用于提高投料量的多晶铸锭炉热场改造及工艺研究
多晶硅铸锭炉加热器的优化及其热场模拟
多晶硅铸锭炉加热器的优化及其热场模拟吴波;刘传生;王伟杨;金浩;肖贵云【摘要】以美国GT Solar公司DSSTM450型多晶硅铸锭炉为模型,提出了一种新的加热器优化设计方案.通过建立热力学三维模型,利用数值模拟的方法,对加热器优化前后铸锭炉内部的热场分布进行仿真,发现优化加热器对边缘区域的中间部分的温度有较好的补偿作用,在一定程度上改善了热场分布的均匀性;与未优化情况相比,热场分布的等温线更加平直,曲率更小;在同样的加热功率条件下,晶体硅可以被加热到更高的温度,优化后的加热器具有更高的加热效率.【期刊名称】《江西科学》【年(卷),期】2017(035)001【总页数】6页(P140-145)【关键词】多晶硅铸锭;加热器优化;热场;数值模拟【作者】吴波;刘传生;王伟杨;金浩;肖贵云【作者单位】上饶师范学院,334001,江西,上饶;江西省塑料制备成型重点实验室,334001,江西,上饶;理想能源设备(上海)有限公司,201203,上海;上饶师范学院,334001,江西,上饶;江西省塑料制备成型重点实验室,334001,江西,上饶;晶科能源有限公司,334199,江西,上饶;晶科能源有限公司,334199,江西,上饶【正文语种】中文【中图分类】TG249.7;TK124多晶硅太阳电池生产成本低，而效率只略低于单晶硅太阳电池，所以多晶硅太阳电池的市场占有率已超过单晶硅太阳电池[1]。
加热器是多晶硅铸锭炉的最重要的部件之一，它的尺寸、形状及功率设计对热场分布有重要影响，直接关系到多晶硅铸锭的质量。
戴鑫等通过数值模拟的方法，分析了加热器尺寸和位置对多晶硅晶体生长过程中的温度分布和固液界面的影响，发现采用顶-侧加热器相比单独的顶加热器或侧加热器拥有更佳的热效率和固液界面[2]；陈国红等对加热器的电功率设计、表面热功率负荷以及电学参数和热应力参数等进行了理论计算[3]；娄中士等利用数值模拟方法研究了移动加于侧加热器与散热器之间的隔热环与底部喷射氩气冷却时温度分布及晶体生长过程，得到了更加均匀的温度分布和更高的晶体生长速率[4]；罗玉峰、张志强等都对晶体生长过程中的热场分布进行了深入研究，提出了许多优化热场的方案[5-7]。
多晶硅铸锭炉热场
多晶硅铸锭炉热场多晶硅铸锭炉是用于生产太阳能电池等光伏产品的关键设备之一。
在多晶硅铸锭炉的生产过程中，热场是一个非常重要的因素，它直接影响到多晶硅铸锭的质量和产量。
一、多晶硅铸锭炉的热场特点多晶硅铸锭炉是通过将硅料加热熔化，然后逐渐冷却结晶形成多晶硅铸锭。
在这个过程中，热场起到了至关重要的作用。
多晶硅铸锭炉的热场特点主要包括以下几个方面：1. 温度分布不均匀：由于加热方式和冷却方式的限制，多晶硅铸锭炉中的温度分布通常是不均匀的。
在炉内，温度通常从底部到顶部逐渐升高，且在炉体周围边缘温度较低。
2. 温度梯度大：多晶硅铸锭炉中存在较大的温度梯度。
在硅料熔化过程中，炉内上部的温度较高，而下部的温度较低。
这种温度梯度对于形成多晶硅铸锭的晶体结构具有重要影响。
3. 热流动不稳定：多晶硅铸锭炉内的热流动通常是不稳定的。
由于炉内温度分布的不均匀性和炉体结构的复杂性，热流动会受到多种因素的影响，如辐射传热、对流传热等。
二、多晶硅铸锭炉热场的调控方法为了改善多晶硅铸锭炉的热场特性，提高生产效率和产品质量，需要采取一系列的调控方法。
以下是几种常见的多晶硅铸锭炉热场调控方法：1. 加热方式优化：多晶硅铸锭炉的加热方式通常有电阻加热、感应加热等。
合理选择和优化加热方式可以改善炉内温度分布的均匀性，减小温度梯度。
2. 冷却方式控制：多晶硅铸锭炉的冷却方式通常有水冷和气冷两种。
通过调整冷却方式和冷却速度，可以控制炉内的温度梯度和冷却速率，影响多晶硅铸锭的晶体结构和质量。
3. 炉体结构优化：多晶硅铸锭炉的炉体结构对热场的分布和稳定性有着重要影响。
通过改变炉体结构和加强热场的隔离，可以减小炉内温度分布的不均匀性，提高热场的稳定性。
4. 热流动调控：通过优化炉内的热流动方式，可以改善热场的稳定性和温度分布的均匀性。
可以采用流体力学模拟和实验方法来研究和优化炉内的热流动，如调整气体流速、引入局部加热等。
5. 温度监测和控制：在多晶硅铸锭炉中，温度监测和控制是非常重要的环节。
多晶硅铸锭炉热场底部改进的数值模拟研究
多晶硅铸锭炉热场底部改进的数值模拟研究作者：高强韩江山沈永华夏小江来源：《科技资讯》2013年第13期摘要：多晶硅铸锭炉热场的优化改进对于生长高质量的多晶硅极为重要。
本文结合计算机数值模拟，对多晶硅铸锭炉热场的底部进行优化，并分析了这项优惠对温场、流场和界面的影响。
模拟结果表明，热场优化后，杂质分布更加均匀，更有利于定向凝固过程。
关键词：多晶硅数值模拟热场光伏太阳能中图分类号：TG156.8 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（a）-0012-01多晶硅太阳电池由于产量大、性价比高，占据着约50%的光伏产品市场份额[1]。
多晶硅铸锭晶粒的大小及组织形态与电池的性能有着密切的联系，晶粒尺寸均一、粗大有利于得到高质量的多晶硅片，从而提高多晶硅太阳电池的效率[2]。
多晶硅晶粒大小和组织形态，很大程度上取决于多晶硅铸锭炉热场设计以及工艺过程。
以往热场设计都是通过实验来调整，这需要很高的成本及时间。
同时，由于铸锭炉很高的温度，所以得到炉体内部的温度分布非常困难。
数值模拟的出现为更好的理解熔体凝固过程中的传热传质以及温场、流场的分布提供了有力的工具，已经成为学术界和产业界的重要研究和开发手段[3]。
1 模型及参数设置本文采用工业界常用的带有移动隔热笼的多晶硅铸锭炉进行研究。
铸锭炉的物理模型采用简化的二维轴对称模型。
在物理模型中，考虑了晶体、熔体和坩埚内的能量守恒，熔体和气体中的对流、各表面之间的辐射、结晶潜热、高温熔体内的湍流流动。
模拟采用STR公司开发的晶体生长专业模拟软件CGSim，该软件用于多晶硅铸锭的数值模拟研究已被大量文献所报道。
计算方法采用有限元法（固体区域）与有限体积法（流体区域）结合。
2 初始结构模拟结果本文以GT Advanced Technology的DSS450多晶硅铸锭炉为参考，量取了其热场的实际尺寸并做了适当简化，从而进行数值模拟，以铸锭炉中晶体生长到熔体高度一半时（110 mm）为具体说明数据点，得到了炉体内温场分布、流场分布以及固液界面的形状。
8.大尺寸硅锭的铸锭热场升级优化研究.吴志勇
0.25
0.04
Before upgrade After upgrade
升级前，长晶 前期W形；长晶后
0.04
Interface position (m)
0.20
Before upgrade After upgrade
0.02
0.02
Deflection
0.15
0.00
0.00
期凸向熔体；
升级后，凸向 熔体，弯曲度的变
11
12 1-Crystal TC1 7 5 4 2 1 10 TC2 9 3 6 8 2-Melt 3-Crucible 4-Graphite susceptor 5-Gas shield 6-Side heater 7-Top heater 8-Insulation 9-Bottom insulation 10-Heat exchange block 11-Gas tube 12-Furnace wall
长晶阶段单位质量硅料消耗的加热电量：
v
100
power (kw)
t
0
Pdt m
80
60
升级前 v = 5.3 (kw· h)/kg
40 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
升级后 v = 3.7 (kw· h)/kg
time (h)
Fig.4 Total power consumption for the two DS systems
130 120 110 100 90
1600
将原G5多晶硅铸锭模拟功率 和TC2温度与实验结果对比： 功率差< 5kw，温度差<
Teperature (K)
Power in simulation Power in experiment TC2 in simulation TC2 in experiment
关于多晶铸锭炉升级改造中安全防护措施总结探讨
关于多晶铸锭炉升级改造中安全防护措施总结探讨目前铸锭设备改造存在的不足和光伏产业中的其它行业一样：低价拼杀。
行业缺乏准入门槛，部分客户眼光短浅，为降低采购成本只求低价；客户不顾安全，改造厂家压缩自身利润，导致最近出现一些安全事故。
为了行业的健康发展和客户的人身安全，在这里对铸锭改造过程的一些安全防护措施与大家做一些探讨。
导致安全隐患的主要有以下几点：一、辅材（这里主要讲坩埚）铸锭炉安全最重要的因素之一：坩埚质量，坩埚出现安全隐患是铸锭发生问题的根本原因，这就要求：1、G6坩埚制造商不应对坩埚设备进行随意创新，在没有安全保障且技术成熟前推向市场须慎重，不要因为行业恶性竞争，玩弄概念，推出些概念性或功能性坩埚；2、坩埚制造厂商对坩埚的制程控制、坩埚出厂质量的检测和管控做到严格把关；3、硅片厂质检部门到厂检验和铸锭部门使用之前，都应对设备进行详细检验，杜绝走过场；4、硅片厂招采部门不要一味得杀价，应当更注重质量而选择业内主流厂家的产品；同样，坩埚销售厂家不能为了赢得市场而忽产品质量，否则只会得不偿失。
“物美价廉”或许只是比较理想的情况，采购人员应当寻求性价比高的产品，在做好成本控制的同时，也对安全生产进行初层把关。
二、生产流程控制（以下主要阐述坩埚的喷涂、坩埚的硅料装填以及铸锭工艺）1、坩埚喷涂G6喷涂和G5略有区别。
现在业内部分厂家为了降低成本而采用国产粉，而且尽量减少粉的用量，但是最终喷涂效果不甚理想。
之前企业都会采用日本宇部或者德国史泰克等进口粉，但现在厂家大多用国产粉取而代之，在具体用量上也没有严格的用量标准，多数厂家使用的分量在600-650g之间,也有部分厂家使用700-800g的粉，但实际上应当根据各个厂家的实际情况来决定粉量，例如：硅料配比、铸锭工艺，坩埚性能等，这需要一个摸索的过程。
笔者认为还是应当采用更为可靠的进口粉，并且混合用量控制在750g左右，尤其是在四个角和废弃层附近加喷量，如果是底部处理过的坩埚也要注意处理效果，粗石英砂发生粘锅现象的几率大于细石英砂，硅粉底侧处理的坩埚注意别破坏喷涂层；2、坩埚底部和四周装填硅料应尽量用一些平整的硅块或者边料护底护边，四个角要留出空隙，底部装填前应尽量先用一下细料铺底。
一种铸造高效多晶的热场[实用新型专利]
![一种铸造高效多晶的热场[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/9e983fde67ec102de3bd89aa.png)
专利名称：一种铸造高效多晶的热场
专利类型：实用新型专利
发明人：潘欢欢,郭宽新,邢国强,孙海知,宋江申请号：CN201320002741.4
申请日：20130106
公开号：CN203065633U
公开日：
20130717
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种铸造高效多晶的热场,包括：石墨热交换台，所述石墨热交换台下设有隔热板；所述隔热板由多块可独立运动的小块隔热板构成。
本实用新型中采用多块可独立运动的小块隔热板，使隔热板根据不同的区域温度调整隔热板与石墨热交换台之间的距离，通过调整距离，改变了硅锭长晶过程中的热量分布，均衡了铸锭炉长晶过程中热场温度的均匀度，提高多晶硅锭的品质。
申请人：奥特斯维能源(太仓)有限公司
地址：215434 江苏省苏州市太仓市太仓港港口开发区平江路88号
国籍：CN
代理机构：南京苏高专利商标事务所(普通合伙)
代理人：柏尚春
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一种G7铸锭炉加大热场[实用新型专利]
专利名称：一种G7铸锭炉加大热场
专利类型：实用新型专利
发明人：王恒,成文涛,唐珊珊,张延华,张鹏飞,张健申请号：CN201720888017.4
申请日：20170721
公开号：CN207193435U
公开日：
20180406
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型提供一种G7铸锭炉加大热场，其中所述的四周加热片底部经螺栓与转接片连接，四周加热片顶部经螺母与吊杆A一端连接，吊杆A另一端穿过顶盖固定在螺母上，吊杆B一端经螺母固定在顶部加热片上，吊杆B另一端穿过顶盖固定在螺母上；石墨电极A、石墨电极B一端穿过顶盖连接铜电极，石墨电极A另一端经螺栓与顶部加热片固定，石墨电极B另一端经螺栓与电极转角片一端固定，电极转角片另一端经螺栓与四周加热片顶部连接；优点为：整个硅锭红区明显减小；产品质量提高，高效产出明显增加；整个调节利于生产过程温度控制；利于操作，便于管理。
申请人：山东大海新能源发展有限公司
地址：257300 山东省东营市广饶县经济开发区綦公路以北西康路以西
国籍：CN
代理机构：山东济南齐鲁科技专利事务所有限公司
代理人：郑向群
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一种高晶体质量多晶硅铸锭热场[实用新型专利]
专利名称：一种高晶体质量多晶硅铸锭热场专利类型：实用新型专利
发明人：张志强,杨智兵,卫巍
申请号：CN201720328210.2
申请日：20170330
公开号：CN206768276U
公开日：
20171219
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种高晶体质量多晶硅铸锭热场，包括设在炉体内的保温箱和坩埚，坩埚设在保温箱内，保温箱的底部设有开口，保温箱的底部开口处设有活动底板，保温箱内设有加热装置，保温箱的活动底板上设有坩埚的支撑机构，坩埚上方、下方以及四周的保温箱内均设有热场，所述热场通过多层隔热保温机构分隔有上、中、下三个热场区。
本实用新型通过设多层隔热保温机构，在多晶铸锭热场中进行热场区域划分，形成不同的温区对热流进行分层控制，从上至下形成三个温度区域环境，达到多晶铸锭熔化和结晶过程的热流及温度控制，增加保温箱内纵向温度梯度的可控性，同时，确保横向温度的一致性，形成良好的热场分布。
申请人：韩华新能源科技有限公司
地址：222000 江苏省连云港市连云港经济技术开发区大浦路66号
国籍：CN
代理机构：连云港润知专利代理事务所
代理人：刘喜莲
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