《帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐》是江西賽維LDK太陽能高科技有限公司於2008年6月24日申請的發明專利，該專利申請號為200820113023，公布號為CN201224781，專利公布日為2009年4月22日，發明人是萬躍鵬、陳旭光、李松林。該實用新型涉及一種可再加料的定向生長鑄造多晶矽矽錠的設備，特別是一種帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，該帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐能鑄造尺寸更高、重量更大的多晶矽矽錠。
《帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐》包括儲料部件，閘閥；其中：儲料部件上開設有投料口蓋板，儲料部件通過閘閥與多晶矽定向凝固鑄造爐爐壁連通。該實用新型可以提高多晶矽鑄造爐中耐熱坩堝空間的使用效率，在矽原料在耐熱坩堝中融化後，開啟二次加料裝置，加入新的原料。與不安裝二次加料裝置2008年6月之前工藝相比，該實用新型可以提高耐熱坩堝空間的使用效率約20-45％，提高單爐矽晶體產出量超過30％，同時降低生產每公斤矽晶體的能耗。該實用新型還有結構簡單，安裝方便的優點。該實用新型克服了大容量的定向凝固多晶矽鑄造爐存在沒有合適的配套技術所以不需要採用補充加料的附屬裝置的偏見。
2010年11月15日，《帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐》獲得第十二屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐
- 公布號：CN201224781
- 公布日：2009年4月22日
- 申請號：200820113023
- 申請日：2008年6月24日
- 申請人：江西賽維LDK太陽能高科技有限公司
- 地址：江西省新余市高新經濟開發區賽維工業園
- 發明人：萬躍鵬、陳旭光、李松林
- 代理機構：江西省專利事務所
- 代理人：楊志宇
- Int.Cl.：C30B29/06（2006.01）I
- 類別：實用新型
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
以晶體矽為基材的太陽能電池可分為單晶矽和多晶矽兩種。單晶矽晶體通常採用直拉單晶法（Czchoralski，或簡稱CZ）拉制而成。而多晶矽晶體有多種方法，2008年6月之前在工業生產中普遍採用的可以粗略地分為定向凝固法，澆鑄法，電磁冷坩堝連續鑄錠法等。其中的定向凝固法由於其所產矽錠重量大，單爐產出量高，耗能低而受到最廣泛的套用。定向凝固法的基本工藝特徵是配料好的矽原料裝滿一石英坩堝，在控制的環境下，矽原料被加熱並熔化，隨後，矽溶液在同一坩堝中由於單一方向的冷卻（通常為坩堝底面）開始結晶凝固，晶體逐漸逆著冷卻方向生長，直至全部矽液凝固成為矽錠。
在定向凝固鑄錠中，坩堝中所裝的矽料量由於矽料的形狀，體積等原因達不到實體矽充滿整個坩堝所應有的重量。實際所裝量和最大可容量的比值被稱為填充因子。隨著矽料形狀，體積的不同，這個填充因子在2008年6月之前多晶矽生產中可達到30％到65％，在大部分情況下是58％左右。以2008年6月之前使用較多的美國GT太陽能公司（GT Solar Technologies，Inc.）的DSS系列多晶矽定向鑄錠爐為例，當其使用的坩堝內尺寸為69厘米×69厘米×42厘米，將矽料堆起來裝，一般可裝270公斤左右。長出的鑄錠尺寸69厘米×69厘米×24厘米，填充因子是57％左右。
二次填料方法和裝置在直拉單晶爐中已得到套用。這一方法和裝置在一些特殊的多晶矽生長爐中也被提到。例如JP62260710是通過高真空中直接採用電子束槍熔化固體矽並鑄造熔融矽。通過進料器可連續向坩堝內加固體矽料。但JP62260710涉及的是非定向凝固工藝的早期的鑄造爐，其體積有限，只能生產數十公斤的鑄錠。
而生產數十公斤的鑄錠與生產數百公斤的鑄錠在工藝上、設備上差異非常大，生產數百公斤並得到高度超過24-30厘米的鑄錠在生產技術上遇到的困難遠高於生產數十公斤並得到高度超過24-30厘米的鑄錠。其生產技術至少相差10年以上。
Directional Solidification System是定向凝固系統的英文關鍵字，以 美國GT太陽能公司DSS系列為代表的多晶矽定向凝固鑄錠爐，一直以來並沒有採用補充加料的附屬裝置。特別是內置69厘米×69厘米×42厘米坩堝、69厘米×69厘米×48厘米坩堝84厘米×84厘米×48厘米坩堝等大容量的多晶矽定向凝固鑄造爐一直以來並沒有採用補充加料的附屬裝置。
在大容量的定向凝固多晶矽鑄造爐領域中存在沒有合適的配套技術、沒有合適的定向凝固法工藝、多晶矽晶體生長時熱量散發困難等多方面的限制，所以不需要採用補充加料的附屬裝置的偏見。
其原因如下：
2008年6月之前GT公司的多晶矽定向凝固鑄造爐當使用69厘米×69厘米×42厘米坩堝時，可以得到多晶矽矽錠重250-300Kg，其外形尺寸在長69厘米×寬69厘米×高24-27厘米。坩堝可利用空間不足60％。坩堝利用率低。
由於尺寸更高的多晶矽矽錠在切割成矽塊和矽片時候產生的邊腳料相對較少，其使用效率更高。努力獲得尺寸更高、重量更大的多晶矽矽錠是有意義的。
多晶矽鑄造技術2008年6月之前發展迅速，多晶矽的鑄造工藝和設備也千差萬別，例如早期的通過在高真空中直接採用電子束槍熔化固體矽並鑄造熔融矽技術的多晶矽鑄造爐所得到的矽錠體積小，重量小，大約只有數十公斤。因為後續處理體積不大，重量不大的矽錠並不困難。體積小，重量小的矽錠在生產過程中可以選擇補充加料適當增加尺寸或重量。
但大尺寸的多晶矽矽錠在定向凝固生產過程中，很少採用補充加料。這是因為大尺寸的多晶矽矽錠在定向凝固生產過程中也有很多限制。由於多晶矽晶體生長時熱量散發的問題，多晶矽的高度很難增加。
為超過正常高度的多晶矽所配套的設備的體積也非常龐大，設備造價急劇上升，以2008年6月之前的生長高度為35-60厘米的定向凝固法生產的矽錠為例，其配套的如果只採用一次加料，不採用補充加料方式的多晶矽定向凝固鑄造爐高度可能超過5-8米。
所以，要增加多晶矽的體積和重量的主要方法是增加其長度和寬度。但是，邊長尺寸的增加也不是無限制的，因為在多晶矽矽錠的加工過程中，2008年6月之前的多晶矽矽錠的加工過程中外圓切割機或帶鋸對大尺寸如長69厘米×寬69厘米，但高度超過30厘米的多晶矽矽錠處理困難。這些內容在普通的《太陽能電池材料》的科普讀物第144頁中都有類似的記載。
而且在定向凝固生產過程中的長60-100厘米×寬60-100厘米×高40-60厘米的坩堝中獲得長60-100厘米×寬60-100厘米×高24-30厘米的多晶矽錠是行業普遍認為的極限，在生產高度超過35厘米的大的多晶矽錠受傳統定向凝固法工藝的限制完全可能帶來產品質量上的致命缺陷。
所以儘管GT公司的DSS系列多晶矽定向鑄錠爐內的69厘米×69厘米×42-48厘米坩堝在減去矽錠24-30厘米的高度後仍有剩餘的利用空間，但受後續配套加工手段的限制、傳統定向凝固法工藝的限制、以及多晶矽晶體生長時熱量散發困難 等多方面的限制，並沒有採用補充加料的附屬裝置來增加坩堝利用率。
因此在大容量的定向凝固多晶矽鑄造爐領域中存在沒有合適的配套技術、沒有合適的定向凝固法工藝、多晶矽晶體生長時熱量散發困難等多方面的限制；所以不需要採用補充加料的附屬裝置的偏見。
但隨著本申請人調整了定向凝固鑄錠生產工藝，已經有能力生產合格的長為69厘米、寬為69厘米、但高為30-45厘米以上的多晶矽矽錠，以及改進了後續配套加工手段後能很好的對高為30-35厘米以上的多晶矽矽錠進行良好的切塊或切割成片，那么沒有採用補充加料附屬裝置的多晶矽定向鑄錠爐就顯得落後實際生產套用了。
發明內容
專利目的
該實用新型的目的在於提供一種帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，該裝置可以提高大容量的定向凝固多晶矽鑄造爐中坩堝空間的使用效率，克服了大容量的定向凝固多晶矽鑄造爐領域中存在沒有合適的配套技術、沒有合適的定向凝固法工藝、多晶矽晶體生長時熱量散發困難等多方面的限制；所以不需要採用補充加料的附屬裝置的偏見。
技術方案
《帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐》包括儲料部件，閘閥；其中：儲料部件上開設有投料口蓋板，儲料部件通過閘閥與多晶矽定向凝固鑄造爐爐壁連通。帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：儲料部件可以是儲料筒。帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：在儲料筒和閘閥之間增設給料器；儲料筒通過給料器與閘閥連通。帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：給料器採用螺旋推進器。帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：還增加設定進氣部件，進氣部件通過控制閥與儲料部件連通。帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：鑄造爐內部採用長為65-75厘米、寬為65-75厘米、高為40-55厘米的坩堝。
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：鑄造爐內部採用長為76-100厘米、寬為76-100厘米、高為40-80厘米的坩堝。該實用新型提出的再次填料方法和裝置可以提高填充因子，使得單爐單位時間的產出量得到提高。這一方法的基本思想是在初始所裝的矽料在坩堝中溶化以後，坩堝有近一半的空間在矽液表面上空出來，這時再往坩堝中添加矽料，使這部分坩堝空間得到有效的利用。
改善效果
《帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐》的優點和工作原理：在多晶矽鑄錠過程中，加熱坩堝中的固體 矽料至熔融狀態，這時坩堝內矽料體積變小至坩堝內的一半左右，啟動補充加料裝置，加入適量的固體顆粒料。再將固體顆粒料加熱至熔融狀態。此補充加料裝置配合補充加料方法可使用坩堝利用率達到80％，多晶矽重量可提高50-100Kg。多晶矽鑄錠尺寸高度可提高30％，產能可增長30％。該實用新型還有結構簡單，安裝方便的優點。
附圖說明
附圖1是《帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐》的使用狀態示意圖。
附圖示記：儲料筒1、儲料筒氣體節流閥2、給料器氣體節流閥3、電磁閥4、給料器5、連線管6、進氣口7、閘閥8、多晶矽定向凝固鑄造爐9、漏斗10、支承件11，投料口蓋板12、觀察鏡13、下料管14。
權利要求
1、《帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐》包括儲料部件，閘閥（8）；其特徵在於：儲料部件上開設有投料口蓋板（12），儲料部件通過閘閥（8）與多晶矽定向凝固鑄造爐（9）連通。
2、根據權利要求1所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：儲料部件可以是儲料筒（1）。
3、根據權利要求2所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：在儲料筒（1）和閘閥（8）之間增設給料器（5）；儲料筒（1）通過給料器（5）與閘閥（8）連通。
4、根據權利要求2或3所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：還增加設定進氣部件，進氣部件通過控制閥與儲料部件連通。
5、根據權利要求4所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：進氣部件包括進氣口（7），進氣管；控制閥包括電磁閥（4），儲料筒氣體節流閥（2）；進氣口（7）通過電磁閥（4）、儲料筒氣體節流閥（2）、進氣管與儲料筒（1）連線。
6、根據權利要求4所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：進氣部件包括進氣口（7），進氣管；控制閥包括電磁閥（4），給料器氣體節流閥（3）；進氣口（7）通過電磁閥（4）、給料器氣體節流閥（3）、進氣管與給料器（5）連線。
7、根據權利要求1所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：儲料部件上增設觀察鏡（13）。
8、根據權利要求1所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：增設用於支承儲料部件的支承件（11），儲料部件通過支承件（11）與多晶矽鑄造爐連線。
9、根據權利要求1所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：增設用於支承儲料部件的支承件（11），儲料部件通過支承件（11）與地面連線。
10、根據權利要求3所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：給料器（5）與多晶矽定向凝固鑄造爐（9）之間增設漏斗（10）。
11、根據權利要求10所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：漏斗（10）下面加裝下料管（14）。
12、根據權利要求1所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：儲料部件的容量為30—80升。
13、根據權利要求3所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：給料器（5）採用螺旋推進器。
14、根據權利要求1-13任意一項所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽 鑄造爐，其特徵在於：帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐是帶有補充加料裝置的定向凝固系統的多晶矽鑄造爐。
15、根據權利要求1-13任意一項所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：鑄造爐內部採用長為65-75厘米、寬為65-75厘米、高為40-55厘米的坩堝。
16、根據權利要求1-13任意一項所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：鑄造爐內部採用長為76-100厘米、寬為76-100厘米、高為40-80厘米的坩堝。
17、根據權利要求1-13任意一項所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：鑄造爐內部採用長為69厘米、寬為69厘米、高為48厘米的坩堝。
18、根據權利要求1-13任意一項所述的帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其特徵在於：鑄造爐內部採用長為84厘米、寬為84厘米、高為48厘米的坩堝。
實施方式
- 實施例1
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，包括儲料部件，閘閥8；其中：儲料部件上開設有投料口蓋板12，儲料部件通過閘閥8與多晶矽定向凝固鑄造爐9連通。
- 實施例2
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：儲料部件可以是儲料筒1。其餘同實施例1。
- 實施例3
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：在儲料筒1和閘閥8之間增設給料器5；儲料筒1通過給料器5與閘閥8連通。其餘同實施例2。根據不同的物料情況配置不同的給料器5，例如有塊狀、粉狀、顆粒狀的物料，可以設計不同的給料器5。
- 實施例4
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：還增加設定進氣部件，進氣部件通過控制閥與儲料部件連通。其餘同實施例2或3。在使用粉狀物料的時候，粉狀物料質地輕，由於多晶矽鑄造爐內有一定壓力，粉狀物料很難順利下沉進入多晶矽鑄造爐，增加進氣部件可以依靠氣流帶動使得粉狀物料下降順利。但如果使用質地重的塊狀物料，塊狀物料可以克服多晶矽鑄造爐內的一定壓力直接順利下滑，因此也可以不採用進氣部件。
- 實施例5
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：進氣部件包括進氣口7，進氣管；控制閥包括電磁閥4，儲料筒氣體節流閥2；進氣口7通過電磁閥4、儲料筒氣體節流閥2、進氣管與儲料筒1連線。其餘同實施例4。電磁閥4和儲料筒氣體節流閥2的設定可以控制二次加料中的進氣步驟，從而更好的控制加料。
- 實施例6
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：進氣部件包括進氣口7，進氣管；控制閥包括電磁閥4，給料器氣體節流閥3；進氣口7通過電磁閥4、給料器氣體節流閥3、進氣管與給料器5連線。其餘同實施例4。
電磁閥4和給料器氣體節流閥3的設定可以控制二次加料中的進氣步驟，從而更好的控制加料。
- 實施例7
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：儲料部件上增設觀察鏡13。其餘同實施例1。觀察鏡13有利於直接觀察加料狀況。
- 實施例8
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：增設用於支承儲料部件的支承件11，儲料部件通過支承件11與多晶矽鑄造爐連線。其餘同實施例1。
- 實施例9
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：增設用於支承儲料部件的支承件11，儲料部件通過支承件11與地面連線。其餘同實施例1。
- 實施例10
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：給料器5與多晶矽定向凝固鑄造爐9之間增設漏斗10。其餘同實施例3。畢竟給料器5與多晶矽鑄造爐爐壁所存在的溫度壓力環境有明顯差異，增加漏斗10可以讓物料更好的過渡。
- 實施例11
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：漏斗10下面加裝下料管14。下料管14的底連線埠對準多晶矽鑄造爐中的坩堝。其餘同實施例10。有的多晶矽鑄造爐中的坩堝距離多晶矽鑄造爐的頂部較遠，增加下料管14有利於加料。
- 實施例12
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：儲料部件的容量為30—80升。其餘同實施例1。傳統的多晶矽鑄造爐通常只能製造300公斤以下的矽錠，而定向凝固系統的多晶矽鑄造爐由於設備結構和工藝不同於傳統的多晶矽鑄造，允許製備高達300多公斤的多晶矽錠，因此用於多晶矽的補充加料的裝置的容量通常大於30升。
- 實施例13
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：儲料部件的容量為30升。其餘同實施例1。
- 實施例14
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：儲料部件的容量為40升。其餘同實施例1。
- 實施例15
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：儲料部件的容量為50升。其餘同實施例1。
- 實施例16
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：儲料部件的容量為60升。其餘同實施例1。
- 實施例17
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：儲料部件的容量為80升。其餘同實施例1。
- 實施例18
帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，其中：給料器5採用螺旋推進器。其餘同實施例3。給料器可以採用多種形式，但採用螺旋推進器相對於傳統的給料方式更容易控制，給料均勻，不受壓力，物料特性影響；適應工藝系統壓力變化能力強， 而且給料量穩定可調；結構合理，性能可靠，維修簡單。
- 實施例19
以上實施例中帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐是帶有補充加料裝置的定向凝固系統的多晶矽鑄造爐。
- 實施例20
一組帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，鑄造爐內部採用長為65厘米、寬為65厘米、高為40厘米的坩堝。其餘分別同實施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19。
- 實施例21
一組帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，鑄造爐內部採用長為75厘米、寬為75厘米、高為55厘米的坩堝。其餘分別同實施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19。
- 實施例22
一組帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，鑄造爐內部採用長為69厘米、寬為69厘米、高為48厘米的坩堝。其餘分別同實施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19。
- 實施例23
一組帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，鑄造爐內部採用長為84厘米、寬為84厘米、高為48厘米的坩堝。其餘分別同實施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19。
- 實施例24
一組帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，鑄造爐內部採用長為100厘米、寬為100厘米、高為40厘米的坩堝。其餘分別同實施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19。
- 實施例25
一組帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐，鑄造爐內部採用長為76厘米、寬為76厘米、高為80厘米的坩堝。其餘分別同實施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19。
榮譽表彰
2010年11月15日，《帶有補充加料裝置的定向凝固多晶矽鑄造爐》獲得第十二屆中國專利獎優秀獎。
