專利名稱：一種用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板。
背景技術(shù)：
目前晶體硅太陽能電池占據(jù)著光伏產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)地位。而硅片的成本占到了単/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(zhì)量，對于光伏行業(yè)的發(fā)展有著極其重要的意義。常規(guī)的多晶硅中，晶粒的隨機取向使其難以對所得到的晶片表面進行紋飾。紋飾用于通過減少光反射和提高透過電池表面光能的吸收來提高電池效率。此外，多晶硅晶粒之間邊界(晶界)上形成的“扭折”傾向于以簇或位錯線形式成為結(jié)構(gòu)缺陷的核，這些位錯和位錯的吸雜效應(yīng)會引起多晶硅制成的電池中載流子快速復(fù)合，從而導(dǎo)致電池效率降低。鑄造單晶硅技術(shù)是ー種新型的單晶生長方式，這種方法采用與多晶鑄錠爐類似的設(shè)備進行單 晶硅的生長。鋳造單晶硅的基本エ藝過程是將硅熔體從石英坩堝底部開始緩慢冷卻生長成一個單晶的方錠，而鑄造單晶硅エ藝與傳統(tǒng)多晶硅鑄錠エ藝最大的不同在于鑄造單晶硅エ藝需要在石英坩堝底部排列一層籽晶，這種技術(shù)既具有單晶硅材料低缺陷、高轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點，又具有鑄錠技術(shù)高產(chǎn)量、低能耗、低光致衰減的優(yōu)點。簡單地說，這種技術(shù)就是用多晶硅的成本，生產(chǎn)單晶硅的技術(shù)。通過鑄錠單晶硅技術(shù)，可以使多晶鑄錠爐生產(chǎn)出接近直拉單晶硅的準(zhǔn)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。鋳造準(zhǔn)單晶技術(shù)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。隨后加熱融化硅料，并且保持籽晶不被完全融掉。最后控制降溫，調(diào)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(shù)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(zhì)量的關(guān)鍵。雖然鋳造準(zhǔn)單晶技術(shù)已經(jīng)得到了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，但是目前仍然存在問題，即鑄錠的良率目前較低，只有大約在40°/Γ60%之間，主要是由于鑄錠邊角多晶的產(chǎn)生嚴重影響了鑄錠的利用率。邊角多晶的形成主要與固定側(cè)加熱有夫，導(dǎo)致產(chǎn)生了側(cè)面溫度梯度，側(cè)面溫度梯度的存在導(dǎo)致坩堝邊角部位產(chǎn)生多晶，若能在側(cè)面形成向上溫度梯度，則可以抑制側(cè)面成核，形成全單晶。因此如何減少坩堝側(cè)面的熱傳遞系數(shù)，或者増大坩堝垂直方向的熱傳遞系數(shù)，減小側(cè)面熱傳遞系數(shù)與垂直方向熱傳遞系數(shù)的比例，提高鑄錠的良率，成為ー個需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為克服傳統(tǒng)的坩堝護板因為隔熱效果不好而使坩堝內(nèi)部存在較大側(cè)面溫度梯度導(dǎo)致鑄錠良率較低的問題，本發(fā)明提供一種用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，包括側(cè)板和底板，其特征在于所述側(cè)板分上下兩部分，上半部分由石墨制成，下半部分由隔熱材料制成。優(yōu)選的，上半部分和下半部分的厚度是ー樣的，以便于制造。
另一種優(yōu)選的實施方式，下半部分的厚度可以是從上到下逐漸增加的，以取得更好的溫度梯度。優(yōu)選的，隔熱材料可以選用氧化鋅、氧化鋯或者碳化硅中的任意一種。上述這些材料隔熱性能好，高溫下穩(wěn)定性好。側(cè)板的下半部分的高度與鑄錠的高度一樣，以達到較好的隔熱效果。本發(fā)明進一步的改進方式還包括對鑄錠坩堝的復(fù)合式護板的底板的改進，底板包括環(huán)狀邊緣部分和中間部分，環(huán)狀邊緣部分為石墨制成，中間部分由導(dǎo)熱系數(shù)高于石墨的材料制成。優(yōu)選的，底板的中間部分由金屬鎢或者鑰制成。優(yōu)選的，底板的形狀是正方形，底板的中間部分也是正方形，實踐證明正方形的底板使用性能最好。 優(yōu)選的，底板的中間部分的截面能夠容納鑄錠的橫截面，以達到較佳的散熱效果。進一步的，一種用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，包括底板，底板包括環(huán)狀邊緣部分和中間部分，環(huán)狀邊緣部分為石墨制成，中間部分由導(dǎo)熱系數(shù)高于石墨的材料制成。還包括底座，所述底座包括上平面部分，上平面部分與底板的中間部分的制造材料相同，底座的上平面部分和所述底板的中間部分是焊接在一起或者整體鑄造的。采用本發(fā)明所述的鑄造單晶硅的坩堝護板，可以明顯改善鑄錠硅料內(nèi)部傳熱的效果，抑制橫向熱流的產(chǎn)生，提高了垂直方向的熱傳遞系數(shù)，有效地抑制了邊角多晶的形成，從而提高鑄錠的整個收益率。


圖I示出傳統(tǒng)坩堝護板的示意 圖2示出本發(fā)明坩堝護板第一實施例的示意 圖3示出本發(fā)明坩堝護板第二實施例的示意 圖4示出采用傳統(tǒng)的坩堝護板的熱傳導(dǎo)示意 圖5示出采用本發(fā)明的坩堝護板的熱傳導(dǎo)示意 圖6示出本發(fā)明提供的第三實施例的示意圖。圖中各部分的附圖標(biāo)記名稱為1.坩堝2.鑄錠原料3.側(cè)板4.底板5.底座31.上半部分32.下半部分41.環(huán)狀邊緣部分42.中間部分51.上平面部分52.下平面部分。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。圖I為傳統(tǒng)坩堝護板的示意圖，傳統(tǒng)坩堝護板的底板與側(cè)板均采用石墨作為護板。圖2為本發(fā)明的坩堝護板的示意圖，本發(fā)明的坩堝護板的底板3和側(cè)板4均采用了復(fù)合結(jié)構(gòu)。圖3為采用傳統(tǒng)的坩堝護板的熱傳導(dǎo)示意圖，圖4為采用本發(fā)明的坩堝護板的熱傳導(dǎo)不意圖。鑄造單晶的制備過程如下首先準(zhǔn)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，然后將坩堝護板安裝在坩堝的四周與底部，其中側(cè)板安裝在坩堝的四周，底板安裝在坩堝的底部，然后將其放入鑄錠爐，經(jīng)過加熱、熔化、長晶、退火和冷卻5個階段后，即可取出鑄錠。但目前由單一石墨材料制成的坩堝護板由于保溫效果不好，在鑄錠生長過程中坩堝的邊角部位存在橫向的散熱，即徑向的溫度梯度，從而產(chǎn)生多晶，如圖4所示，因此得到的鑄錠單晶的良率較低。如圖2所示，本發(fā)明采用復(fù)合式坩堝側(cè)板與底板的第一實施例，坩堝I周圍的側(cè)板3采用上下方式組合而成的，上半部分31仍為石墨護板，不影響加熱過程的傳熱，下半部分32為隔熱材料制成的護板，31和32的厚度相同，由于導(dǎo)熱系數(shù)很小，因此在鑄錠生長過程中，坩堝內(nèi)部硅料2的橫向熱傳遞系數(shù)得到有效的抑制，鑄錠硅料2內(nèi)部幾乎不存在橫向傳熱，因此可以有效地抑制邊角多晶的形成與生長。上半部分和下半部分的連接方式可以采用石墨螺栓連接，也可以采用卡槽連接，例如上半部分的連接平面處設(shè)置突起的長方體卡條，下半部分的連接平面處設(shè)置與長方體 卡條形狀對應(yīng)的細長凹槽，使用時將上半部分和下半部分通過卡條和凹槽咬合使兩部分連接，為保證咬合的牢固性，凹槽的寬度最好是護板厚度的I /6到1/3，長度不小于每塊護板連接部分長度的2/3。作為一種進一步的改進方式，坩堝底板4也可以采用復(fù)合底板，底板4的環(huán)狀邊緣部分41仍為石墨制造，中間部分42采用導(dǎo)熱系數(shù)大于石墨的材料制造，。這樣的底板可以加強坩堝內(nèi)部鑄錠垂直方向的傳熱，增大坩堝垂直方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)，如圖4所示，垂直方向的熱傳導(dǎo)得到加強，而坩堝側(cè)向的熱傳導(dǎo)被削弱，從而加快了鑄錠的生長，達到節(jié)能降耗的目的。本發(fā)明中側(cè)板的上半部分31和下半部分32的厚度可以一致，以便于制造；當(dāng)然為加強側(cè)板下半部分的隔熱效果，下半部分的厚度也可以大于上半部分的厚度，上下兩部分的厚度比例以I. 2-2倍為宜，厚度相差太大護板連接處容易斷裂。為解決前述護板連接處容易斷裂的技術(shù)問題，圖3示出本發(fā)明的第二實施例，下半部分的厚度也可以是從上到下逐漸增加，即下半部分的外表面與垂直方向呈一定角度，該角度不宜太大，角度太大使坩堝護板的底板面積過大，不利于支撐坩堝的底座設(shè)計，而且厚度增加過快也會導(dǎo)致護板斷裂的情況發(fā)生，該角度一般在2-10度之間，如此設(shè)計不僅在一定程度上克服了由于下半部分厚度增大致使護板側(cè)板在上下兩部分連接處易斷裂的情況發(fā)生，而且由于厚度越往坩堝底部越增加，有利于形成更好的垂直方向熱傳遞。采用本發(fā)明所述的用于鑄造單晶硅的坩堝護板，可以明顯改善鑄錠硅料內(nèi)部傳熱的效果，抑制橫向熱流的產(chǎn)生，提高了垂直方向的熱傳遞系數(shù)，有效地抑制了邊角多晶的形成，從而提聞了鑄淀的整個收益率。下半部分32的隔熱材料可以采用隔熱系數(shù)好而且能耐高溫的材料制成，如氧化鋅、氧化鋯或者碳化硅等，下半部分的選用材料必須高純，質(zhì)量百分比要求在99. 99%以上，以避免引入雜質(zhì)污染硅料和晶體。下半部分32的高度根據(jù)鑄錠的高度調(diào)整，原則上與鑄錠的高度一致，一般鑄造時，鑄錠的高度為坩堝高度的一半，因此本發(fā)明的坩堝護板的側(cè)板3的上下兩部分的高度比優(yōu)選為1:1。本發(fā)明對護板的底板也進行了改進，本發(fā)明提供的底板4分為環(huán)狀邊緣部分41和中間部分42，環(huán)狀邊緣部分41仍然采用傳統(tǒng)的石墨材料制作，坩堝的護板除了隔熱以外，還有當(dāng)坩堝內(nèi)硅熔料漏出坩堝時阻止硅熔料外流的作用，因此環(huán)狀邊緣部分41的寬度值不宜過小，使坩堝的底板與側(cè)板形成的具備一定的容納空間，一般取底板對稱軸線長度的O. 02-0. 08倍為宜。底板的中間部分與坩堝的底部直接接觸，希望建立更好的熱傳導(dǎo)，一方面底板中間部分42的截面要以能夠容納鑄錠的橫截面為宜，另一方面底板中間部分42的材料采用導(dǎo)熱性能好而且耐高溫的材料制作；鑰和鎢金屬在高溫下不易揮發(fā)和氧化，不會污染鑄錠，因此作為制作底板中間部分42的優(yōu)選材料。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(zhì)量百分比要求在99. 99%以上，以杜絕雜質(zhì)在高溫條件下氣化或揮發(fā)污染鑄錠。在上述改進方式的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還提供一種進ー步改進的用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，如圖6所示本發(fā)明的第三實施例，本實施例中的復(fù)合式護板包括底板，底板分中間部分42和環(huán)狀邊緣部分41，并且中間部分42為鎢或者鑰制成，本實施例所述的用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板還包括底座，底座5包括上平面部分51，上平面部分51由金屬鎢或者鑰制成，底座5的上平面部分51和所述底板的中間部分42是焊接在一起或者整體鑄造的，底座的下平面部分52和鑄錠爐的水冷內(nèi)壁形成良好的熱接觸。這樣的設(shè)計相對原有的護板自由放置在底座上的做法，加強了護板底板對底座的熱傳導(dǎo)，該結(jié)構(gòu)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(dǎo)致坩堝底部熱量散發(fā)不暢的問題，相對來說，整體鑄造エ序簡單，而傳熱性能更強。本實施例中所述的用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板與原有的系統(tǒng)完全兼容，無須増加任何多余的設(shè)備和步驟，即可加強鑄錠坩堝底部的散熱，提高鑄錠良率。為了制造方便和底板平整度考慮，底板的環(huán)狀邊緣部分41和底板的中間部分42的厚度優(yōu)選是一致的。底板的形狀為適應(yīng)不同的坩堝形狀，可以做成不同的形狀，目前大量使用的坩堝的底面都為正方形，這是因為正方形截面的坩堝受熱性能好，因此，優(yōu)選的，本發(fā)明可以采用正方形的底板。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
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(cè)板的高度、長度和厚度分別均為510毫米、970毫米、25毫米，側(cè)板之間用石墨螺栓固定連接，側(cè)板組合完畢后放置在底板上，底板邊長970毫米、厚度25毫米。實驗中坩堝內(nèi)倒入相同質(zhì)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(jīng)過27. 5小時散熱后測量鑄錠的良率。其中第一套實驗裝置采用常規(guī)的單ー材質(zhì)的護板。第二套實驗裝置中坩堝護板的側(cè)板采用本發(fā)明所述的復(fù)合式護板，上半部分采用石墨，下半部分采用質(zhì)量百分比為99. 995%的氧化鋅材料制成，上半部分和下半部分的高度比為1:1，厚度均為25毫米，上半部分和下半部分使用石墨螺栓連接。第三套實驗裝置在第二套實驗裝置的基礎(chǔ)上，對坩堝護板的底板進ー步改進，底板為正方形，厚25毫米，邊長970毫米，分為環(huán)狀邊緣部分和中間部分，環(huán)狀邊緣部分的寬度50毫米，石墨制成，中間部分為邊長870毫米的正方形，使用質(zhì)量百分比99. 995%的高純度鎢制造，并采用了實施例三中所示的底座與護板底板配合使用的方式，底座的上平面部分也為質(zhì)量百分比99. 995%的高純度鎢制成，并與中間部分焊接在一起，加強坩堝底部熱傳導(dǎo)。最后實測的鑄淀良率如表一所不:—I鑄錠良率
蛋二套實驗裝置 A%
第二套實驗裝置 (A+2.2)%
B三套實驗裝置|(A+3. 5)%
表一
實驗證明本發(fā)明對鑄錠的良率有提高作用，能提升良率2-3個百分點。本發(fā)明對坩堝護板的隔熱性能做了提升，在鑄錠開始階段對硅料的加熱熔化過程中，加熱器位于坩堝的側(cè)面和頂面，由于硅料的熔化溫度高達1500度，因此為了保證硅料的熔化，人們不易于想到增強坩堝護板的隔熱性能，而實際使用過程中，加熱器位于坩堝的 上半部分位置，與頂部的加熱器配合，熱量從硅料上部往下部傳遞，使硅料逐漸熔化，因此本發(fā)明對坩堝護板的隔熱性能的加強限于護板的下半部分，并且適當(dāng)增加了加熱時間，既不會影響加熱過程中坩堝硅料的熔化，在硅料冷卻長晶過程中，也利于形成更佳的溫度梯度分布。并實際取得了提高良率的效果。需要說明的是，在實驗中對護板各部分的尺寸說明并非限制本發(fā)明的范圍，而是為了方便在相同條件下比較本發(fā)明的各個改進措施取得的效果。此外本發(fā)明的保護范圍也并非局限于固定的結(jié)構(gòu)，例如圖4所示的底板和底板的中間部分為正方形形狀，實際上其他形狀的正多邊形也顯然落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。上述的各種不同部件優(yōu)選的實施方式，如果不是特別交代或者明顯的互相矛盾，都可以組合使用。以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，包括側(cè)板(3)和底板(4)，其特征在于所述側(cè)板(3)分上下兩部分，上半部分(31)由石墨制成，下半部分(32)由隔熱材料制成。
2.如權(quán)利要求I所述用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，其特征在于所述側(cè)板(3)的上半部分(31)和下半部分(32)的厚度是相同。
3.如權(quán)利要求I所述用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，其特征在于所述側(cè)板(3)的下半部分(32)由氧化鋅、氧化鋯或者碳化硅中的一種制成。
4.如權(quán)利要求I所述用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，其特征在于所述側(cè)板(3)的下半部分(32)的高度與鑄錠的高度相同。
5.如權(quán)利要求I所述用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，其特征在于所述側(cè)板(3)下半部分(32)的厚度從上到下向外增加，截面成直角梯形。
6.如權(quán)利要求I所述用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，其特征在于所述底板(4)包括環(huán)狀邊緣部分(41)和中間部分(42)，環(huán)狀邊緣部分(41)為石墨制成，中間部分(42)由導(dǎo)熱系數(shù)聞于石墨的材料制成。
7.如權(quán)利要求6所述用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，其特征在于所述底板(4)的中間部分(42)由金屬鎢或者鑰制成。
8.如權(quán)利要求6所述用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，其特征在于所述底板(4)和中間部 >分(42)的形狀均為正方形。
9.如權(quán)利要求6-8任意一項所述用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，其特征在于所述底板(4)的中間部分(42)的截面能夠容納鑄錠的橫截面。
10.一種如權(quán)利要求7-9任意一項所述的用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，其特征在于，還包括底座，所述底座包括上平面部分(51)，上平面部分(51)與底板(4)的中間部分(42)的制造材料相同，底座的上平面部分和所述底板的中間部分(42 )是焊接在一起或者整體鑄造的。
全文摘要
一種用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，包括側(cè)板和底板，側(cè)板分上下兩部分，上半部分由石墨制成，下半部分由隔熱材料制成；底板可以分為環(huán)狀邊緣部分和中間部分，環(huán)狀邊緣部分為石墨制作，中間部分為導(dǎo)熱性能好的材料制作。采用本發(fā)明的用于鑄錠坩堝的復(fù)合式護板，可以有效的降低坩堝的側(cè)向熱傳導(dǎo)系數(shù)，提高坩堝垂直方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)，抑制邊角多晶的生成，提高鑄錠的收益率。
文檔編號C30B29/06GK102808214SQ201210312319
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)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