多晶硅鑄錠爐加熱室的結構設計技術分析

摘 要：多晶硅鑄錠爐的加熱室的結構設計對多晶硅錠的熔鑄，有著重要的作用和意義。加熱室是多晶硅鑄錠爐的重要組成部分，對多晶硅錠的生產過程有著調整作用，需要優化結構設計，提高加熱室的結構設計技術。文章簡述多晶硅鑄錠爐，分析多晶硅鑄錠爐加熱室的結構設計，研究提高多晶硅鑄錠爐加熱室結構設計的影響。

關鍵詞：多晶硅鑄錠爐；加熱室；結構設計；技術分析

1 簡述多晶硅鑄錠爐

1.1 多晶硅鑄錠爐的作用

多晶硅鑄錠爐是進行太陽能工業設計的專用設備，是硅體鑄錠的主要設備，具有高效節能的特點，可以實現硅錠的穩定生產。多晶硅鑄錠爐是太陽能多晶硅錠進行大規模生產的應用設備，利用定向凝固技術，進行硅料高溫熔鑄，實現冷凝結晶，完成太陽能電池生產的要求，屬于長久持續工作，具有高精度和可靠性，是可以實現自動化的生產設備。

1.2 多晶硅鑄錠爐的特點

多晶硅鑄錠爐具有較高的生產效率和產品質量；加熱速度快，工作效率高的優點。應用定向凝固技術和優秀的加熱設備，提供良好的熔鑄條件；提升技術，保證豎直溫度梯度，實現硅體的熔鑄效果，降低了生產成本，減少了熱量損耗，節約了能源。

1.3 多晶硅鑄錠爐的技術

多晶硅鑄錠爐是大型多晶硅鑄造的設備，是通過高溫對硅料進行熔融后利用定向凝固技術，冷凝結晶后形成的晶向一致的硅錠，實現了太陽能電池對硅片生產的品質要求。多晶硅鑄錠爐技術是可以直接制備并適合大規模生產大尺寸硅錠的新型晶體熔鑄技術，投爐料可以是純度較低的硅，對材質沒有非常高的限制，但是卻可以通過一些方法降低晶界和雜質的影響，所以生產成本較低，成為制造太陽能電池硅錠的主要方法。

2 多晶硅鑄錠爐加熱室結構設計

多晶硅的鑄造是在加熱室內，利用澆鑄或者定向凝固的技術，在鑄錠爐中制備晶體硅材料。晶體硅材料生長簡便，進行同時鑄造的時候，相對能耗較小，可以降低材料的生產成本，方便控制，可以直接切成硅片。多晶硅的鑄造技術比硅材料的原容忍度高，受到廣泛的應用， 擠占了單晶硅的市場，成為太陽電池中最具競爭力的材料。

2.1 多晶硅鑄錠爐的工作原理

多晶硅鑄錠爐的工作原理，先在有涂層的坩堝內放入多晶硅材料，放在定向的凝固塊上，然后關閉爐膛進行真空抽取，開始對多晶硅材料進行加熱，在材料完全熔化后，逐漸提升隔熱籠，應用定向凝固技術，把硅體材料結晶過程中釋放的熱量轉移到對下爐腔內壁的輻射，形成硅料的豎直溫度梯度。溫度梯度可以從底部開始坩堝內的硅液凝固，實現從熔體底部向頂部生長的過程。多晶硅材料凝固之后，進行硅錠退火和冷卻，最后出爐，完成整個多晶硅鑄錠的過程。

2.2 多晶硅鑄錠爐的加熱方式

多晶硅鑄錠爐的加熱目的是調整溫度，進行硅體材料的熔鑄，所以在進行多晶硅鑄錠的過程中，一定要采用合適的方法。根據加熱后的效果可以應用感應加熱和輻射加熱完成所需溫度的調整，實現加熱的目的。

2.2.1 感應加熱

感應加熱是在多晶硅鑄錠的加熱過程中，通過硅體感應進行加熱，調整溫度，完成熔鑄過程的方法。但是，因為進行加熱的時候，因為磁場一直貫穿硅體材料，所以溫度梯度在硅體材料的穩定形成具有一定的難度，會對晶體生產的一致性造成破壞。

2.2.2 輻射加熱

輻射加熱的方法是通過輻射對硅體材料進行加熱，實現熔鑄效果的方法。在多晶硅的熔鑄過程中，應用輻射加熱的方法進行溫度調整，可以精確的控制硅體材料結晶過程中的熱量傳遞，有利于坩堝內部豎直溫度梯度的形成，所以通常的多晶體鑄錠過程中的加熱都是應用輻射加熱的方式，對硅體材料的溫度進行調節。

2.3 多晶硅鑄錠爐的加熱設計

多晶硅鑄錠爐的加熱室被稱為多晶硅鑄錠爐的“心臟”，包括石墨加熱器、隔熱層、坩堝和硅料等，是多晶硅鑄造過程中必不可少的設備。加熱室可以對多晶硅鑄錠過程中的熔鑄進行調整，保證多晶硅豎直溫度梯度形成的真實完整。因此，多晶硅鑄錠爐的加熱室設計結構非常重要。

多晶硅鑄錠爐中加熱器的加熱能力，一般都要求必須超過1650℃，保證加熱器的材料不會與硅體材料發生反應，不會造成硅體材料的污染，可以在真空和惰性氣體環境中長期使用。符合多晶硅鑄錠爐加熱器要求的有金屬鎢、鉬和非金屬石墨等。但是因為鎢和鉬的價格較貴，而且加工比較困難，所以通常對多晶硅鑄錠爐內加熱器的選擇是具有廣泛來源，便于加工的石墨。石墨還具有較小的熱慣性，可以快速加熱，而且抵抗高溫和熱沖擊的性能較好，輻射范圍較大，加熱的工作效率較好，基本性能相對穩定，是多晶硅鑄錠加熱室內加熱器的最好選擇。

2.4 多晶硅鑄錠爐加熱室隔熱材料的設計

在多晶硅鑄錠的熔鑄過程中，為了提高多晶硅鑄錠的生產工作效率，要求盡可能的加快設備的升溫速度，對真空進行抽取，最大限度的減少加熱爐內的材料放氣量，縮短硅體材料的真空排氣時間。因為形成硅體材料的溫度梯度，需要隔熱層的精確度來提升，所以隔熱層的質量很重要，要盡可能的減輕，避免因為升降時的慣性，造成對控制精度的不良影響。

對隔熱材料進行選擇，一定要具備耐高溫、導熱小、隔熱效果好、蓄熱量少、重量輕和密度低等特點，通過對不同隔熱材料的分析和研究，進行不斷的試驗，最終采用最合適的高純碳氈作為多晶硅鑄錠爐加熱室的隔熱材料。一般的多晶硅鑄錠爐加熱室中高純碳氈隔熱材料的厚度值為90mm，利用方形的不銹鋼籠作為隔熱層組件，進行固定和支撐。

3 提高加熱室結構設計技術的措施

3.1 降低硅錠的雜質，提高質量

多晶硅錠中的雜質主要是原材料、真空中的油脂或者密封材料中發揮的碳化物和加熱器、隔熱材料等的設備反應產物造成的。除了原硅體材料中的雜質，多晶硅的污染是受到真空和設備的影響從硅錠頂部進入的，在硅液中的分凝系數為0.08，增加了原材料雜質的凝聚，在硅錠表面呈現。提高硅錠爐內加熱室的結構設計，可以對真空和設備雜質進行控制，降低了硅錠的雜質，提高了硅錠的生產質量。

3.2 提高減壓技術，促進生產

減壓技術主要是對真空的壓力進行控制，排除加熱爐內硅體的空氣和水分，在熔鑄和結晶過程中，調節爐內真空壓力、流量和流向，對硅體雜質進行蒸發，控制雜質的沉積、凝集和飄落，提高硅體質量，促進多晶硅的鑄錠生產。

3.3 對加熱爐優化，控制溫度

提高多晶硅鑄錠爐加熱室的結構設計技術，可以對加熱爐進行優化，發揮加熱設備的優勢功能，控制多晶硅的鑄錠溫度，保證硅錠的生產質量，提高熔鑄過程的工作效率，促進生產，增長經濟效益。

對加熱爐進行優化，可以在多晶硅鑄錠爐的定向凝固過程中，對熱傳輸和減壓工藝進行分析研究，完善加熱室的結構設計，對加熱器進行優化，確定加熱器的材料，良好的控制鑄錠爐內的溫度，提高加熱技術水平，才能促進企業的發展。

4 結束語

我國太陽能電池的發展，需要對多晶硅的鑄錠過程和質量進行嚴格把關。對多晶硅鑄錠爐內的加熱器結構設計技術進行分析，提高技術發展水平，才能促進多晶硅鑄錠工作的發展，提高企業經濟效益。

參考文獻

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