專(zhuān)利名稱：硅電磁鑄造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造太陽(yáng)能電池硅基板的硅鑄塊的硅電磁鑄造裝置。
背景技術(shù)：
作為改善全球環(huán)境問(wèn)題的方法之一，太陽(yáng)能電池目前逐漸普及，資源量豐富且光電轉(zhuǎn)換效率高的硅晶體在太陽(yáng)能電池中得到廣泛應(yīng)用，其中應(yīng)用電磁鑄造法制造的多結(jié)晶 硅基板太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量也在增加。如圖5所示，目前硅電磁鑄造裝置大致是由放置在爐體容器100內(nèi)、內(nèi)部裝有冷卻 水循環(huán)系統(tǒng)的銅制坩堝200和設(shè)置在坩堝外圍的感應(yīng)線圈300’組成。將硅塊S放置在坩 堝200內(nèi)，因電磁力作用漂浮熔解，隨著硅塊高度的持續(xù)下降，硅塊向下結(jié)晶，就制造出硅 鑄塊。在由水冷卻的坩堝200內(nèi)部，硅塊S因電磁力作用漂浮熔解，因此熔解硅S’和坩堝 200內(nèi)部沒(méi)有接觸，不會(huì)受到來(lái)自坩堝的不純物質(zhì)的污染。同時(shí)，由于避免了接觸，坩堝200 也不會(huì)受到損傷，從而大大延長(zhǎng)了坩堝的使用壽命。由上可知，硅電磁鑄造法可以連續(xù)地制造長(zhǎng)形、較大體積的硅鑄塊，該工藝效率 高，鑄造條件穩(wěn)定，因此硅鑄塊的品質(zhì)高且質(zhì)地均勻，從而使硅電磁鑄造法成為工業(yè)上一種 廣泛應(yīng)用的制造方法。然而上述硅電磁鑄造法存在著下述問(wèn)題如果為了提高生產(chǎn)效率，從而增加硅塊 S的體積，隨著所需熔解的硅塊的量的增加，所需輸入電力也要增大。同時(shí)，銅制坩堝200以 及感應(yīng)線圈300’的體積都要增大。從而導(dǎo)致感應(yīng)線圈300’的通電量增大，在保持同一感應(yīng) 頻率的情形下，為了供給增加的所需電量，感應(yīng)線圈300’的端子電壓也會(huì)增大。例如，邊長(zhǎng) 為20cm的硅塊S在感應(yīng)線圈300’為2匝的情況下，為了保持35kHz的感應(yīng)頻率來(lái)進(jìn)行感 應(yīng)熔解，輸出功率需達(dá)到250kW，感應(yīng)線圈300，的端子電壓需達(dá)到550V ；然而，邊長(zhǎng)為35cm 的硅塊S在感應(yīng)線圈300’同樣為2匝的情況下，為了保持35kHz的感應(yīng)頻率來(lái)進(jìn)行感應(yīng)熔 解，輸出功率需達(dá)到450kW，感應(yīng)線圈300，的端子電壓需達(dá)到1000V。由此，也產(chǎn)生了相應(yīng)的問(wèn)題。在硅電磁鑄造工藝中，為了防止熔解硅S’氧化，在爐 體容器100中會(huì)充滿1個(gè)大氣壓的非活性氣體。氬氣、氦氣均可作為非活性氣體加以應(yīng)用， 但是從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，通常使用氬氣。然而，由于氬氣的電離電壓很低，當(dāng)充滿了氬氣的 爐體容器100內(nèi)部的導(dǎo)電體通電時(shí)，容易在導(dǎo)電體之間產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象。通常情況下，當(dāng) 感應(yīng)熔解工業(yè)設(shè)備內(nèi)部存在1個(gè)大氣壓以下的氬氣時(shí)，在貼得很近的正對(duì)的導(dǎo)電體之間輸 入600V以上的電壓就會(huì)產(chǎn)生電弧放電。隨著電壓的增高，電弧放電現(xiàn)象會(huì)愈加劇烈，產(chǎn)生 放電的導(dǎo)電體會(huì)熔解并汽化。在電磁鑄造裝置中，當(dāng)感應(yīng)輸出功率增加時(shí)，感應(yīng)線圈300’的端子電壓增高，電流 增大，輸出功率增大。感應(yīng)線圈300’的端子負(fù)荷電壓使感應(yīng)線圈上產(chǎn)生電流，由于電磁感 應(yīng)作用，使已經(jīng)冷卻的坩堝200的表層產(chǎn)生電壓以及電流；同樣由于電磁感應(yīng)作用，使置于 銅制坩堝200內(nèi)部的硅塊S的表層產(chǎn)生電壓。也就是說(shuō)，在制造上述邊長(zhǎng)為35cm的硅鑄塊的情形下，感應(yīng)線圈300’的端子電壓要增高，由于電磁感應(yīng)作用，坩堝200以及熔解硅S’的表層電壓也會(huì)增高。如圖6所示，相 對(duì)的坩堝200的表層和熔解硅S’的表層之間會(huì)產(chǎn)生電弧放電A，水冷卻之后的坩堝200會(huì) 由于電弧放電A產(chǎn)生的熱量熔解并且汽化從而在坩堝上造成深槽，久而久之，侵蝕會(huì)越來(lái)
越嚴(yán)重。由于電弧放電A，坩堝200的表層熔解、汽化，坩堝表面的銅便熔解混入熔解硅S’當(dāng)中，降低了硅鑄塊的純度以及具有半導(dǎo)體性能的少數(shù)載體的擴(kuò)散性，從而降低了太陽(yáng)能 電池的光電轉(zhuǎn)換效率。與此同時(shí)，坩堝200由于電弧放電A引起的表層侵蝕越來(lái)越嚴(yán)重，隨著平坦的表層 上深槽的范圍越來(lái)越大，在表面的微小區(qū)域內(nèi)，正常的電磁作用會(huì)受到阻礙，從而造成電磁 鑄造過(guò)程當(dāng)中的熔解、凝固異?，F(xiàn)象。久而久之，甚至?xí)斐设T造過(guò)程的中斷。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠采用簡(jiǎn)單、切 實(shí)可行的方法制造出高品質(zhì)的硅鑄塊的硅電磁鑄造裝置。技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所述的硅電磁鑄造裝置包括爐體容器 和設(shè)置在爐體容器內(nèi)部的具導(dǎo)電性的坩堝以及安裝在該坩堝外圍的感應(yīng)線圈。所述的爐體 容器內(nèi)設(shè)有一定壓力的指定氣體，該硅電磁鑄造裝置中的感應(yīng)線圈通電后，使坩堝內(nèi)的硅 感應(yīng)發(fā)熱、熔解，然后在硅電池鑄造裝置內(nèi)使之凝固。所述感應(yīng)線圈由兩個(gè)以上具有不同感 應(yīng)頻率的線圈上下配置而成。采用兩個(gè)以上的不同感應(yīng)頻率的感應(yīng)線圈，根據(jù)各感應(yīng)線圈 上所負(fù)荷的感應(yīng)頻率以及感應(yīng)輸出功率的設(shè)定不同，在將不同感應(yīng)頻率的感應(yīng)線圈的端子 電壓設(shè)置在指定電壓以下(例如900V以下，600V以下更好)的同時(shí)，通過(guò)各感應(yīng)線圈的組 合也能產(chǎn)生出很大的合成感應(yīng)輸出功率。其中，優(yōu)選地，在上述兩種以上不同感應(yīng)頻率的感應(yīng)線圈之中，最好是下線圈的感 應(yīng)頻率較高。由此，感應(yīng)頻率的設(shè)定為制造出高品質(zhì)的硅鑄塊提供了必要條件，也就是說(shuō)， 下線圈的感應(yīng)頻率應(yīng)設(shè)定為既能夠抑制熔解硅的攪拌、也能使固體鑄塊發(fā)熱的必要高頻率 感應(yīng)輸出功率；上線圈由于離凝固界面較遠(yuǎn)，感應(yīng)頻率的效果難以影響到凝固界面，在抑制 坩堝內(nèi)部電弧放電的同時(shí)，能夠有效增加各感應(yīng)線圈的合成輸出功率。其中，優(yōu)選地，上述下線圈的感應(yīng)頻率最好設(shè)置在25 30kHz以上，從而，能夠有 效增加下方高頻率感應(yīng)線圈抑制熔解硅攪拌、致使固體鑄塊發(fā)熱的必要高頻率感應(yīng)輸出功 率。在上述兩種以上的不同頻率的感應(yīng)線圈之間，最好安上磁屏蔽板，這樣可以防止各線圈 之間不必要的磁作用。其中，優(yōu)選地，各感應(yīng)線圈的端子負(fù)荷電壓最好設(shè)置在900V以下，這樣由于感應(yīng) 效率的關(guān)系，熔解硅表層電壓可以控制在600V以下。其中，進(jìn)一步優(yōu)選地，各感應(yīng)線圈的端子負(fù)荷電壓如果能設(shè)置在600V以下更佳， 這樣熔解硅表層電壓就一定在600V以下。其中，優(yōu)選地，在上述坩堝上方設(shè)置等離子炬，用于對(duì)坩堝內(nèi)部熔解硅的加熱，這 樣可以有效地對(duì)坩堝內(nèi)的硅塊提供使之熔解的熱量。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明由于采用了兩個(gè)以上的不同感應(yīng)頻率的感應(yīng) 線圈，根據(jù)各感應(yīng)線圈上所負(fù)荷的感應(yīng)頻率以及感應(yīng)輸出功率的設(shè)定不同，在將各感應(yīng)頻率的感應(yīng)線圈的端子電壓設(shè)定在指定電壓以下(例如900V以下，600V以下更好)的同時(shí)， 通過(guò)各感應(yīng)線圈的組合能產(chǎn)生出很大的合成輸出功率。采用此發(fā)明所述的硅電磁鑄造裝 置，使利用簡(jiǎn)單、切實(shí)可行的方法生產(chǎn)出具有高品質(zhì)、較大體積的硅鑄塊成為可能。


圖1為與第一實(shí)施形態(tài)相關(guān)的該裝置的構(gòu)成概略圖。圖2為該裝置的主體部分放大圖。圖3為圖2III-III部分的截面圖。圖4為與第二實(shí)施形態(tài)相關(guān)的該裝置的主體部分放大圖。圖5為現(xiàn)階段該裝置的構(gòu)成概略圖。圖6為現(xiàn)階段該裝置中產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象的狀態(tài)圖。符號(hào)說(shuō)明
1本裝置
100爐體容器
200坩堝容器
300感應(yīng)線圈
310上方側(cè)的感應(yīng)線圈
320下方側(cè)的感應(yīng)線圈
330磁屏蔽板
400石墨臺(tái)
500上下移動(dòng)裝置
600控溫爐
700原料供給器
具體實(shí)施例方式下面參照?qǐng)D1至圖3，對(duì)本發(fā)明的第一實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說(shuō)明。[實(shí)施形態(tài)1]<整體構(gòu)成>圖1是與本發(fā)明的第一實(shí)施形態(tài)相關(guān)的硅電磁鑄造裝置(以下稱為本裝置1)的 構(gòu)成概略圖。圖2是本裝置1的主體部分放大圖。圖3是圖2III-III部分的截面圖。本裝置1由爐體容器100、安裝在爐體容器100內(nèi)部的坩堝200、設(shè)置在坩堝200外 周的感應(yīng)線圈300、放置硅塊S的石墨臺(tái)400、使石墨臺(tái)400上下移動(dòng)的上下移動(dòng)裝置500、 控制熔解硅S’凝固結(jié)晶的控溫爐600以及坩堝200上方的原料供給器700這些部分構(gòu)成。 構(gòu)成各部分的材料，除了感應(yīng)線圈之外，均與現(xiàn)階段該裝置的構(gòu)成所需材料相同。關(guān)于硅，加熱前的狀態(tài)稱之為“硅塊S”，加熱熔解后的狀態(tài)稱之為“熔解硅S’ ”，冷 卻后的凝固狀態(tài)稱為“硅鑄塊”。<爐體容器的構(gòu)成>上述爐體容器100是指將坩堝200和感應(yīng)線圈300等囊括在內(nèi)的密閉容器。爐體容器100的上部有送氣口 110，下部有排氣口 120。鑄造時(shí)，使用真空泵(圖示略)使?fàn)t體容器100內(nèi)氣壓減壓到0. 1托之后，從送氣口 110送入指定的氣體(例如氬 氣)，使之達(dá)到大氣壓的水平。此外，爐體容器100的底壁130上穿設(shè)有插通孔130a，上述的上下移動(dòng)裝置500便 插通在這里。為了使?fàn)t體容器100成為密封容器，該插通孔130a上最好采用橡膠等成分構(gòu) 成的密封材料140?！篡釄宓臉?gòu)成〉上述坩堝容器200是銅制品，坩堝內(nèi)部設(shè)有冷卻循環(huán)水冷卻坩堝側(cè)壁。另外，如圖3所示，因?yàn)檑釄?00在圓周方向?qū)﹄娊^緣，從而圓周被分割為多個(gè)區(qū) 域，最好在坩堝200的圓周被分割的各區(qū)域間插入云母等對(duì)電絕緣的材料?！锤袘?yīng)線圈的構(gòu)成〉上述感應(yīng)線圈300通電后，置于上述坩堝200內(nèi)部的硅塊S便感應(yīng)發(fā)熱熔解。感 應(yīng)線圈300由兩個(gè)感應(yīng)頻率不同的感應(yīng)線圈310、320上下裝置而成。上述兩個(gè)不同頻率的 感應(yīng)線圈310和320之間，設(shè)有阻斷相互磁作用的磁屏蔽板330。各感應(yīng)線圈310、320的端子負(fù)載電壓最好在900V以下，600V以下更好，理由如 下通常情況下，在使用了水冷卻之后的銅制坩堝200的電磁鑄造裝置中，輸入感應(yīng) 線圈310、320中的電力以坩堝200為媒介，將60 65%的電力傳入坩堝中的熔解硅S’當(dāng) 中，意即，感應(yīng)功率為60 65%。據(jù)此，感應(yīng)線圈310、320端子負(fù)載電壓為900V時(shí)，熔解 硅S’表層電壓為600V左右。又如上所述，當(dāng)電磁鑄造裝置內(nèi)部存在1個(gè)大氣壓以下的氬 氣時(shí)，在貼得很近的相對(duì)的導(dǎo)電體之間輸入600V以上的電壓就會(huì)產(chǎn)生電弧放電。因此，為 了完全抑制感應(yīng)熔解時(shí)的電弧放電現(xiàn)象，感應(yīng)線圈端子電壓最好設(shè)置在600V以下；如果只 是想抑制銅制坩堝200的表層與熔解硅S’的表層之間的電弧放電現(xiàn)象的話，感應(yīng)線圈端子 電壓設(shè)置在900V亦可。另外，下感應(yīng)線圈320的頻率較高為好，且這個(gè)高頻率最好在25 30kHz以上，理 由如下通常，基于電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生的熔解硅S’在加熱時(shí)，熔解硅S’的表層相當(dāng)于磁力 滲透深度的范圍內(nèi)，由于磁通量密度和電流密度的關(guān)系，會(huì)對(duì)熔解硅S’產(chǎn)生向內(nèi)的推力，由 于這個(gè)推力的影響，熔解硅S’在浮游熔解的同時(shí)，也在進(jìn)行攪拌。相對(duì)而言，低頻率周?chē)?攪拌力度大使得熔解硅S’能夠得到充分?jǐn)嚢瑁哳l率周?chē)鷶嚢枳饔弥饾u減小，直到維持在 相對(duì)靜止的熔解狀態(tài)。熔解硅S’表層相當(dāng)于磁力滲透深度的區(qū)域，在低頻率周?chē)?，電流能夠通過(guò)的表層 深度增大，由表及里很深范圍很大的一個(gè)區(qū)域會(huì)被加熱。而在高頻率周?chē)娏髂軌蛲ㄟ^(guò)的 表層深度減小，表層被加熱的區(qū)域范圍亦減少。因此，在施加了相同的感應(yīng)加熱量的情況 下，對(duì)于低頻率周?chē)谋韺臃秶艽蟮募訜釁^(qū)域中，單位體積的加熱強(qiáng)度相對(duì)較小，而對(duì)于 高頻率周?chē)谋韺虞^小的加熱區(qū)域中，單位體積的加熱強(qiáng)度相對(duì)較大，因此，使用高頻率可 以對(duì)表層進(jìn)行強(qiáng)制加熱。至于感應(yīng)線圈的感應(yīng)頻率的選定，應(yīng)以25 30kHz為界，低頻率周?chē)娜劢夤鑃’ 攪拌強(qiáng)度大，促進(jìn)了熔解硅S’的對(duì)流熱移動(dòng)，為了向凝固界面導(dǎo)熱，凝固界面向下方擴(kuò)張加 深。隨著凝固界面的加深，硅凝固也在照常進(jìn)行，凝固的硅鑄塊內(nèi)部與表層產(chǎn)生溫差，鑄塊內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。
因?yàn)榈皖l率周?chē)蔫T塊表層的加熱強(qiáng)度低，一旦對(duì)鑄塊表層的溫度維持不充分， 就很容易冷卻下來(lái)，表層與內(nèi)部溫差增大。也就是說(shuō)，在低頻率周?chē)捎趯?duì)熔解硅S’較強(qiáng) 的攪拌作用以及對(duì)凝固固體鑄塊表層較弱的加熱強(qiáng)度，凝固界面加深。擴(kuò)張到下方的凝固 界面增大了凝固硅鑄塊的內(nèi)部應(yīng)力，產(chǎn)生結(jié)晶，結(jié)果減弱了少數(shù)載體的擴(kuò)散性，降低了多結(jié) 晶硅半導(dǎo)體的品質(zhì)。另一方面，在25 30kHz以上的高頻率周?chē)?，熔解硅S’攪拌強(qiáng)度弱，能夠維持在 一個(gè)相對(duì)靜止的熔解狀態(tài)，與凝固界面的對(duì)流熱移動(dòng)少，凝固界面難以向下方擴(kuò)張，形成較 淺的凝固界面。同時(shí)，凝固了的硅鑄塊表層由于高頻率的緣故，加熱強(qiáng)度高，表面不易冷卻， 鑄塊內(nèi)部與表面溫差很小。就這樣，硅鑄塊在高頻率周?chē)?，凝固界面不?huì)向下方擴(kuò)張，形成 較淺的凝固界面，鑄塊內(nèi)部與表面溫差很小，內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生率低。由此，鑄塊中不易產(chǎn)生 結(jié)晶，能夠增強(qiáng)多結(jié)晶硅半導(dǎo)體中少數(shù)載體的擴(kuò)散性，提高太陽(yáng)能電池的品質(zhì)。因此，硅電磁鑄造法中，要使硅鑄塊的體積增大，提高生產(chǎn)效率，就有必要增大感 應(yīng)輸出功率，尤其是將下感應(yīng)線圈的頻率設(shè)置為高頻率為佳。如果想讓作為太陽(yáng)能電池的 半導(dǎo)體的品質(zhì)超群的話，最好將感應(yīng)頻率設(shè)置為25 30kHz以上?！雌渌考臉?gòu)成〉上述溫控爐600，可以緩慢地冷卻熔解硅S’，并使其凝固。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)從上到 下保持指定的溫度差，最終使熔解硅S’在指定溫度下緩慢冷卻。上述石墨臺(tái)400是由石墨構(gòu)成的臺(tái)座。鑄造硅時(shí)，由上下移動(dòng)裝置500將石墨臺(tái) 400移動(dòng)到與下感應(yīng)線圈相當(dāng)?shù)母叨戎?，將裝入的硅塊S放置在石墨臺(tái)上。然后，上下移 動(dòng)裝置沿著爐體容器100內(nèi)的中心線下降，溶解硅S’在下降的同時(shí)逐漸凝固。上述上下移動(dòng)裝置500可以使石墨臺(tái)400沿著爐體容器100的中心線上下移動(dòng)。 與其他的驅(qū)動(dòng)裝置(圖示略)相比，這樣上下的移動(dòng)更適合鑄造條件。上述原料供給容器700的作用是把作為原料的硅塊S與石墨塊從上方裝入坩堝 200內(nèi)。首先裝入規(guī)定重量的硅塊S之后，再在硅塊之上裝入石墨塊。石墨塊是用來(lái)輔助原 料硅發(fā)熱的。感應(yīng)線圈通電后，首先是石墨塊發(fā)熱升溫，然后下方的硅塊S受到石墨的輻射 熱的影響升溫。當(dāng)硅塊S的溫度上升到一定溫度之后，電阻值下降，感應(yīng)電流增加，開(kāi)始自 己發(fā)熱。當(dāng)硅塊S開(kāi)始自己發(fā)熱的同時(shí)，上方的石墨塊將會(huì)從坩堝200的上方抽出。本實(shí)施形態(tài)中的感應(yīng)線圈300是由上下兩個(gè)線圈310、320構(gòu)成，使用3個(gè)以上的 線圈構(gòu)成亦可。下面參照?qǐng)D4對(duì)本發(fā)明的第二實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說(shuō)明。[實(shí)施形態(tài)2]圖4是與本實(shí)施形態(tài)有關(guān)的本裝置的主體部分放大圖。本實(shí)施形態(tài)中，在爐體容器100內(nèi)部、坩堝200的上方設(shè)置了等離子炬800。等離 子炬800在對(duì)硅進(jìn)行鑄造時(shí)用于加速加熱。例如直徑為IOcm的筒狀的等離子炬，內(nèi)部負(fù)極 電極以及炬整體可以水冷卻，可以上下左右移動(dòng)。鑄造時(shí)，等離子炬800的頂端下移以接近硅塊S，將氬氣等指定氣體送入等離子炬 800，將直流等離子在等離子炬800的陰極與熔解硅S’的陽(yáng)極之間點(diǎn)燃。然后，通過(guò)逐漸增 加感應(yīng)線圈310、320的輸入電力，能夠加速硅塊的加熱。
其余部分所用的材料以及符號(hào)均與第一實(shí)施形態(tài)(圖1至圖3)相同，這里不再贅述。實(shí)施例1 本裝置1中，采用了兩個(gè)具有不同感應(yīng)頻率的感應(yīng)線圈310、320，通過(guò)垂直方向絕 緣、且內(nèi)部裝有冷卻水循環(huán)的導(dǎo)電坩堝200與設(shè)置在坩堝200外圍上的感應(yīng)線圈300相互 作用使硅塊S熔解、下降的同時(shí)凝固。使用本裝置1進(jìn)行硅電磁鑄造時(shí)，步驟如下在本例中，如圖1所示，在可控內(nèi)壓的爐體容器100中設(shè)有坩堝200以及上下安裝 在該坩堝200外圍的感應(yīng)線圈310、320。在坩堝正下方，設(shè)置用于使硅塊S凝固的控制溫度 的控溫爐600以及使石墨臺(tái)400上下移動(dòng)的上下移動(dòng)裝置500，使硅塊S能夠持續(xù)下降。在爐體容器100的上方，設(shè)置有供應(yīng)硅塊S與石墨塊等的原料供給器700。石墨塊 是在硅塊S熔解初期，從上方投入并使之位于與坩堝200內(nèi)的感應(yīng)線圈300的高度相當(dāng)?shù)?位置，感應(yīng)發(fā)熱并輔助硅塊S加熱的。本例中，硅塊S在鑄造方向的橫斷面為正方形，邊長(zhǎng)35cm ；水平方向的橫斷面為正 方形的坩堝200的內(nèi)邊長(zhǎng)為35cm，外邊長(zhǎng)為41. 6cm。把坩堝200的垂直方向的絕緣分割區(qū) 域數(shù)定為60，被分割為60個(gè)區(qū)域的坩堝200的各區(qū)域的長(zhǎng)度為70cm。加工時(shí)內(nèi)部有冷卻 循環(huán)水，各區(qū)域間插入了電絕緣材料云母。坩堝200內(nèi)部的冷卻水每分鐘流量合計(jì)為500升。另外，兩個(gè)感應(yīng)線圈310、320上下配置。上感應(yīng)線圈310為正方形的2匝，內(nèi)徑 42. 6cm，高15cm，連接在最大輸出功率為350kw的感應(yīng)電源上，感應(yīng)頻率設(shè)定為ΙΟΚΗζ。下 感應(yīng)線圈320與上感應(yīng)線圈310形狀相同，連接在最大輸出功率為150kw的感應(yīng)電源上，感 應(yīng)頻率設(shè)定為35KHz。感應(yīng)線圈310、320并列設(shè)置在坩堝200的高度方向的中心位置，兩感 應(yīng)線圈310、320之間設(shè)置有厚3mm的銅制磁屏蔽板330，磁屏蔽板330外周上設(shè)有水管以實(shí) 現(xiàn)水冷卻。本例的操作順序如下所示首先在下降方向上，為了使橫斷面為正方形、邊長(zhǎng)為 35cm的石墨臺(tái)400的上方與下感應(yīng)線圈320的下端位置保持在同一高度，石墨臺(tái)400搭乘 上下移動(dòng)裝置500上升，從下方插入坩堝200中。在石墨臺(tái)400上裝入50kg的硅塊S，在硅 塊S上方2cm處，把邊長(zhǎng)30cm，高7cm，橫斷面為正方形的石墨塊從坩堝200的上方插入。然后，由真空泵把爐體容器100里的氣壓減壓到0. 1托后，送入氬氣，使?fàn)t體容器 100內(nèi)氣壓到達(dá)大氣壓。然后，把頻率為IOKHz的上感應(yīng)線圈310的感應(yīng)輸出功率逐步增加 到200kw，頻率為35KHz的下感應(yīng)線圈320的感應(yīng)輸出功率逐步增加到lOOkw。在上述情形 下，上感應(yīng)線圈310的端子電壓為170V，下感應(yīng)線圈320的端子電壓為280V。就這樣，將兩個(gè)感應(yīng)線圈310、320通電后，首先插在硅塊S上方的石墨塊就會(huì)感應(yīng) 發(fā)熱、升溫并變紅。在變紅的石墨塊的輻射熱量的作用下，硅塊S開(kāi)始升溫。當(dāng)硅塊S的溫 度達(dá)到500°C時(shí)，電阻值會(huì)下降，感應(yīng)電流增加，開(kāi)始自己發(fā)熱。硅塊S自己開(kāi)始發(fā)熱的同 時(shí)，上述石墨塊就被從冷卻坩堝200上方抽出。然后，將上感應(yīng)線圈310的感應(yīng)輸出功率增至350kw，下感應(yīng)線圈320的感應(yīng)輸出 功率增至150kw，以加速原料硅的熔解。已開(kāi)始自己發(fā)熱的硅塊S進(jìn)一步升溫，不一會(huì)就完 全熔解。在坩堝200的內(nèi)面壁和側(cè)面的電磁力的影響下，溶解硅S’與冷卻坩堝200處于非 接觸狀態(tài)。在上述感應(yīng)輸出功率增大的情形中，上感應(yīng)線圈310的最大端子電壓為280V，下感應(yīng)線圈320的最大端子電壓為490V。待初次裝入的原料硅完全熔解、保持穩(wěn)定后，將設(shè)置在坩堝200正下方的硅鑄塊 控溫爐600升溫，使之順著硅鑄塊下降方向保持溫度以約35°C /cm遞減。之后，通過(guò)上方的原料供給器700，將大小為Imm到20mm的原料硅顆粒連續(xù)裝入坩 堝200中，并使載著溶解硅S’的上下移動(dòng)裝置500下降，開(kāi)始鑄造。上下移動(dòng)裝置500開(kāi) 始下降后，溶解硅S’自下降到下感應(yīng)線圈320下端的位置之后，受到的電磁力逐漸減少，開(kāi) 始冷卻凝固。而此時(shí)，凝固的硅鑄塊的表層由于與下感應(yīng)線圈320在距離上相對(duì)接近，仍然 受到下線圈320的感應(yīng)作用發(fā)紅發(fā)熱，不會(huì)立即冷卻。就這樣，在連續(xù)供給原料硅的同時(shí)，鑄塊連續(xù)地凝固，從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)鑄造。在本 操作例中，鑄造的速度為每分2. 0mm。關(guān)于穩(wěn)定鑄造時(shí)的感應(yīng)電源輸出功率，上感應(yīng)線圈 310為約260kw，下感應(yīng)線圈320為約80kw。關(guān)于310、320端子電壓，上線圈310為約200V， 下線圈320為約250V。當(dāng)鑄塊全長(zhǎng)達(dá)到200cm時(shí)，鑄造停止。待按照上述順序鑄造的鑄塊冷卻到室溫后，從爐內(nèi)取出，檢測(cè)坩堝200的內(nèi)邊。檢 測(cè)結(jié)果完全沒(méi)有發(fā)生過(guò)電弧放電的痕跡，坩堝200的內(nèi)邊與之前一樣平坦。為了測(cè)試該硅鑄塊的實(shí)際使用性能，將該硅鑄塊制作成了太陽(yáng)能電池用基板，并 且對(duì)使用該太陽(yáng)能電池基板的太陽(yáng)能電池的性能也做了試驗(yàn)。首先用金剛石切割機(jī)切下橫 截面為邊長(zhǎng)15cm的正方形、長(zhǎng)40cm的硅鑄塊，然后采用電鋸切片法將它加工成厚200微米 的多結(jié)晶硅基板。抽出100塊這樣的多結(jié)晶硅基板進(jìn)行了太陽(yáng)能電池的試生產(chǎn)。太陽(yáng)能電 池試生產(chǎn)過(guò)程中利用氫鈍化技術(shù)可得知100塊多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率平均值為15. 1%。至 此，基于本發(fā)明制造出的硅鑄塊能夠提供高品質(zhì)的太陽(yáng)能電池基板在本實(shí)施例中得到了確 認(rèn)。實(shí)施例2 本裝置1中，不僅采用了兩個(gè)具有不同感應(yīng)頻率的感應(yīng)線圈310、320，還設(shè)置了等 離子炬800，通過(guò)垂直方向絕緣、且內(nèi)部裝有冷卻水循環(huán)的可導(dǎo)電坩堝200與設(shè)置在坩堝 200外圍上的感應(yīng)線圈300相互作用使硅塊S熔解、下降的同時(shí)凝固。使用本裝置1進(jìn)行硅 電磁鑄造時(shí)，步驟如下在本例中，如圖4所示，在可控內(nèi)壓的爐體容器100中設(shè)有坩堝200以及上下安裝 在該坩堝200外圍的感應(yīng)線圈310、320。在坩堝正下方，設(shè)置用于使硅塊S凝固的控制溫度 的控溫爐600以及使石墨臺(tái)400上下移動(dòng)的上下移動(dòng)裝置500，使硅塊S能夠持續(xù)下降。在爐體容器100的上方，設(shè)置有供應(yīng)硅塊S和石墨塊等的原料供給器700。石墨塊 是在硅塊S熔解初期，從上方投入并使之位于與坩堝200內(nèi)的感應(yīng)線圈300的高度相當(dāng)?shù)?位置，感應(yīng)發(fā)熱并輔助硅塊S加熱的。等離子炬800安裝在坩堝200的正上方，用于從上方給熔解硅S’附加加熱。本例中，硅鑄塊S鑄造方向的橫斷面為正方形，邊長(zhǎng)51cm。水平方向的橫斷面為正 方形的坩堝200的內(nèi)邊長(zhǎng)為51cm，外邊長(zhǎng)為57cm。把坩堝200的垂直方向的絕緣分割區(qū)域 數(shù)定為84，被分割為84個(gè)區(qū)域的坩堝200的各區(qū)域的長(zhǎng)度為80cm。加工時(shí)內(nèi)部有冷卻循 環(huán)水，各區(qū)域間插入了電絕緣材料云母。坩堝200內(nèi)部的冷卻水每分鐘流量合計(jì)為700升。兩個(gè)感應(yīng)線圈310、320上下配置。上感應(yīng)線圈310為正方形的2匝，內(nèi)徑58cm， 高15cm，連接在最大輸出功率為550kw的感應(yīng)電源上，感應(yīng)頻率設(shè)定為ΙΟΚΗζ。下感應(yīng)線圈320與上感應(yīng)線圈310形狀相同，連接在最大輸出功率為200kw的感應(yīng)電源上，感應(yīng)頻率設(shè) 定為35KHz。感應(yīng)線圈310、320并列設(shè)置在坩堝200的高度方向的中心位置，兩感應(yīng)線圈 310,320之間設(shè)置有厚3mm的銅制磁屏蔽板330，磁屏蔽板330外周上設(shè)有水管以實(shí)現(xiàn)水冷
卻。為了能從上方給熔解硅S’進(jìn)行附加等離子噴射加熱，以熔解硅S’為陽(yáng)極，將等離 子炬800接上IOOkW的直流電。等離子炬800為直徑IOcm的筒狀，內(nèi)部負(fù)極電極以及炬整 體可以水冷卻，等離子炬800可以上下左右移動(dòng)。本例的操作順序如下所示首先在下降方向上，為了使橫斷面為正方形、邊長(zhǎng)為 51cm的石墨臺(tái)400的上方與下感應(yīng)線圈320的下端位置保持在同一高度，石墨臺(tái)400搭乘 上下移動(dòng)裝置500上升，從下方插入坩堝200中。在石墨臺(tái)400上裝入IlOkg的硅塊S。下降等離子炬800以使其頂端接近放置在石墨臺(tái)上的硅塊S，接著以每分鐘250升 的速度向等離子炬中送入氬氣，將等離子在等離子炬800的陰極與硅塊S的陽(yáng)極之間點(diǎn)燃。 確認(rèn)等離子點(diǎn)燃之后，感應(yīng)線圈310、320開(kāi)始通電。以等離子炬點(diǎn)火和感應(yīng)線圈的通電為開(kāi)端，逐漸增大輸入電力，加速硅塊的熔解。 等離子炬的輸出電流為700安培，輸出電壓一直上升到125V。上線圈310的感應(yīng)頻率為 10kHz，感應(yīng)輸出功率為550kW，端子電壓380V ；下線圈320的感應(yīng)頻率為35kHz，感應(yīng)輸出 功率為200kW，端子負(fù)荷最高電壓為560V。硅塊S升溫、熔解加速，不久，硅塊S就完全熔解。繼續(xù)通過(guò)原料供給器700投入 原料硅直到熔解硅S’的量達(dá)到180kg為止。因?yàn)槭艿降入x子炬800的照射，且坩堝200內(nèi) 被感應(yīng)熔解的熔解硅S’的熔解狀態(tài)穩(wěn)定，在坩堝200的內(nèi)面壁和側(cè)面的電磁力的影響下， 溶解硅S’與冷卻坩堝200處于非接觸狀態(tài)。待硅塊S初步熔解、熔解硅S’保持穩(wěn)定后，將設(shè)置在坩堝200正下方的硅鑄塊控 溫爐600升溫，使之順著硅鑄塊下降方向保持溫度以約35°C /cm遞減。然后，從上方的原料供給器700將大小為Imm到20mm的原料硅顆粒連續(xù)裝入坩堝 200中，并使載著溶解硅S’的上下移動(dòng)裝置500下降，開(kāi)始鑄造。上下移動(dòng)裝置500開(kāi)始下 降，溶解硅S’自下降到下感應(yīng)線圈320下端的位置之后，受到的電磁力逐漸減少，開(kāi)始冷卻 凝固。而此時(shí)，凝固的硅鑄塊的表層由于與下感應(yīng)線圈320在距離上相對(duì)接近，仍然受到下 線圈320的感應(yīng)作用發(fā)紅發(fā)熱，不會(huì)立即冷卻。這樣，在連續(xù)地供給原料硅的同時(shí)，鑄塊連續(xù)地凝固，從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)鑄造。在本 操作例中，鑄造的速度為每分1.7mm，關(guān)于穩(wěn)定鑄造時(shí)的感應(yīng)電源輸出功率，等離子炬為約 80kw，上感應(yīng)線圈310為約350kw，下感應(yīng)線圈320為約150kw。關(guān)于310、320端子電壓，上 線圈310為約250V，下線圈320為約470V。當(dāng)鑄塊全長(zhǎng)達(dá)到200cm時(shí)，鑄造停止。待按照上述順序鑄造的鑄塊冷卻到室溫后，檢測(cè)坩堝200的內(nèi)邊。檢測(cè)結(jié)果完全 沒(méi)有發(fā)生過(guò)電弧放電的痕跡，坩堝200的內(nèi)邊與之前一樣平坦。為了測(cè)試該硅鑄塊的實(shí)際使用性能，將該硅鑄塊制作成了太陽(yáng)能電池用基板，并 且對(duì)使用該太陽(yáng)能電池基板的太陽(yáng)能電池的性能也做了試驗(yàn)。將硅鑄塊加工成斷面為15cm 的正方形、厚200微米的多結(jié)晶硅基板，用于太陽(yáng)能電池進(jìn)行了試生產(chǎn)。太陽(yáng)能電池的試生 產(chǎn)采用了 100塊這樣的基板進(jìn)行，得知100塊多結(jié)晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的平均值為15.2%。 至此，基于本發(fā)明制造出的硅鑄塊能夠提供高品質(zhì)的太陽(yáng)能電池基板在本實(shí)施例中得到了確認(rèn)。本發(fā)明可制造用于太陽(yáng)能電池硅基板的高品質(zhì)硅鑄塊，適用于根據(jù)原料硅感應(yīng)發(fā) 熱而熔解，從而制造硅鑄塊的硅電磁鑄造。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種硅電磁鑄造裝置，包括爐體容器(100)和設(shè)置在爐體容器(100)內(nèi)部的具導(dǎo)電性的坩堝(200)以及安裝在該坩堝(200)外圍的感應(yīng)線圈(300)。所述的爐體容器(100)內(nèi)設(shè)有一定壓力的指定氣體，該硅電磁鑄造裝置中的感應(yīng)線圈(300)通電后，使坩堝(200)內(nèi)的硅感應(yīng)發(fā)熱、熔解，然后凝固。其特征在于所述感應(yīng)線圈(300)由兩個(gè)以上具有不同感應(yīng)頻率的線圈上下配置而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電磁鑄造裝置，其特征在于所述的硅電磁鑄造裝置中的 兩個(gè)以上具有不同感應(yīng)頻率的線圈當(dāng)中，下線圈的感應(yīng)頻率較高。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅電磁鑄造裝置，其特征在于所述的硅電磁鑄造裝置中的 下線圈的感應(yīng)頻率設(shè)置在25 30kHz以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電磁鑄造裝置，其特征在于所述的兩個(gè)以上具有不同感 應(yīng)頻率的上下線圈之間設(shè)置有磁屏蔽板(330)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的硅電磁鑄造裝置，其特征在于所述的各感應(yīng)線 圈的端子負(fù)荷電壓設(shè)置在900V以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅電磁鑄造裝置，其特征在于所述的各感應(yīng)線圈的端子負(fù) 荷電壓設(shè)置在600V以下。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電磁鑄造裝置，其特征在于坩堝(200)上方設(shè)置有等離 子炬，用于對(duì)坩堝(200)內(nèi)部熔解硅的加熱。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種硅電磁鑄造裝置，包括爐體容器和設(shè)置在爐體容器內(nèi)部的具導(dǎo)電性的坩堝以及安裝在該坩堝外圍的感應(yīng)線圈。所述的爐體容器內(nèi)設(shè)有一定壓力的指定氣體，該硅電磁鑄造裝置中的感應(yīng)線圈通電后，使坩堝內(nèi)的硅感應(yīng)發(fā)熱、熔解然后凝固。感應(yīng)線圈由兩個(gè)以上感應(yīng)頻率不同的線圈上下配置而成。本發(fā)明由于采用了兩個(gè)以上的不同感應(yīng)頻率的感應(yīng)線圈，根據(jù)各感應(yīng)線圈上所負(fù)荷的感應(yīng)頻率以及感應(yīng)輸出功率的設(shè)定不同，在將各感應(yīng)頻率的感應(yīng)線圈的端子電壓設(shè)定在指定電壓以下的同時(shí)，通過(guò)各感應(yīng)線圈的組合能產(chǎn)生出很大的合計(jì)輸出功率。采用此發(fā)明所述的硅電磁鑄造裝置，可以利用簡(jiǎn)單、切實(shí)可行的方法生產(chǎn)出具有高品質(zhì)、較大體積的硅鑄塊。
文檔編號(hào)B22D11/049GK101829767SQ20101019704
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者宋明生, 金子恭二郎 申請(qǐng)人:麗達(dá)科技有限公司;金子恭二郎