不同種類的碳-碳復(fù)合材料進行加工以使加熱塊具有在從上到下逐漸增加的電阻率。作為一種較優(yōu)的實施方式，加熱塊20的側(cè)面為長1054mm、寬300mm的長方形，厚度從上至下梯度減小，具體地，上端厚為8mm,底端厚為3mm,其電阻率從上至下為10-25 μ Ω .m，均勻遞增。將上述的加熱器100裝入到合適尺寸的鑄錠爐熱場內(nèi)，按通常的類單晶硅或多晶硅鑄錠工藝進行鑄錠、出錠即可得到類單晶硅錠或多晶硅大錠。具體地，如圖4所示，其示出了一種具有本發(fā)明的加熱器100的鑄錠爐200，該鑄錠爐200包括上爐體1，下爐體2，電極3，隔熱籠4，頂隔熱板5，下隔熱板6，加熱器100，提升桿7，石墨支柱8，熱交換塊9，環(huán)狀隔熱條10，坩堝護板11，坩堝12，輔助隔熱板13，絲桿14。其中，在下爐體2內(nèi)的中心位置處可轉(zhuǎn)動地連接有絲桿14，下隔熱板6和熱交換塊9以從下到上的順序支撐在石墨支柱8上。絲桿14在爐體外的部分可以由驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動進而使得輔助隔熱板13相對下隔熱板6上下運動，在絲桿14的作用下，輔助隔熱板13具有這樣的移動范圍，即，向上與熱交換塊9接觸以及與向下與下隔熱板6接觸。提升桿7的兩端分別以絲桿滑塊的形式連接于上爐體I和隔熱籠4，使得隔熱籠4通過提升桿7固定在上爐體I上，提升桿7可以被外接驅(qū)動機構(gòu)所驅(qū)動進而帶動隔熱籠4上下運動以控制隔熱籠4相對下隔熱板6在爐體內(nèi)的升降。從圖I中可以看出，隔熱籠4的底部具有與下隔熱板6 的頂部邊緣相適配的形狀，這樣，在提升桿7的作用下，當隔熱籠4處于最低位置時，隔熱籠4和下隔熱板6剛好配合在一起。頂隔熱板5和加熱器100通過電極3懸掛在上爐體I上并固定不動，頂隔熱板5的中央設(shè)有氣體導(dǎo)流筒15，經(jīng)由該氣體導(dǎo)流筒15，可以向爐內(nèi)充入氬氣。在隔熱籠4、頂隔熱板5和下隔熱板6形成的容腔中，坩堝護板11的內(nèi)壁緊貼著坩堝12的外壁并被承載于熱交換塊9上。其中，坩堝12內(nèi)容納有待加熱的硅16，加熱器100靠近坩堝12的側(cè)部布置，另外，熱交換塊9的底部周邊還固定有環(huán)狀隔熱條10。上述鑄錠爐200即可用于生產(chǎn)類單晶硅錠亦可生產(chǎn)多晶硅。在此以生產(chǎn)類單晶硅硅錠為例說明其操作過程，先在坩堝底部鋪滿5-40_單晶籽晶后再填滿多晶硅原料；然后，將坩堝裝入熱場內(nèi)后抽真空；接著以加熱器對熱場加熱，待坩堝上部溫度至1550°C，并保持一段時間，此即加熱熔化階段；待坩堝底部溫度升至1340-1400°C時，跳步進入定向凝固的長晶階段；最后，長晶完畢后出錠。在上述加熱熔化階段，隔熱籠4、頂隔熱板5和下隔熱板6形成封閉的加熱腔，由加熱器100對坩堝12內(nèi)的硅16進行加熱，因為加熱器100的電阻從上到下梯度增加，相應(yīng)地，發(fā)熱量必然從上到下梯度變小，所以實現(xiàn)了梯度加熱，可以保護位于坩堝最下面的籽晶。在上述長晶階段，在提升桿7的作用下，隔熱籠4向上運動使得在隔熱籠4和下隔熱板6之間出現(xiàn)了通往由上爐體I和下爐體2所形成的爐體的間隙，同時，輔助隔熱板13在絲桿14的作用下向下打開，與下隔熱板6接觸。這樣，可以加快坩堝12內(nèi)的硅熔體從熱交換塊9中間散熱。因為加熱器100的電阻在縱向上從上到下梯度增加，相應(yīng)地，發(fā)熱量必然在縱向上從上到下梯度變小，且在橫向上形成等溫面，所以能夠提供平面型固液界面從而對擴大單晶區(qū)域具有良好的效果。經(jīng)檢測上述類單晶硅硅錠后，發(fā)現(xiàn)大錠底部剩余3_30mm未熔完籽晶，后續(xù)生長晶體順延籽晶向上生長。中央均為準單晶區(qū)域，四周僅有距邊緣3cm以內(nèi)區(qū)域為明顯非單晶區(qū)域。經(jīng)后續(xù)加工，以上獲得的電池片轉(zhuǎn)換效率與直拉單晶硅片相當。應(yīng)用該具有加熱器的鑄錠爐也可以生產(chǎn)多晶硅硅碇，參見圖5，其中，圖a示出了使用現(xiàn)有技術(shù)中的加熱器形成的多晶硅硅錠被縱向剖切后的剖面，圖b示出使用本發(fā)明的加熱器形成的多晶硅硅錠被縱向剖切后的剖面，以上圖片為大錠相對同一位置照片。對比剖面可以看出，應(yīng)用本發(fā)明的加熱器，形成多晶硅硅錠的柱狀晶效果非常好，無斜晶出現(xiàn)，晶粒較大，晶界較少。通過使用該加熱器，多晶硅鑄錠長晶速度也可以得到較大提高，并且能夠高效地生長出高340mm以上的大硅錠，對于提高鑄錠爐的產(chǎn)能具有非常大的優(yōu)勢。上文均是以電阻在縱向上梯度變化的實施例進行說明，然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以容易地理解，電阻在徑向上也是可以梯度變化的，例如，底部加熱器或頂部加熱器可以由相同電阻率的材料形成，并且，在徑向上，從內(nèi)到外逐漸變厚。選擇性地，也可以由不同電阻率的材料形成但截面相同，從內(nèi)到外，材料的電阻率由大到小。這種電阻徑向變化的加熱器可以為但不限于圓盤形，在其周向邊緣處加設(shè)一個環(huán)形電極，圓心處加設(shè)另一電極，這樣使兩電極間產(chǎn)生電流。這種加熱器也可以由條形電阻在一個水平平面內(nèi)內(nèi)外分數(shù)層地類似卷簧“盤繞”而成，層與層之間彼此絕緣。此處所說“盤繞”僅僅是為了理解，實際上，由于其加工較為困難，通常由模具模制而成?？梢岳斫?，電阻在縱向梯度變化的加熱器和電阻在·徑向梯度變化的加熱器可以配合使用，即分別安設(shè)在坩堝的側(cè)部和頂部或底部。上面以三角形電路作為一種較優(yōu)的實施例進行說明，這種三角形電路是為了工業(yè)應(yīng)用的便利而設(shè)計的，因為其具有三個電極，較適用于連接三相交流電。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當可以理解在周向封閉結(jié)構(gòu)上可以設(shè)置兩個電極，兩個電極可以連通電源；可選擇地，加熱塊也可以形成周向非封閉結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)兩端加設(shè)電極即可；事實上，三角形電路中的基本單元也是由兩個電極以及它們之間的電阻(即熱產(chǎn)生本體部)形成。也應(yīng)當可以理解，多個上述的加熱器并聯(lián)或串聯(lián)可以形成加熱器陣列，這種設(shè)計至少具有不必使加熱器設(shè)計的太大而顯得難以安裝的效果。雖然上文中均以交流電壓作為電源進行解釋，然而，很容易理解，本發(fā)明的加熱器可以采用直流電源，在此，不對其細節(jié)進行贅述。
權(quán)利要求
1.一種鑄錠爐的加熱器，其具有第一電極、第二電極和位于所述第一電極和所述第二電極之間的熱產(chǎn)生本體部，其中，所述熱產(chǎn)生本體部與所述第一電極和所述第二電極分別電連接；所述第一電極和所述第二電極用于直接或間接地連接于電源以使在所述第一電極和所述第二電極之間的所述熱產(chǎn)生本體部中形成電流；所述熱產(chǎn)生本體部沿縱向和/或徑向延伸以至少部分地包圍坩堝的側(cè)部和/或端部，其中，所述熱產(chǎn)生本體部用于沿縱向和/或徑向形成溫度遞變的熱場。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中，所述熱產(chǎn)生本體部由電阻率相同的材料制成，其截面的截面積在縱向和/或徑向上是遞變的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加熱器，其中，所述熱產(chǎn)生本體部的截面為梯形。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加熱器，其中，所述熱產(chǎn)生本體部的截面積在縱向和/或徑向上是不變的，其電阻率在縱向和/或徑向上逐漸遞變的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的加熱器，其中，所述電源為直流電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的加熱器，其中，所述熱產(chǎn)生本體部是由碳-碳復(fù)合材料制成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加熱器，其中，所述熱產(chǎn)生本體部的電阻率為10-25μΩ.πι。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的加熱器，其中，所述電源為交流電源。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的加熱器，其中，所述熱產(chǎn)生本體部為周向封閉的，其上還具有第三電極，所述第一電極、所述第二電極和所述第三電極之間形成三角形電路，所述交流電源的三相電源線分別與所述第一電極、所述第二電極和所述第三電極電連接。
10.一種用于鑄錠爐熱場的加熱器陣列，其具有至少兩個根據(jù)權(quán)利要求1-9所述加熱器，所述加熱器之間是串聯(lián)的或并聯(lián)的。
11.一種鑄錠爐，其具有如權(quán)利要求1-9所述的加熱器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鑄錠爐的加熱器，其具有第一電極、第二電極和位于第一電極和第二電極之間的熱產(chǎn)生本體部，其中，熱產(chǎn)生本體部與第一電極和第二電極分別電連接；第一電極和第二電極用于直接或間接地連接于電源以使在第一電極和第二電極之間的熱產(chǎn)生本體部中形成電流；熱產(chǎn)生本體部沿縱向和/或徑向延伸以至少部分地包圍坩堝的側(cè)部和/或端部，其中，熱產(chǎn)生本體部用于在縱向上和/或端部形成溫度遞變的熱場。該加熱器本身所占幾何空間少，重量輕，能夠產(chǎn)生梯度分布的溫度場，能夠提高長晶速度，此外，對于鑄錠類單晶技術(shù)中保護籽晶及提供平面型固液界面從而擴大單晶區(qū)域均有良好的效果。
文檔編號C30B28/06GK102936748SQ20111023279
公開日2013年2月20日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者楊細全, 薛抗美, 胡亞蘭 申請人:江蘇協(xié)鑫硅材料科技發(fā)展有限公司