專利名稱：一種鑄錠用坩堝的底座的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種鑄錠用坩堝的底座。
背景技術：
太陽能光伏發(fā)電作為ー種最具潛力的可再生能源利用方式，成為取代傳統(tǒng)的石化能源，支持人類可持續(xù)發(fā)展的主要技術，在最近五年來獲得了飛速的發(fā)展。目前晶體硅太陽能電池占據(jù)著光伏產業(yè)的主導地位。而硅片的成本占到了單多晶體硅成本的一半以上，因此降低硅片的成本，提高硅片的質量，對于光伏行業(yè)的發(fā)展有著極 其重要的意義。鑄錠單晶硅，是ー種通過鑄錠的方式形成單晶硅的技木。鑄錠單晶硅的功耗只比普通多晶硅多5%，所生產的單晶硅的質量接近直拉單晶硅。簡單地說，這種技術就是用多晶硅的成本來生產單晶硅的技木。由于多晶硅電池存在晶界復合，以及所采用的酸制絨技術無法達到在單晶硅制作中所采用的堿制絨技術取得的優(yōu)良制絨效果，一般的多晶硅電池光電轉化效率要低于單晶硅廣2%。通過鑄錠單晶硅技術，可以使多晶鑄錠爐生產出接近直拉單晶硅的準單晶。在不明顯增加硅片成本的前提下，使電池效率提高1%以上。鑄錠單晶硅主要有兩種方法。一種是有籽晶的鑄錠，另ー種是沒有籽晶的鑄錠。有籽晶的鑄錠技術先把籽晶、硅料摻雜元素放置坩堝中，籽晶一般位于坩堝底部。再加熱融化硅料，并且保持籽晶不被完全融掉。最后控制降溫，調節(jié)固液相的溫度梯度，確保單晶從籽晶位置開始生長。無籽晶鑄錠單晶方法的步驟基本和鑄錠多晶相同；其要點是精密控制定向凝固時的溫度梯度和晶體生長速度來提高多晶晶粒的尺寸大小，形成所謂的準單晶。一般鑄錠準單晶的要求是在125單晶硅片中，某一単獨的晶粒面積大于硅片面積的50%。這種準單晶硅片的晶界數(shù)量遠小于普通的多晶硅片。無籽晶的單晶鑄錠技術難點也在于控溫。由于無籽晶鑄錠技術對設備以及操作要求較高，目前商業(yè)化生產都采用有籽晶的鑄錠單晶技木。這種技術既具有單晶硅材料低缺陷、高轉換效率的優(yōu)點，又具有鑄錠技術的高產量、低能耗、低光致衰減的優(yōu)點。鋳造準單晶技術先把籽晶、硅料摻雜元素放置坩堝中，籽晶一般位于坩堝底部。再加熱融化硅料，在加熱過程中需要保持籽晶不被完全融掉。最后控制降溫，調節(jié)固液相的溫度梯度，確保單晶從籽晶位置開始生長。這種技術的難點在于確保在第二步融化硅料階段，籽晶不被完全融化，還有控制好溫度梯度的分布，這個是提高晶體生長速度和晶體質量的關鍵。雖然鑄造準單晶技術已經得到了產業(yè)化生產，但是目前仍然存在問題，即鑄錠的良率目前較低，目前良率大約在40%飛0%之間，這主要是由于鑄錠周圍多晶的產生嚴重影響了鑄錠的利用率。鑄錠周圍多晶的形成主要是由于坩堝徑向存在熱量的傳遞，徑向傳熱導致在坩堝壁附近容易產生抑制形核，這些晶核會隨著徑向傳熱的進行而長大，從而會形成鑄錠四周的多晶區(qū)，同時鑄錠生長過程中底部存在垂直方向的熱流，徑向熱流與垂直熱流的比例的大小對鑄錠單晶的利用率有著重要的影響，若能夠降低坩堝徑向熱流的比例，則可有效地抑制側面的成核，降低鑄錠多晶的比例，從而可以提高鑄錠單晶的利用率。
目前常用的坩堝底座采用三根石墨支撐柱成品字形垂直放置在坩堝下面和鑄錠爐底部之間，用來支撐和固定坩堝，鑄錠爐底部由于采用比較強的散熱的方式，如水冷方式，坩堝底部的熱量借由這3根石墨支撐柱從鑄錠爐底部散熱，散熱能力被3根石墨支撐柱的橫截面面積限制，依賴底座到鑄錠爐底部的輻射散熱，因此坩堝底部的散熱能力差，導致坩堝內部垂直方向的熱流小，使坩堝徑向熱流比例増大，不利于抑制坩堝側面的成核，降低了鑄錠單晶的比例。

發(fā)明內容

為克服前述的坩堝底部散熱能力差的問題，本發(fā)明提供一種用于鑄錠用坩堝的底座。一種鑄錠用坩堝的底座，包括上平面部分、下平面部分和連接部分，連接部分位于上平面部分和下平面部分之間，并連接上平面部分和下平面部分；所述連接部分橫截面為矩形形狀，連接部分的橫截面的矩形長度與上平面部分長度相等，寬度不小于上平面部分寬度的四分之三。優(yōu)選的，下平面部分和/或連接部分為導熱性能強于石墨的材料制成，以加強熱傳導效果。
ー個優(yōu)選實施例，鑄錠用坩堝的底座成外徑一致的柱形形狀，所述上平面部分、下平面部分和連接部分的橫截面的形狀和大小完全一致。這樣既加強了連接部分的熱傳導效果，并且取得了較好的支撐牢固性。再ー個優(yōu)選實施例，連接部分的橫截面的寬度等于上平面部分橫截面寬度的四分之三，即所述鑄錠用坩堝的底座的垂直截面成エ字形；所述連接部分垂直方向的幾何中軸線與上平面部分、下平面部分的垂直方向的幾何中軸線重合。減小連接部分的寬度尺寸，主要是出于節(jié)省成本的考慮，連接部分與上、下平面部分中軸線重合，則是為了保證支撐牢固。進ー步的，對鑄錠單晶硅用坩堝常見的規(guī)格，坩堝底面為邊長780毫米的正方形，上平面部分可以取成和坩堝底面形狀大小一祥的正方形，即上平面部分的橫截面也為邊長780毫米的正方形，則連接部分的橫截面可取為長度780毫米，寬度600毫米的矩形。底座的上平面部分橫截面的形狀為正方形，以適應大量使用的底面為正方形的坩堝。作為本發(fā)明的進ー步改進，所述上平面部分分為環(huán)形邊緣部分和中間部分，所述環(huán)形邊緣部分為石墨制成，中間部分為導熱性能強于石墨的材料制成，所述中間部分的形狀和大小能包覆坩堝底面。這樣加強了上平面部分的傳熱效果。優(yōu)選的，鑄錠用坩堝的底座的上平面部分的環(huán)形邊緣部分和中間部分14的厚度是ー樣的，以方便制造。優(yōu)選的，底座的上平面部分橫截面的形狀為正方形，并且上平面部分的中間部分的形狀也是正方形，以適應大量使用的底面為正方形的坩堝。優(yōu)選的，如前所述的鑄錠用坩堝的底座還包括坩堝護板，坩堝護板包括側板和底板，側板放置在底板的四周，與底板共同組成容納鑄錠用坩堝的空間，底板放置在底座的上平面部分，所述坩堝護板的底板材料與所述導熱性能強于石墨的材料相同，都為金屬鑰或者鶴，底板和所述底座的中間部分是焊接在一起或者整體鑄造的。使用本發(fā)明所述的鑄錠用坩堝的底座，與傳統(tǒng)的三根石墨支柱的坩堝底座結構相比，改變了坩堝底部熱量的傳熱方式，坩堝底部的熱量由原來的輻射方式傳給鑄錠爐內壁變?yōu)橐詿醾鲗Х绞絺鹘o鑄錠爐內壁，增強了坩堝內部垂直方向熱量傳輸，大大降低了坩堝徑向熱量傳輸與垂直方向熱量傳輸?shù)谋壤?，明顯縮小了鑄錠周圍多晶的生長區(qū)域，提高了鑄錠良率。


圖I示出本發(fā)明的鑄錠用坩堝的底座的第一實施例示意 圖2示出本發(fā)明的鑄錠用坩堝的底座的第二實施例示意 圖3示出本發(fā)明的鑄錠用坩堝的底座的第三實施例示意圖； 圖4示出本發(fā)明的鑄錠用坩堝的底座的第四實施例示意 圖5示出傳統(tǒng)坩堝底座的鑄錠爐結構和散熱示意 圖6示出采用本發(fā)明的坩堝底座的鑄錠爐結構和散熱示意 圖7示出采用傳統(tǒng)的坩堝底座的鑄錠爐和采用本發(fā)明的坩堝底座的鑄錠爐的鑄錠的多晶比例的對比不意圖。圖中各部分附圖標記名稱為
I.鑄錠爐2.隔熱籠3.坩堝護板側板4.坩堝5.硅料6.坩堝護板底板7.底座8.頂部加熱器9.側面加熱器11.上平面部分12.連接部分13.下平面部分14.中間部分15.環(huán)形邊緣部分16.坩堝護板。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式
作進ー步的詳細說明。圖I為本發(fā)明的鑄錠用坩堝的底座的第一實施例示意圖，一種鑄錠用坩堝的底座，包括上平面部分11、下平面部分13和連接部分12，連接部分12位于上平面部分11和下平面部分13之間，并連接上平面部分11和下平面部分13 ;其特征在于所述連接部分12橫截面為矩形形狀，連接部分12的橫截面的矩形長度與上平面部分長度相等，寬度不小于上平面部分11寬度的四分之三。傳統(tǒng)的坩堝底座包括上平面部分和下平面部分，上平面部分與承載坩堝的石墨底板形成良好的熱接觸，并且上平面部分的面積不小于坩堝底座的面積，下平面部分與水冷的鑄錠爐內壁形成良好的熱接觸，上平面部分和下平面部分之間采用三根石墨支撐柱連接，這三根石墨支撐柱起到支撐作用，對承載坩堝的石墨底板進行支撐。這些石墨支撐柱的直徑通常只有幾十毫米，這個尺寸相對于外徑接近一千毫米的坩堝底座面積顯得微不足道，因此在散熱過程中，坩堝底座的散熱主要以輻射方式從承載坩堝的石墨底板向鑄錠爐的內壁散熱，嚴重限制了坩堝底部的散熱。本發(fā)明對底座的連接部分進行了改進，擴展了連接部分的橫截面積，橫截面的矩形長度與上平面部分長度相等，寬度不小于上平面部分寬度的四分之三，由于上平面部分不小于坩堝底部面積的尺寸，因此本發(fā)明實際將橫截面的面積擴展為長寬都達到數(shù)百毫米的矩形，坩堝底座向鑄錠爐內壁的傳熱方式由原來的以輻射方式變?yōu)橐詡鲗Х绞絺鬟f給鑄錠爐內壁，使更多的熱量從坩堝底部傳輸，有效地抑制了坩堝的徑向熱流，降低了多晶形成比例，提高了鑄錠利用率。圖2為本發(fā)明的鑄錠用坩堝的底座的第二實施例示意圖，第二實施例中本發(fā)明所述的鑄錠用坩堝的底座的上平面部分11、下平面部分13和連接部分12外徑形狀大小一致，整個底座成柱形結構，顯然，這種實施方式使連接部分的橫截面面積最大，增強了傳熱效果。為了節(jié) 省成本，橫截面的寬度也可以取小，但不能取得太小，以保證底座能夠穩(wěn)固的支撐數(shù)百公斤的坩堝和內部盛裝的硅料等的重量，出于這樣的考慮，寬度可以等于上平面部分11寬度的四分之三，但不應該小于上平面部分11寬度的四分之三。對鑄錠用坩堝常見的規(guī)格，坩堝底面為邊長780毫米的正方形，上平面部分11與坩堝底面的形狀大小都ー樣時，則連接部分12的橫截面長度可取為與所述鑄錠用坩堝的底座的上平面部分11的邊長相等，寬度略大于上平面部分11的邊長四分之三的矩形，例如為長度780毫米，寬度600毫米的矩形。鑄錠用坩堝的底座通常情況下采用石墨制造，為提高熱傳導性能，本發(fā)明所述的鑄錠用坩堝的底座的連接部分或者下平面部分可以采用導熱性能強于石墨的材料制作。坩堝加熱融化硅料的過程中，溫度會上升到1500攝氏度以上，由于鑰和鎢的耐熱性和高溫下不揮發(fā)性和抗氧化性，優(yōu)選可以用鎢或者鑰金屬制作，為了保證鑄錠環(huán)境不受污染，作為制造材料的鎢或者鑰的質量百分比要求在99. 99%以上，以杜絕雜質在高溫條件下氣化或揮發(fā)污染鑄錠。由于截面為正方形的坩堝的加熱性能最好，因此這種坩堝得到了廣泛使用，為配合這種坩堝正方形的底座形狀，本發(fā)明所述的鑄錠用坩堝的底座的上平面部分11的形狀優(yōu)選為正方形，這個正方形的面積應該不小于坩堝底座的面積。作為本發(fā)明中對鑄錠用坩堝的底座的上平面部分11的一種進ー步改進的方式，圖3示出本發(fā)明的第三實施例上平面部分11分為環(huán)形邊緣部分15和中間部分14，所述環(huán)形邊緣部分15為石墨制成，中間部分14為導熱系數(shù)高于石墨的材料制成，從表面平整度考慮，環(huán)形邊緣部分15和中間部分14的厚度最好相同；中間部分14的尺寸應不小于坩堝底部的尺寸，并且環(huán)狀邊緣部分41的寬度值不宜過小，避免坩堝護板位置偏移時引起坩堝側翻，一般取底板對稱軸線長度的0. 02-0. 08倍。制作中間部分14的優(yōu)選的材料如前文所述，可以使用質量百分比在99. 99%以上的高純鎢或者鑰。如前文所述，當上平面部分11的形狀為正方形時，相應的，上平面部分11的中間部分14的形狀也為正方形，并且中間部分14的形狀和大小能包覆坩堝底面，以達到較好的散熱效果。前文所述的對鑄錠用坩堝底座的連接部分12的改進及優(yōu)選實施方式和圖3所示的對鑄錠用坩堝底座的上平面部分11及優(yōu)選實施方式可以單獨使用，顯然也可以組合使用，用戶可以在制造的成本和傳熱性能間權衡折衷，選擇不同的優(yōu)選方案単獨使用或者組合使用，以達到最佳的使用結果?；诘谌龑嵤├膶嵤┓绞剑瑘D4示出本發(fā)明的第四實施例，一種鑄錠用坩堝的底座，其特征在于，還包括坩堝護板16,坩堝護板包括側板3和底板6，側板放置在底板的四周，與底板共同組成容納鑄錠用坩堝的空間，底板6放置在底座的上平面部分，所述坩堝護板的底板6的材料與所述導熱性能強于石墨的材料相同，均為金屬鑰或者鎢，所述底板6和所述底座的中間部分14是焊接在一起或者整體鋳造的。這種實施方式使得護板底板到底座的傳熱方式加強，有利于加強坩堝散熱時垂直方向的熱傳遞，該結構也徹底解決了使用時由于外界因素使護板相對底座的位移導致坩堝底部熱量散發(fā)不暢的問題。使用整體鋳造的方式，エ序簡単，傳熱效果也更好。下面描述對比傳統(tǒng)坩堝底座和本發(fā)明所述鑄錠用坩堝的底座在具體使用時的差別
以圖5所示為例，鋳造單晶的制備過程如下首先準備好籽晶與坩堝，將籽晶放在坩堝的底部，然后在籽晶的上方放入多晶硅與母合金，然后將坩堝護板側板3和底板6分別安裝在坩堝4的四周與底部，然后將其放入鑄錠爐1，位于坩堝頂部的頂部加熱器8和坩堝側面的側面加熱器9對坩堝4進行加熱，經過加熱、熔化、長晶、退火和冷卻5個階段后，即可取出鑄錠。傳統(tǒng)的鑄錠爐的長晶過程如下隔熱籠2慢慢向上提，熔化了的硅料5熱量從坩堝壁和坩堝底部傳輸出來，傳統(tǒng)的坩堝底座7由三根支撐柱制成，由于坩堝底座7與坩堝底部和鑄錠爐內壁的接觸面積有限，因此坩堝底部的熱量主要通過輻射方式傳給鑄錠爐壁。如圖5所示，輻射傳熱的傳熱方式效率低，導致鑄造出的鑄錠在周圍存在多晶區(qū)域，從而影響 鑄錠單晶的收益率。使用本發(fā)明所述的鑄錠用坩堝的底座，與圖6所示的傳統(tǒng)的三根石墨支柱的坩堝底座結構相比，連接部分12的橫截面積與傳統(tǒng)結構相比大大増大，如圖5所示，這樣的結構改變了坩堝底部熱量的傳熱方式，坩堝底部的熱量由原來的輻射方式傳給鑄錠爐內壁變?yōu)橐詿醾鲗Х绞絺鹘o鑄錠爐內壁，增強了坩堝內部垂直方向熱量傳輸，大大降低了坩堝徑向熱量傳輸與垂直方向熱量傳輸?shù)谋壤?，明顯縮小了鑄錠周圍多晶的生長區(qū)域。圖7給出了采用傳統(tǒng)的坩堝底座的鑄錠爐和采用本發(fā)明所述的鑄錠用坩堝的底座的鑄錠爐的鑄錠多晶比例的對比示意圖，圖7的上半部分為采用傳統(tǒng)的坩堝底座的鑄錠多晶比例，下半部分為采用本發(fā)明提供的鑄錠用坩堝底座的鑄錠多晶比例，采用本發(fā)明提供的鑄錠用坩堝的底座，多晶產生的比例相比傳統(tǒng)方式明顯降低。為驗證本發(fā)明的實際效果，發(fā)明人采用不同的實驗裝置作了如下實驗與使用未改進之前的傳統(tǒng)底座裝置的鑄錠良率作對比
坩堝為底面邊長780毫米，高度420毫米，壁厚20毫米的石英坩堝，坩堝護板的四塊側板的高度、長度和厚度分別為510毫米、970毫米、25毫米，側板之間用石墨螺栓固定連接，側板組合完畢后放置在底板上，底板邊長970毫米、厚度25毫米。實驗中石英坩堝內倒入相同質量和成分的硅料，充入I. 5個大氣壓的摩爾百分比99. 999%的氬氣，加熱23小時至1550攝氏度，隨后恒溫保持6小吋，經過27. 5小時散熱后測量鑄錠的良率。底座的上平面部分為邊長1000毫米的正方形，厚度為25毫米，底座高度為330毫米。第一實施例中，底座的中間部分的截面為長度1000毫米，寬度800毫米的矩形，底
座的截面呈エ字型。第二實施例中，底座的各部分截面處處相同，即底座的中間部分的截面也為邊長1000毫米的正方形.
第一和第二實施例中坩堝底座的各部分都由石墨制成。第三實施例基于第二實施例對底座的上平面部分做了改進，底座的上平面部分分為環(huán)形邊緣部分和中間部分，其中環(huán)形邊緣部分寬度為45毫米，由石墨制成，中間部分是邊長910毫米的正方形，采用質量百分比為99. 995%的高純鎢制成；環(huán)形邊緣部分和中間部分的厚度均為25毫米。前三個實施例對相■禍護板均未做任何改進，與傳統(tǒng)方式相同。第四實施例基于第三實施例進ー步改進，還包括坩堝護板，坩堝護板的底板為質量百分比為99. 995%的高純鎢制成，并與由同樣純度高純鎢制成的中間部分焊接在一起。最后實測的鑄淀良率如表一所不:
權利要求
1.一種鑄錠用坩堝的底座，包括上平面部分(11)、下平面部分(13)和連接部分(12)，連接部分(12 )位于上平面部分(11)和下平面部分(13 )之間，并連接上平面部分(11)和下平面部分(13);其特征在于所述連接部分(12)橫截面為矩形形狀，連接部分(12)的橫截面的矩形長度與上平面部分(11)長度相等，寬度不小于上平面部分(11)寬度的四分之三。
2.如權利要求I所述的ー種鑄錠用坩堝的底座，其特征在于所述下平面部分(13)和/或連接部分(12)為導熱性能強于石墨的材料制成。
3.如權利要求I所述的ー種鑄錠用坩堝的底座，其特征在于所述鑄錠用坩堝的底座成外徑一致的柱形形狀，所述上平面部分(11 )、下平面部分(13)和連接部分(12)的橫截面的形狀和大小完全一致。
4.如權利要求I所述的鑄錠用坩堝的底座，其特征在于所述連接部分(12)的橫截面的寬度等于上平面部分(11)橫截面寬度的四分之三；所述連接部分(12)垂直方向的幾何中軸線與上平面部分(11)、下平面部分(13)的垂直方向的幾何中軸線重合。
5.如權利要求I所述的鑄錠用坩堝的底座，其特征在于所述上平面部分(11)橫截面為邊長為780暈米的正方形,連接部分(12)的橫截面的寬度等于600暈米,長度為780暈米；所述連接部分(12)垂直方向的幾何中軸線與上平面部分(11)、下平面部分(13)的垂直方向的幾何中軸線重合。
6.如權利要求I所述的鑄錠用坩堝的底座，其特征在于所述底座的上平面部分(11)橫截面的形狀為正方形。
7.如權利要求I所述的鑄錠用坩堝的底座，其特征在于所述上平面部分(11)分為環(huán)形邊緣部分(15)和中間部分(14)，所述環(huán)形邊緣部分(15)為石墨制成，中間部分(14)為導熱性能強于石墨的材料制成，所述中間部分(14)的形狀和大小能包覆坩堝底面。
8.如權利要求7所述的鑄錠用坩堝的底座，其特征在于所述鑄錠用坩堝的底座的上平面部分(11)的環(huán)形邊緣部分(15)和中間部分(14)的厚度相同。
9.如權利要求7所述的鑄錠用坩堝的底座，其特征在于所述底座的上平面部分(11)橫截面和中間部分(14)的形狀均為正方形。
10.如權利要求7所述的鑄錠用坩堝的底座，其特征在干，還包括坩堝護板(16)，坩堝護板包括側板(3)和底板(6)，側板(3)放置在底板(6)的四周，與底板(6)共同組成容納鑄 錠用坩堝的空間，底板(6)放置在底座的上平面部分，所述坩堝護板的底板(6)的材料與所述底座的中間部分導熱性能強于石墨的材料相同，均為金屬鑰或者鎢，所述底板(6)和所述底座的中間部分(14)是焊接在一起或者整體鑄造的。
全文摘要
一種鑄錠用坩堝的底座，包括上平面部分、下平面部分和連接部分，連接部分位于上平面部分和下平面部分之間，并連接上平面部分和下平面部分；其特征在于所述連接部分橫截面為矩形形狀，連接部分的橫截面的矩形長度與上平面部分長度相等，寬度不小于上平面部分寬度的四分之三。相對于傳統(tǒng)的三根石墨支撐柱的底座，本發(fā)明將坩堝底座向鑄錠爐內壁的傳熱方式由原來的以輻射方式變?yōu)橐詡鲗Х绞絺鬟f給鑄錠爐內壁，使更多的熱量從坩堝底部傳輸，有效地抑制了坩堝的徑向熱流，降低了多晶形成比例，提高了鑄錠利用率。
文檔編號C30B11/00GK102828229SQ20121031224
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權日2012年8月30日
發(fā)明者羅大偉, 林洪峰, 張鳳鳴, 王臨水, 路忠林 申請人:天威新能源控股有限公司