提高除雜效果的多晶硅定向凝固裝置制造方法及圖紙

本實用新型專利技術涉及一種提高除雜效果的多晶硅定向凝固裝置，包括爐體，爐體內放置有石英坩堝，石英坩堝外壁由內向外依次環繞設置有石墨發熱體、保溫套筒和感應線圈，石英坩堝底部設置有與爐體底部通連的拉錠機構，其特征在于爐體與保溫套筒之間豎直通連有石墨管，該石墨管下方連接有曲形石墨加熱器，該曲形石墨加熱器位于保溫套筒和石英坩堝之間，位于爐體外上方的石墨管上連接有驅動機構。本實用新型專利技術的優點在于：（1）金屬雜質在定向凝固后的硅錠中分布具有方向性，便于切除，減少尾部廢料的切除率；（2）設備改造簡單，在現有設備的基礎上，只需要在石英坩堝上方增加曲形石墨加熱器即可，成本控制好；（3）減少了原料的浪費，大大縮減了多晶硅原料的成本。（*該技術在2023年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
提高除雜效果的多晶硅定向凝固裝置
本技術屬于多晶硅提純領域，具體涉及一種提高除雜效果的多晶硅定向凝固裝置。
技術介紹
目前，我國已成為世界能源生產和消費大國，但人均能源消費水平還很低。隨著經濟和社會的不斷發展，我國能源需求將持續增長，針對目前的能源緊張狀況，世界各國都在進行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促進可再生能源的開發和應用，減少對進口石油的依賴，加強能源安全。作為可再生能源的重要發展方向之一的太陽能光伏發電近年來發展迅猛，其所占比重越來越大。根據《可再生能源中長期發展規劃》，到2020年，中國力爭使太陽能發電裝機容量達到1.8GW (百萬千瓦)，到2050年將達到600GW。預計到2050年，中國可再生能源的電力裝機將占全國電力裝機的25%，其中光伏發電裝機將占到5%。預計2030年之前，中國太陽能裝機容量的復合增長率將高達25%以上。太陽能光伏產業的發展依賴于對硅原料的提純。在對硅原料進行提純的過程中，存在一個關鍵的、必不可少的環節，就是對硅原料進行定向凝固提純，所用到的定向凝固技術廣泛應用于冶金提純領域。利用硅原料中硅與金屬雜質之間的分凝系數存在較大差異的這一特點，在凝固過程中，坩堝底端的硅液首先開始凝固，為達到分凝平衡，分凝系數小的雜質從凝固的硅中向液態不斷擴散分離出來而聚集在液態，隨著凝固不斷進行，金屬雜質在液態中的濃度越來越高，最后在鑄錠的頂端凝固下來，凝固完成后在較高溫度下保溫一段時間，使各成分充分擴散以達到分凝平衡，最后將金屬雜質含量較高的一端切除，得到提純的多晶娃鑄淀。在目前的多晶硅定向凝固過程中，當定向凝固到75~85%時，石英坩堝中的固液界面趨向于水平，并且一直延續到定向凝固結束，因此最終切除時沿水平方向切除尾部廢料，廢料中含有較高的金屬雜質，且金屬雜質在廢料中各部位均有分布，導致廢料重復利用率低。一般尾部廢料的切除率為20~25%，即出成率僅為75~80%，造成能源和原料的極大浪費，也因此增加了制造成本。
技術實現思路
根據以上現有技術的不足，本技術提出一種提高除雜效果的多晶硅定向凝固裝置，通過調整設備結構，改變定向凝固過程中固液界面的彎曲程度，使雜質向指定方向聚集，從而在切除時提高出成率。本技術所述的提高除雜效果的多晶硅定向凝固裝置，包括爐體，爐體內放置有石英坩堝，石英坩堝外壁由內向外依次環繞設置有石墨發熱體、保溫套筒和感應線圈，石英坩堝底部設置有與爐體底部通連的拉錠機構，爐體與保溫套筒之間豎直通連有石墨管，該石墨管下方連接有曲形石墨加熱器，該曲形石墨加熱器位于保溫套筒和石英坩堝之間，位于爐體外上方的石墨管上連接有驅動機構。其中，曲形石墨加熱器優選為凹形或者凸形。當曲形石墨加熱器為凹形時，固液界面的形狀趨向凹形發展，最終金屬雜質聚集在頂部中間部位，在尾部切除后，可以對尾部進一步切除，保留除頂部中間部位的其它位置，留作下次定向凝固料使用；當曲形石墨加熱器為凸形時，固液界面的形狀趨向凸形發展，最終金屬雜質聚集在頂部凸形晶界的上部四周，在尾部切除后，可以對尾部進一步切除，保留除頂部凸形晶界的上部四周的其它位置，留作下次定向凝固料使用。驅動機構優選包括位于石墨管頂端依次連接的螺母和電動缸。對于本技術來說驅動機構只要能夠實現石墨管所連接的曲形石墨加熱器上下運動即可，并不做過多限制。曲形石墨加熱器的曲率半徑優選為8?9m。采用本技術裝置進行多晶硅定向凝固:在真空環境下將多晶硅原料加熱熔化形成娃液，然后充入IS氣，通過拉錠機構對娃液進行定向凝固，當娃液定向凝固到75?85%時，在石英坩堝上方的曲形石墨加熱器開始加熱升溫，在2?3h內升至1410?1415°C，且曲形石墨加熱器向下運動速度與石英坩堝的拉錠速度一致，從而增大石英坩堝內固液界面的彎曲程度。其中，曲形石墨加熱器的最低處與石英坩堝上沿的垂直間距最好為5?15cm。在曲形石墨加熱器隨石英坩堝向下運動時，之間的間距始終不變，保持上部硅液一種受到熱輻射影響，從而改變其固液界面形狀。本技術在定向凝固進行到75?85%時，通過曲形石墨加熱器對上部硅液的熱輻射影響，使其凝固過程中的固液界面增大彎曲程度，使其中的金屬雜質朝指定方向堆積，便于尾部廢料的再次切割，從中選取非雜質區的料，待下次定向凝固與原料一同熔煉。本技術的優點在于:(1)金屬雜質在定向凝固后的硅錠中分布具有方向性，便于切除，減少尾部廢料的切除率；(2)設備改造簡單，在現有設備的基礎上，只需要在石英坩堝上方增加曲形石墨加熱器即可，成本控制好；(3)減少了原料的浪費，大大縮減了多晶硅原料的成本。【附圖說明】圖1為本技術的結構示意圖；圖中:1、爐體2、石英坩堝3、石墨發熱體4、保溫套筒5、感應線圈6、拉錠機構7、曲形石墨加熱器8、石墨管9、驅動機構。【具體實施方式】以下結合實施例和附圖對本技術做進一步說明。實施例1:如圖1所示，一種提高除雜效果的多晶硅定向凝固裝置，包括爐體1，爐體I內放置有石英坩堝2，石英坩堝2外壁由內向外依次環繞設置有石墨發熱體3、保溫套筒4和感應線圈5，石英坩堝2底部設置有與爐體I底部通連的拉錠機構6，爐體I與保溫套筒4之間豎直通連有石墨管8，該石墨管8下方連接有曲形石墨加熱器7，該曲形石墨加熱器7位于保溫套筒4和石英坩堝2之間，位于爐體I外上方的石墨管8上連接有驅動機構9。其中，曲形石墨加熱器7為凸形。當曲形石墨加熱器7為凸形時，固液界面的形狀趨向凸形發展，最終金屬雜質聚集在頂部凸形晶界的上部四周，在尾部切除后，可以對尾部進一步切除，保留除頂部凸形晶界的上部四周的其它位置，留作下次定向凝固料使用。驅動機構9包括位于石墨管8頂端依次連接的螺母和電動缸。以此實現石墨管8帶動曲形石墨加熱器7上下運動。曲形石墨加熱器7的曲率半徑為8m。實施例2:采用實施例1所述的裝置，進行定向凝固:(I)將工業硅500kg放置于石英坩堝2內，開啟機械泵對爐體I抽真空至800Pa，再開啟羅茨泵繼續抽真空至0.1Pa ；(2)開啟感應線圈5，對石墨發熱體3作用，使石英坩堝2內硅料升溫至1500°C，經10小時后，使硅料升溫熔化形成硅熔體；(3)保溫8小時后，依次關閉羅茨泵和機械泵。向爐體I內充入氬氣，啟動拉錠機構6 ;(4)石英坩堝2下拉之前，先將熱電偶位于石英坩堝2外底部懸空放置，實時監測硅的熔體與固體界面溫度，當顯示的溫度高于1414°C時，持續增加拉錠機構中冷卻水流量，當溫度低于1414°C時，減小冷卻水量，使硅熔體的冷卻速度和拉錠機構6的下降速度一致。(5)當硅液定向凝固到75%時，開啟驅動機構9，下放曲形石墨加熱器7，使曲形石墨加熱器7的最低處與石英纟甘禍2上沿的垂直間距為IOcm,在石英樹禍2上方的曲形石墨加熱器7開始加熱升溫，在2h內升至1410°C，且曲形石墨加熱器7向下運動速度與石英坩堝I的拉錠速度一致，從而石英坩堝內固液界面向凸形方向發展。(6)直至硅熔體完全被冷卻凝固后，停止對感應線圈5通電，停止拉錠機構6電機運轉，操作結束。最終金屬雜質聚集在頂部凸形晶界的上部四周，在尾部切除后，可以對尾部進一步切除，保留除頂部凸形晶界的上部四周的其它位置，留作下次定向凝固料使用。(7)最終測定該批硅料出成率為85%。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種提高除雜效果的多晶硅定向凝固裝置，包括爐體，爐體內放置有石英坩堝，石英坩堝外壁由內向外依次環繞設置有石墨發熱體、保溫套筒和感應線圈，石英坩堝底部設置有與爐體底部通連的拉錠機構，其特征在于爐體與保溫套筒之間豎直通連有石墨管，該石墨管下方連接有曲形石墨加熱器，該曲形石墨加熱器位于保溫套筒和石英坩堝之間，位于爐體外上方的石墨管上連接有驅動機構。

【技術特征摘要】
1.一種提高除雜效果的多晶硅定向凝固裝置，包括爐體，爐體內放置有石英坩堝，石英坩堝外壁由內向外依次環繞設置有石墨發熱體、保溫套筒和感應線圈，石英坩堝底部設置有與爐體底部通連的拉錠機構，其特征在于爐體與保溫套筒之間豎直通連有石墨管，該石墨管下方連接有曲形石墨加熱器，該曲形石墨加熱器位于保溫套筒和石英坩堝之間，位于爐體外上方的石墨管上連...

【專利技術屬性】
技術研發人員：姜大川，劉子成，譚毅，
申請(專利權)人：青島隆盛晶硅科技有限公司，
類型：實用新型
國別省市：