[发明专利]硅电磁铸造装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造太阳能电池硅基板的硅铸块的硅电磁铸造装置。

背景技术

作为改善全球环境问题的方法之一，太阳能电池目前逐渐普及，资源量丰富且光电转换效率高的硅晶体在太阳能电池中得到广泛应用，而且应用电磁铸造法制造的多结晶硅基板太阳能电池有着广泛的前景。

目前硅电磁制造装置是将原材料硅放置在炉体铜制坩埚容器内，坩埚内部有循环冷却水循环，在坩埚外围设置了感应线圈，原料硅在坩埚内因电磁力漂浮熔解，随着硅块熔解向下结晶，就制造出硅铸块。在由水冷却的坩埚内部，原料硅因电磁力作用漂浮熔解，因此熔解的硅和坩埚内部没有接触，不会受到来自坩埚的不纯物质的污染。同时，由于避免了接触，坩埚基本上不会受到损伤，大大延长了坩埚的使用寿命。

由上可知，硅电磁铸造法可以连续的制造长形的巨大的硅铸块，该工艺效率高，铸造条件稳定，因此硅铸块的品质高、品质均匀，从而使硅电磁铸造法成为工业上一种广泛应用的制造方法。

然而上述的硅电磁铸造法明显存在着下述问题：硅铸块连续的下降凝固结晶，如图1所示，坩埚、熔解硅和硅铸块三者接触界面有微量熔解硅渗入到硅铸块和坩埚间的微小缝隙中。当渗入的溶解硅凝固结晶时，体积膨胀，对硅的内面产生压力，从液体变化到固体时，体积膨胀约9％(这也是硅的特性，和一般金属物理特性相反，凝固时体积膨胀)。

坩埚和硅铸块之间渗入的溶解硅，凝固时体积膨胀对坩埚的内面有一个向外侧的压力，当硅铸块的横断面小的时候，所受的压力不是很大，此力与坩埚的刚性产生的作用力抵消，即使生产继续进行，坩埚也不会因此向外侧变形。随着硅铸块不断的增大，其横断面不断加大时，坩埚内部所受压力就相应地增加，力矩也就增大，当超过了坩埚所能承受的刚性时，坩埚就向外变形，且不再恢复。此时生产的硅铸块也变大，随着铸造继续进行，硅铸块的尺寸也越来越大，坩埚也就越来越向外面弯曲变形，最后导致坩埚的中部尺寸比下部更大，硅铸块被卡住。

例如：当制造方型硅铸块时，对截面是正方形的坩埚而言，硅铸块的断面宽度达到35cm时，坩埚在凝固结晶界面这一高度就会向外侧永久的变形。坩埚的变形随着铸造的进行逐渐的变大，硅铸块的边长也随着扩大，当进行到某时刻时，加工就会被终止。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了克服现有技术的不足，在应用硅电磁铸造法时提供一种防止坩埚变形的硅电磁铸造装置。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明所述的硅电磁铸造装置包括炉体容器和设置在炉体容器内部的具导电性的坩埚以及安装在该坩埚外围的感应线圈。所述的炉体容器内设有一定压力的指定气体，该硅电磁铸造装置中的感应线圈通电后，使坩埚内的硅感应发热、熔解，然后在硅铸造装置内使之凝固。所述坩埚的外周面上嵌有由绝缘材料构成的刚性构造体。当熔解硅渗入到凝固的硅铸块和坩埚间的微小隙缝里时，即使渗入的熔解硅凝固，使体积膨胀对坩埚内面产生压力，此时嵌入在坩埚外周面的刚性构造体就会产生抵抗变形压力的作用，从而防止坩埚变形，保护坩埚，让生产继续稳定的进行。

本发明中，优选地，所述的刚性构造体最好嵌入在熔解硅和凝固的硅铸块交界的凝固界面这一高度。此位置是最容易发生向外变形的凝固界面位置，因此就能够起到防止坩埚变形的作用。

本发明中，优选地，所述的刚性构造体嵌入在内径为35cm以上的坩埚外周面也可以防止坩埚的变形。通过这种方式，在特别是易朝外侧发生变形的相应大小的坩埚上，能够防止坩埚朝外侧的变形。

有益效果：与现有技术相比，采用本发明当遇到熔解硅渗入到凝固的硅铸块和坩埚间的微小隙缝里，并且凝固膨胀而对坩埚内面产生压力时，由于此时嵌入在坩埚外周面的刚性构造体发生作用，抵抗变形压力，因而能防止坩埚朝向外侧的变形，从而保护坩埚，让生产继续进行。

附图说明

图1为渗入坩埚容器和硅铸块之间的熔解硅在凝固结晶时，推算出此时体积膨胀对坩埚产生的朝外侧的张力大小所需的悬臂梁(交叉支架)的模型。

图2为实施例1中相关的硅电磁铸造装置的结构示意图。

图3为嵌入了图2的刚性构造体的方筒状的坩埚容器的侧视图。

图4为实施例2中相关的硅电磁铸造装置的结构示意图。

图5为嵌入了图4的刚性构造体的圆筒状的坩埚容器的侧视图。

符号说明

1      本装置

100    炉体容器

200    坩埚容器

300     感应线圈

310     上方侧的感应线圈

320     下方侧的感应线圈