專利名稱：硅電磁鑄造裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于制造太陽能電池硅基板的硅鑄塊的硅電磁鑄造裝置。
背景技術：
作為改善全球環境問題的方法之一，太陽能電池目前逐漸普及，資源量豐富且光電轉換效率高的硅晶體在太陽能電池中得到廣泛應用，其中應用電磁鑄造法制造的多結晶 硅基板太陽能電池的產量也在增加。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、內部裝有冷卻 水循環系統的銅制坩堝200和設置在坩堝外圍的感應線圈300’組成。將硅塊S放置在坩 堝200內，因電磁力作用漂浮熔解，隨著硅塊高度的持續下降，硅塊向下結晶，就制造出硅 鑄塊。在由水冷卻的坩堝200內部，硅塊S因電磁力作用漂浮熔解，因此熔解硅S’和坩堝 200內部沒有接觸，不會受到來自坩堝的不純物質的污染。同時，由于避免了接觸，坩堝200 也不會受到損傷，從而大大延長了坩堝的使用壽命。由上可知，硅電磁鑄造法可以連續地制造長形、較大體積的硅鑄塊，該工藝效率 高，鑄造條件穩定，因此硅鑄塊的品質高且質地均勻，從而使硅電磁鑄造法成為工業上一種 廣泛應用的制造方法。然而上述硅電磁鑄造法存在著下述問題如果為了提高生產效率，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，銅制坩堝200以 及感應線圈300’的體積都要增大。從而導致感應線圈300’的通電量增大，在保持同一感應 頻率的情形下，為了供給增加的所需電量，感應線圈300’的端子電壓也會增大。例如，邊長 為20cm的硅塊S在感應線圈300’為2匝的情況下，為了保持35kHz的感應頻率來進行感 應熔解，輸出功率需達到250kW，感應線圈300，的端子電壓需達到550V ；然而，邊長為35cm 的硅塊S在感應線圈300’同樣為2匝的情況下，為了保持35kHz的感應頻率來進行感應熔 解，輸出功率需達到450kW，感應線圈300，的端子電壓需達到1000V。由此，也產生了相應的問題。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中會充滿1個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用， 但是從經濟的角度考慮，通常使用氬氣。然而，由于氬氣的電離電壓很低，當充滿了氬氣的 爐體容器100內部的導電體通電時，容易在導電體之間產生電弧放電現象。通常情況下，當 感應熔解工業設備內部存在1個大氣壓以下的氬氣時，在貼得很近的正對的導電體之間輸 入600V以上的電壓就會產生電弧放電。隨著電壓的增高，電弧放電現象會愈加劇烈，產生 放電的導電體會熔解并汽化。在電磁鑄造裝置中，當感應輸出功率增加時，感應線圈300’的端子電壓增高，電流 增大，輸出功率增大。感應線圈300’的端子負荷電壓使感應線圈上產生電流，由于電磁感 應作用，使已經冷卻的坩堝200的表層產生電壓以及電流；同樣由于電磁感應作用，使置于 銅制坩堝200內部的硅塊S的表層產生電壓。也就是說，在制造上述邊長為35cm的硅鑄塊的情形下，感應線圈300’的端子電壓要增高，由于電磁感應作用，坩堝200以及熔解硅S’的表層電壓也會增高。如圖6所示，相 對的坩堝200的表層和熔解硅S’的表層之間會產生電弧放電A，水冷卻之后的坩堝200會 由于電弧放電A產生的熱量熔解并且汽化從而在坩堝上造成深槽，久而久之，侵蝕會越來
越嚴重。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’當中，降低了硅鑄塊的純度以及具有半導體性能的少數載體的擴散性，從而降低了太陽能 電池的光電轉換效率。與此同時，坩堝200由于電弧放電A引起的表層侵蝕越來越嚴重，隨著平坦的表層 上深槽的范圍越來越大，在表面的微小區域內，正常的電磁作用會受到阻礙，從而造成電磁 鑄造過程當中的熔解、凝固異常現象。久而久之，甚至會造成鑄造過程的中斷。
發明內容
發明目的本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種能夠采用簡單、切 實可行的方法制造出高品質的硅鑄塊的硅電磁鑄造裝置。技術方案為了解決上述技術問題，本發明所述的硅電磁鑄造裝置包括爐體容器 和設置在爐體容器內部的具導電性的坩堝以及安裝在該坩堝外圍的感應線圈。所述的爐體 容器內設有一定壓力的指定氣體，該硅電磁鑄造裝置中的感應線圈通電后，使坩堝內的硅 感應發熱、熔解，然后在硅電池鑄造裝置內使之凝固。所述感應線圈由兩個以上具有不同感 應頻率的線圈上下配置而成。采用兩個以上的不同感應頻率的感應線圈，根據各感應線圈 上所負荷的感應頻率以及感應輸出功率的設定不同，在將不同感應頻率的感應線圈的端子 電壓設置在指定電壓以下(例如900V以下，600V以下更好)的同時，通過各感應線圈的組 合也能產生出很大的合成感應輸出功率。其中，優選地，在上述兩種以上不同感應頻率的感應線圈之中，最好是下線圈的感 應頻率較高。由此，感應頻率的設定為制造出高品質的硅鑄塊提供了必要條件，也就是說， 下線圈的感應頻率應設定為既能夠抑制熔解硅的攪拌、也能使固體鑄塊發熱的必要高頻率 感應輸出功率；上線圈由于離凝固界面較遠，感應頻率的效果難以影響到凝固界面，在抑制 坩堝內部電弧放電的同時，能夠有效增加各感應線圈的合成輸出功率。其中，優選地，上述下線圈的感應頻率最好設置在25 30kHz以上，從而，能夠有 效增加下方高頻率感應線圈抑制熔解硅攪拌、致使固體鑄塊發熱的必要高頻率感應輸出功 率。在上述兩種以上的不同頻率的感應線圈之間，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，優選地，各感應線圈的端子負荷電壓最好設置在900V以下，這樣由于感應 效率的關系，熔解硅表層電壓可以控制在600V以下。其中，進一步優選地，各感應線圈的端子負荷電壓如果能設置在600V以下更佳， 這樣熔解硅表層電壓就一定在600V以下。其中，優選地，在上述坩堝上方設置等離子炬，用于對坩堝內部熔解硅的加熱，這 樣可以有效地對坩堝內的硅塊提供使之熔解的熱量。有益效果與現有技術相比，本發明由于采用了兩個以上的不同感應頻率的感應 線圈，根據各感應線圈上所負荷的感應頻率以及感應輸出功率的設定不同，在將各感應頻率的感應線圈的端子電壓設定在指定電壓以下(例如900V以下，600V以下更好)的同時， 通過各感應線圈的組合能產生出很大的合成輸出功率。采用此發明所述的硅電磁鑄造裝 置，使利用簡單、切實可行的方法生產出具有高品質、較大體積的硅鑄塊成為可能。
圖1為與第一實施形態相關的該裝置的構成概略圖。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為與第二實施形態相關的該裝置的主體部分放大圖。圖5為現階段該裝置的構成概略圖。圖6為現階段該裝置中產生電弧放電現象的狀態圖。符號說明
1本裝置
100爐體容器
200坩堝容器
300感應線圈
310上方側的感應線圈
320下方側的感應線圈
330磁屏蔽板
400石墨臺
500上下移動裝置
600控溫爐
700原料供給器
具體實施例方式下面參照圖1至圖3，對本發明的第一實施形態進行說明。[實施形態1]<整體構成>圖1是與本發明的第一實施形態相關的硅電磁鑄造裝置(以下稱為本裝置1)的 構成概略圖。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內部的坩堝200、設置在坩堝200外 周的感應線圈300、放置硅塊S的石墨臺400、使石墨臺400上下移動的上下移動裝置500、 控制熔解硅S’凝固結晶的控溫爐600以及坩堝200上方的原料供給器700這些部分構成。 構成各部分的材料，除了感應線圈之外，均與現階段該裝置的構成所需材料相同。關于硅，加熱前的狀態稱之為“硅塊S”，加熱熔解后的狀態稱之為“熔解硅S’ ”，冷 卻后的凝固狀態稱為“硅鑄塊”。<爐體容器的構成>上述爐體容器100是指將坩堝200和感應線圈300等囊括在內的密閉容器。爐體容器100的上部有送氣口 110，下部有排氣口 120。鑄造時，使用真空泵(圖示略)使爐體容器100內氣壓減壓到0. 1托之后，從送氣口 110送入指定的氣體(例如氬 氣)，使之達到大氣壓的水平。此外，爐體容器100的底壁130上穿設有插通孔130a，上述的上下移動裝置500便 插通在這里。為了使爐體容器100成為密封容器，該插通孔130a上最好采用橡膠等成分構 成的密封材料140。〈坩堝的構成〉上述坩堝容器200是銅制品，坩堝內部設有冷卻循環水冷卻坩堝側壁。另外，如圖3所示，因為坩堝200在圓周方向對電絕緣，從而圓周被分割為多個區 域，最好在坩堝200的圓周被分割的各區域間插入云母等對電絕緣的材料。〈感應線圈的構成〉上述感應線圈300通電后，置于上述坩堝200內部的硅塊S便感應發熱熔解。感 應線圈300由兩個感應頻率不同的感應線圈310、320上下裝置而成。上述兩個不同頻率的 感應線圈310和320之間，設有阻斷相互磁作用的磁屏蔽板330。各感應線圈310、320的端子負載電壓最好在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 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 中，意即，感應功率為60 65%。據此，感應線圈310、320端子負載電壓為900V時，熔解 硅S’表層電壓為600V左右。又如上所述，當電磁鑄造裝置內部存在1個大氣壓以下的氬 氣時，在貼得很近的相對的導電體之間輸入600V以上的電壓就會產生電弧放電。因此，為 了完全抑制感應熔解時的電弧放電現象，感應線圈端子電壓最好設置在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象的話，感應線圈端子 電壓設置在900V亦可。另外，下感應線圈320的頻率較高為好，且這個高頻率最好在25 30kHz以上，理 由如下通常，基于電磁感應作用產生的熔解硅S’在加熱時，熔解硅S’的表層相當于磁力 滲透深度的范圍內，由于磁通量密度和電流密度的關系，會對熔解硅S’產生向內的推力，由 于這個推力的影響，熔解硅S’在浮游熔解的同時，也在進行攪拌。相對而言，低頻率周圍的 攪拌力度大使得熔解硅S’能夠得到充分攪拌，高頻率周圍攪拌作用逐漸減小，直到維持在 相對靜止的熔解狀態。熔解硅S’表層相當于磁力滲透深度的區域，在低頻率周圍，電流能夠通過的表層 深度增大，由表及里很深范圍很大的一個區域會被加熱。而在高頻率周圍，電流能夠通過的 表層深度減小，表層被加熱的區域范圍亦減少。因此，在施加了相同的感應加熱量的情況 下，對于低頻率周圍的表層范圍很大的加熱區域中，單位體積的加熱強度相對較小，而對于 高頻率周圍的表層較小的加熱區域中，單位體積的加熱強度相對較大，因此，使用高頻率可 以對表層進行強制加熱。至于感應線圈的感應頻率的選定，應以25 30kHz為界，低頻率周圍的熔解硅S’ 攪拌強度大，促進了熔解硅S’的對流熱移動，為了向凝固界面導熱，凝固界面向下方擴張加 深。隨著凝固界面的加深，硅凝固也在照常進行，凝固的硅鑄塊內部與表層產生溫差，鑄塊內部產生應力。
因為低頻率周圍的鑄塊表層的加熱強度低，一旦對鑄塊表層的溫度維持不充分， 就很容易冷卻下來，表層與內部溫差增大。也就是說，在低頻率周圍，由于對熔解硅S’較強 的攪拌作用以及對凝固固體鑄塊表層較弱的加熱強度，凝固界面加深。擴張到下方的凝固 界面增大了凝固硅鑄塊的內部應力，產生結晶，結果減弱了少數載體的擴散性，降低了多結 晶硅半導體的品質。另一方面，在25 30kHz以上的高頻率周圍，熔解硅S’攪拌強度弱，能夠維持在 一個相對靜止的熔解狀態，與凝固界面的對流熱移動少，凝固界面難以向下方擴張，形成較 淺的凝固界面。同時，凝固了的硅鑄塊表層由于高頻率的緣故，加熱強度高，表面不易冷卻， 鑄塊內部與表面溫差很小。就這樣，硅鑄塊在高頻率周圍，凝固界面不會向下方擴張，形成 較淺的凝固界面，鑄塊內部與表面溫差很小，內部應力的產生率低。由此，鑄塊中不易產生 結晶，能夠增強多結晶硅半導體中少數載體的擴散性，提高太陽能電池的品質。因此，硅電磁鑄造法中，要使硅鑄塊的體積增大，提高生產效率，就有必要增大感 應輸出功率，尤其是將下感應線圈的頻率設置為高頻率為佳。如果想讓作為太陽能電池的 半導體的品質超群的話，最好將感應頻率設置為25 30kHz以上。〈其他部件的構成〉上述溫控爐600，可以緩慢地冷卻熔解硅S’，并使其凝固。一般來說，通過從上到 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400是由石墨構成的臺座。鑄造硅時，由上下移動裝置500將石墨臺 400移動到與下感應線圈相當的高度之后，將裝入的硅塊S放置在石墨臺上。然后，上下移 動裝置沿著爐體容器100內的中心線下降，溶解硅S’在下降的同時逐漸凝固。上述上下移動裝置500可以使石墨臺400沿著爐體容器100的中心線上下移動。 與其他的驅動裝置(圖示略)相比，這樣上下的移動更適合鑄造條件。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。首先裝入規定重量的硅塊S之后，再在硅塊之上裝入石墨塊。石墨塊是用來輔助原 料硅發熱的。感應線圈通電后，首先是石墨塊發熱升溫，然后下方的硅塊S受到石墨的輻射 熱的影響升溫。當硅塊S的溫度上升到一定溫度之后，電阻值下降，感應電流增加，開始自 己發熱。當硅塊S開始自己發熱的同時，上方的石墨塊將會從坩堝200的上方抽出。本實施形態中的感應線圈300是由上下兩個線圈310、320構成，使用3個以上的 線圈構成亦可。下面參照圖4對本發明的第二實施形態進行說明。[實施形態2]圖4是與本實施形態有關的本裝置的主體部分放大圖。本實施形態中，在爐體容器100內部、坩堝200的上方設置了等離子炬800。等離 子炬800在對硅進行鑄造時用于加速加熱。例如直徑為IOcm的筒狀的等離子炬，內部負極 電極以及炬整體可以水冷卻，可以上下左右移動。鑄造時，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’的陽極之間點燃。然后，通過逐漸增 加感應線圈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均與第一實施形態(圖1至圖3)相同，這里不再贅述。實施例1 本裝置1中，采用了兩個具有不同感應頻率的感應線圈310、320，通過垂直方向絕 緣、且內部裝有冷卻水循環的導電坩堝200與設置在坩堝200外圍上的感應線圈300相互 作用使硅塊S熔解、下降的同時凝固。使用本裝置1進行硅電磁鑄造時，步驟如下在本例中，如圖1所示，在可控內壓的爐體容器100中設有坩堝200以及上下安裝 在該坩堝200外圍的感應線圈310、320。在坩堝正下方，設置用于使硅塊S凝固的控制溫度 的控溫爐600以及使石墨臺400上下移動的上下移動裝置500，使硅塊S能夠持續下降。在爐體容器100的上方，設置有供應硅塊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內的感應線圈300的高度相當的 位置，感應發熱并輔助硅塊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35cm ；水平方向的橫斷面為正 方形的坩堝200的內邊長為35cm，外邊長為41. 6cm。把坩堝200的垂直方向的絕緣分割區 域數定為60，被分割為60個區域的坩堝200的各區域的長度為70cm。加工時內部有冷卻 循環水，各區域間插入了電絕緣材料云母。坩堝200內部的冷卻水每分鐘流量合計為500升。另外，兩個感應線圈310、320上下配置。上感應線圈310為正方形的2匝，內徑 42. 6cm，高15cm，連接在最大輸出功率為350kw的感應電源上，感應頻率設定為ΙΟΚΗζ。下 感應線圈320與上感應線圈310形狀相同，連接在最大輸出功率為150kw的感應電源上，感 應頻率設定為35KHz。感應線圈310、320并列設置在坩堝200的高度方向的中心位置，兩感 應線圈310、320之間設置有厚3mm的銅制磁屏蔽板330，磁屏蔽板330外周上設有水管以實 現水冷卻。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、邊長為 35cm的石墨臺400的上方與下感應線圈320的下端位置保持在同一高度，石墨臺400搭乘 上下移動裝置500上升，從下方插入坩堝200中。在石墨臺400上裝入50kg的硅塊S，在硅 塊S上方2cm處，把邊長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，使爐體容器 100內氣壓到達大氣壓。然后，把頻率為IOKHz的上感應線圈310的感應輸出功率逐步增加 到200kw，頻率為35KHz的下感應線圈320的感應輸出功率逐步增加到lOOkw。在上述情形 下，上感應線圈310的端子電壓為170V，下感應線圈320的端子電壓為280V。就這樣，將兩個感應線圈310、320通電后，首先插在硅塊S上方的石墨塊就會感應 發熱、升溫并變紅。在變紅的石墨塊的輻射熱量的作用下，硅塊S開始升溫。當硅塊S的溫 度達到500°C時，電阻值會下降，感應電流增加，開始自己發熱。硅塊S自己開始發熱的同 時，上述石墨塊就被從冷卻坩堝200上方抽出。然后，將上感應線圈310的感應輸出功率增至350kw，下感應線圈320的感應輸出 功率增至150kw，以加速原料硅的熔解。已開始自己發熱的硅塊S進一步升溫，不一會就完 全熔解。在坩堝200的內面壁和側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。在上述感應輸出功率增大的情形中，上感應線圈310的最大端子電壓為280V，下感應線圈320的最大端子電壓為490V。待初次裝入的原料硅完全熔解、保持穩定后，將設置在坩堝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，通過上方的原料供給器700，將大小為Imm到20mm的原料硅顆粒連續裝入坩 堝200中，并使載著溶解硅S’的上下移動裝置500下降，開始鑄造。上下移動裝置500開 始下降后，溶解硅S’自下降到下感應線圈320下端的位置之后，受到的電磁力逐漸減少，開 始冷卻凝固。而此時，凝固的硅鑄塊的表層由于與下感應線圈320在距離上相對接近，仍然 受到下線圈320的感應作用發紅發熱，不會立即冷卻。就這樣，在連續供給原料硅的同時，鑄塊連續地凝固，從而實現了連續鑄造。在本 操作例中，鑄造的速度為每分2. 0mm。關于穩定鑄造時的感應電源輸出功率，上感應線圈 310為約260kw，下感應線圈320為約80kw。關于310、320端子電壓，上線圈310為約200V， 下線圈320為約250V。當鑄塊全長達到200cm時，鑄造停止。待按照上述順序鑄造的鑄塊冷卻到室溫后，從爐內取出，檢測坩堝200的內邊。檢 測結果完全沒有發生過電弧放電的痕跡，坩堝200的內邊與之前一樣平坦。為了測試該硅鑄塊的實際使用性能，將該硅鑄塊制作成了太陽能電池用基板，并 且對使用該太陽能電池基板的太陽能電池的性能也做了試驗。首先用金剛石切割機切下橫 截面為邊長15cm的正方形、長40cm的硅鑄塊，然后采用電鋸切片法將它加工成厚200微米 的多結晶硅基板。抽出100塊這樣的多結晶硅基板進行了太陽能電池的試生產。太陽能電 池試生產過程中利用氫鈍化技術可得知100塊多晶硅電池轉換效率平均值為15. 1%。至 此，基于本發明制造出的硅鑄塊能夠提供高品質的太陽能電池基板在本實施例中得到了確 認。實施例2 本裝置1中，不僅采用了兩個具有不同感應頻率的感應線圈310、320，還設置了等 離子炬800，通過垂直方向絕緣、且內部裝有冷卻水循環的可導電坩堝200與設置在坩堝 200外圍上的感應線圈300相互作用使硅塊S熔解、下降的同時凝固。使用本裝置1進行硅 電磁鑄造時，步驟如下在本例中，如圖4所示，在可控內壓的爐體容器100中設有坩堝200以及上下安裝 在該坩堝200外圍的感應線圈310、320。在坩堝正下方，設置用于使硅塊S凝固的控制溫度 的控溫爐600以及使石墨臺400上下移動的上下移動裝置500，使硅塊S能夠持續下降。在爐體容器100的上方，設置有供應硅塊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內的感應線圈300的高度相當的 位置，感應發熱并輔助硅塊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51cm。水平方向的橫斷面為正 方形的坩堝200的內邊長為51cm，外邊長為57cm。把坩堝200的垂直方向的絕緣分割區域 數定為84，被分割為84個區域的坩堝200的各區域的長度為80cm。加工時內部有冷卻循 環水，各區域間插入了電絕緣材料云母。坩堝200內部的冷卻水每分鐘流量合計為700升。兩個感應線圈310、320上下配置。上感應線圈310為正方形的2匝，內徑58cm， 高15cm，連接在最大輸出功率為550kw的感應電源上，感應頻率設定為ΙΟΚΗζ。下感應線圈320與上感應線圈310形狀相同，連接在最大輸出功率為200kw的感應電源上，感應頻率設 定為35KHz。感應線圈310、320并列設置在坩堝200的高度方向的中心位置，兩感應線圈 310,320之間設置有厚3mm的銅制磁屏蔽板330，磁屏蔽板330外周上設有水管以實現水冷
卻。為了能從上方給熔解硅S’進行附加等離子噴射加熱，以熔解硅S’為陽極，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，內部負極電極以及炬整 體可以水冷卻，等離子炬800可以上下左右移動。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、邊長為 51cm的石墨臺400的上方與下感應線圈320的下端位置保持在同一高度，石墨臺400搭乘 上下移動裝置500上升，從下方插入坩堝200中。在石墨臺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的陽極之間點燃。 確認等離子點燃之后，感應線圈310、320開始通電。以等離子炬點火和感應線圈的通電為開端，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的感應頻率為 10kHz，感應輸出功率為550kW，端子電壓380V ；下線圈320的感應頻率為35kHz，感應輸出 功率為200kW，端子負荷最高電壓為560V。硅塊S升溫、熔解加速，不久，硅塊S就完全熔解。繼續通過原料供給器700投入 原料硅直到熔解硅S’的量達到180kg為止。因為受到等離子炬800的照射，且坩堝200內 被感應熔解的熔解硅S’的熔解狀態穩定，在坩堝200的內面壁和側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。待硅塊S初步熔解、熔解硅S’保持穩定后，將設置在坩堝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的原料硅顆粒連續裝入坩堝 200中，并使載著溶解硅S’的上下移動裝置500下降，開始鑄造。上下移動裝置500開始下 降，溶解硅S’自下降到下感應線圈320下端的位置之后，受到的電磁力逐漸減少，開始冷卻 凝固。而此時，凝固的硅鑄塊的表層由于與下感應線圈320在距離上相對接近，仍然受到下 線圈320的感應作用發紅發熱，不會立即冷卻。這樣，在連續地供給原料硅的同時，鑄塊連續地凝固，從而實現了連續鑄造。在本 操作例中，鑄造的速度為每分1.7mm，關于穩定鑄造時的感應電源輸出功率，等離子炬為約 80kw，上感應線圈310為約350kw，下感應線圈320為約150kw。關于310、320端子電壓，上 線圈310為約250V，下線圈320為約470V。當鑄塊全長達到200cm時，鑄造停止。待按照上述順序鑄造的鑄塊冷卻到室溫后，檢測坩堝200的內邊。檢測結果完全 沒有發生過電弧放電的痕跡，坩堝200的內邊與之前一樣平坦。為了測試該硅鑄塊的實際使用性能，將該硅鑄塊制作成了太陽能電池用基板，并 且對使用該太陽能電池基板的太陽能電池的性能也做了試驗。將硅鑄塊加工成斷面為15cm 的正方形、厚200微米的多結晶硅基板，用于太陽能電池進行了試生產。太陽能電池的試生 產采用了 100塊這樣的基板進行，得知100塊多結晶硅電池轉換效率的平均值為15.2%。 至此，基于本發明制造出的硅鑄塊能夠提供高品質的太陽能電池基板在本實施例中得到了確認。本發明可制造用于太陽能電池硅基板的高品質硅鑄塊，適用于根據原料硅感應發 熱而熔解，從而制造硅鑄塊的硅電磁鑄造。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
權利要求
一種硅電磁鑄造裝置，包括爐體容器(100)和設置在爐體容器(100)內部的具導電性的坩堝(200)以及安裝在該坩堝(200)外圍的感應線圈(300)。所述的爐體容器(100)內設有一定壓力的指定氣體，該硅電磁鑄造裝置中的感應線圈(300)通電后，使坩堝(200)內的硅感應發熱、熔解，然后凝固。其特征在于所述感應線圈(300)由兩個以上具有不同感應頻率的線圈上下配置而成。
2.根據權利要求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 兩個以上具有不同感應頻率的線圈當中，下線圈的感應頻率較高。
3.根據權利要求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 下線圈的感應頻率設置在25 30kHz以上。
4.根據權利要求1所述的硅電磁鑄造裝置，其特征在于所述的兩個以上具有不同感 應頻率的上下線圈之間設置有磁屏蔽板(330)。
5.根據權利要求1至4任一項所述的硅電磁鑄造裝置，其特征在于所述的各感應線 圈的端子負荷電壓設置在900V以下。
6.根據權利要求5所述的硅電磁鑄造裝置，其特征在于所述的各感應線圈的端子負 荷電壓設置在600V以下。
7.根據權利要求1所述的硅電磁鑄造裝置，其特征在于坩堝(200)上方設置有等離 子炬，用于對坩堝(200)內部熔解硅的加熱。
全文摘要
本發明公開了一種硅電磁鑄造裝置，包括爐體容器和設置在爐體容器內部的具導電性的坩堝以及安裝在該坩堝外圍的感應線圈。所述的爐體容器內設有一定壓力的指定氣體，該硅電磁鑄造裝置中的感應線圈通電后，使坩堝內的硅感應發熱、熔解然后凝固。感應線圈由兩個以上感應頻率不同的線圈上下配置而成。本發明由于采用了兩個以上的不同感應頻率的感應線圈，根據各感應線圈上所負荷的感應頻率以及感應輸出功率的設定不同，在將各感應頻率的感應線圈的端子電壓設定在指定電壓以下的同時，通過各感應線圈的組合能產生出很大的合計輸出功率。采用此發明所述的硅電磁鑄造裝置，可以利用簡單、切實可行的方法生產出具有高品質、較大體積的硅鑄塊。
文檔編號B22D11/049GK101829767SQ20101019704
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月26日 優先權日2010年5月26日
發明者宋明生, 金子恭二郎 申請人:麗達科技有限公司;金子恭二郎