[实用新型]熔炉、组合件及隔热包

说明书

技术领域

本实用新型涉及熔炉、所述熔炉的零件及制造此类熔炉及零件的方法。

背景技术

太阳能(光伏)电池为能够通过光伏效应将电磁辐射、光转换成电的装置。

已用于太阳能电池中的光伏材料包括：结晶及非晶硅、化合物半导体、有机染料及聚合物及通常称为量子点的纳米结晶。在这些光伏材料中，结晶硅(c-Si)是到目前为止最盛行的材料。

c-Si通常生产为经成形且切割成个别晶片的大材料锭。存在两种形态的c-Si材料，单晶的及多晶的。单晶硅为不具有晶界的单个硅结晶体。多晶硅由具有每一硅结晶体之间的晶界的多个硅结晶体组成。c-Si的生产需要大量的能量来影响硅的加热及熔化。

单晶硅通常使用柴可夫斯基法通过圆形材料锭来生产。在柴可夫斯基法中，将硅在熔炉中熔化，将单个晶种浸入到熔化的硅的表面中，将所述晶种从熔化的硅中缓慢地抽回同时旋转，当抽回所述晶种时控制温度以使得晶体生长产生。通过控制旋转速度、抽回种晶的速率及存在于所述熔炉中的温度梯度，生产大的、圆柱形的单个硅结晶体是可能的。单晶硅具有将太阳光转换成电能的较大转换效率的优势。然而，单晶硅无法高效地使用所铸造的硅锭，因为在晶片化之前圆柱形的铸锭必须被切割成大体上正方形的铸锭。

多晶硅生产为正方形或矩形的材料锭。在多晶硅工艺中，将硅在熔炉中熔化，在所述熔炉中产生温度梯度，且硅从坩埚的一端到另一端(通常从底部到顶部)再结晶。结果为多晶铸锭。所述铸锭中的晶粒尺寸通常为毫米到厘米宽，且在从所述坩埚的底部到顶部的约为柱形的布置中生长。结晶的过程称为方向性固化(DS)，且用于多晶硅生长的熔炉称为方向性固化系统(DSS熔炉)。DS中的铸锭尺寸设计为晶片长度及宽度的整数倍，从而允许所述材料的高效使用。然而，在将光转换成电能方面，多晶硅晶片不像单晶硅晶片一样高效。存在对DSS熔炉的若干改变，包括经修改以生产准单晶铸锭的DSS熔炉及梯度受控的结晶熔炉。

图1展示经设计以用于铸造多晶或单晶材料锭的典型的真空熔炉。对于光伏应用，所述材料通常是一般铸造为多晶铸锭的硅。不考虑所述熔炉的制造商，所述熔炉的一般设计原理是通用的。水冷熔炉外壳1(通常由钢构造)围绕罩2(一般由不锈钢构造)。罩2固持且支撑隔热包3。隔热包3减少加热及将熔炉的核维持在较高温度所需的能量的量，且保护熔炉外壳1免受能够熔化外壳材料或使外壳材料再结晶的温度。

在隔热包3内部的是加热元件4。大多数此类熔炉由石墨电阻加热元件来加热，其中所述石墨连接到电源，电流通过所述石墨，且所述石墨对电流流动的阻碍作用产生热。使用其它加热方法(包括感应加热)是可能的。

在隔热包3及加热元件4内部的是腔5，所述腔5包含含有被熔化或再结晶的材料7[例如硅]的坩埚6，及围绕或支撑所述坩埚的其它石墨零件。加热元件4及腔5一起界定由隔热包3隔离的所述熔炉的“热区”。坩埚6通常由熔凝硅石来构造，但也可使用其它材料。DSS熔炉的制造商包括：ALD真空技术、森丘任(Centrotherm)、菲洛泰克(Ferrotec)、GT先进技术(前身为GT太阳能)、精工(Jinggong)、JYT、凯克斯(Kayex)、普发拓普(PVA TePla)、Roth&Rau浙江精胜(Roth&Rau Zhejian Jingsheng)机械及电气公司及其它。

对于此类熔炉的用户，减少用于所生产的c-Si的能量是关键目标，因为能源需求在所有市场中继续增长。

通常，此类熔炉中的隔热包由一旦组装即可形成大体上立方体形状的隔热包的一系列零件组成。用于个别隔热组件的材料通常为碳纤维及碳化树脂的低密度复合物。隔热材料通常为由短切碳纤维的树脂浸渍制造的刚性板、短纤维复合物或由碳或石墨毡的树脂浸渍制造的僵化板、长纤维复合物。市售刚性板的实例包括：摩根(Morgan)先进材料及技术刚性板、艾美卡博(Americarb)CFB-17刚性纤维板隔热材料、美尔森(Mersen)CBCF刚性碳隔热材料、格拉夫技术(GrafTech)的GRAFSHIELD GR1热隔热材料及其它。市售僵化板的实例包括吴羽(Kureha)的KRECA FR、SGL集团(SGL Group)的SIGRATHERM刚性石墨毡及其它。在下文中，刚性板及僵化板两者将称为基于刚性碳纤维的隔热材料。

基于刚性碳纤维的隔热材料具有若干缺陷。

第一，将碳化树脂并入到隔热基体中提高了材料的导热性，从而使其较少地隔热。