CN102021644A - 一种晶硅铸锭炉热场热门控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶硅铸锭炉热场热门控制装置。现有的晶硅铸锭炉热场热门控制方法中，有的方法可以做好初期的成核及能耗控制，而有的方法能保证后期的晶体生长速度，目前没有能达到两者完美结合的方法。本发明的特征在于所述绝热笼的下方设有一水冷板，该水冷板与绝热笼的底部之间设有多个纵向设置的百叶片，每个百叶片上贯穿一纵向设置的转动轴，所有的转动轴与一驱动机构连接，所有百叶片的轴接点位于同一水平线上，当所有的百叶片转动至水平位置时，所述的百叶片形成一将绝热笼底部封闭的平面板。本发明采用百叶结构来控制热门的开合，使铸锭过程更加容易控制，既能保持低能耗的晶体生长，同时又能充分利用散热面积。

Description

一种晶硅铸锭炉热场热门控制装置

技术领域

本发明涉及晶硅铸锭炉热场结构领域，具体地说是一种晶硅铸锭炉热场热门控制装置。

背景技术

晶硅铸锭炉是一种硅重熔铸锭设备，是制备太阳能电池硅片的一个重要工艺装备。生产时，将符合一定要求的晶硅原料盛放在坩埚内装入炉中，按照一定的工艺要求对硅料进行加热熔化、定向长晶、退火冷却出炉。生产出的晶硅铸锭再通过破方切片，得到符合要求的硅片用于制备太阳能电池。影响太阳能电池效率的因素很多，对目前太阳能电池行业，每提高电池转换效率0.1％都是非常有意义的一项技术改进。高质量的电池硅片特别对晶粒的大小、均匀性，晶粒的形态结构以及晶界杂质含量的多少要求非常高，虽然这些要求或多或少都能通过铸锭工艺的摸索、改进有所提高，但很多时候都局限于铸锭炉热场结构的劣性而不能提高。本申请人多年来一直致力于晶体生长方面的研究，研发了多种类型的晶硅铸锭炉热场，发现热场热门的打开方式对晶体生长的影响尤为重要。

热场是晶硅铸锭炉炉内核心部件的一个统称，物理上热场主要由置于炉体内的四方绝热笼、布置于绝热笼内的加热器、用于放置盛放晶硅原料坩埚的热交换台、悬空于绝热笼内用于阻隔或贯通热交换台与绝热笼体外部进行散热的热门、置于绝热笼外部的冷板(或是炉壁)以及必要的测温组件、进出气控制系统等组成。由这些器件(零部件)在空间上构成一个物理结构，同时当加热器升温或降温时，所带来的空间上的温度分布情况，包含不仅仅是物理结构上的意义，行业上称之为热场。

通过设计热交换台和冷壁之间的位置、距离、角度、温差，材质等因素可以形成不同特性的散热结构，配合加热器及炉内热腔的设计可以形成独特的热场，从而完成不同要求的铸锭过程。

目前传统晶硅铸锭炉热场的开合，主要有以下几种方法：

1、绝热笼上提使得热交换台和炉体冷壁之间形成辐射通道，简称侧板提拉法，见图1。

侧板提拉法主要是将构成热场的绝热笼的四侧板设计为一个运动部件，侧板往下运动可以将多晶硅重熔长晶的热场封闭起来，通电使热场里的加热器升温，以加热熔化多晶硅原材料；侧板往上提升，则打开热场腔室，暴露出热交换台，形成温降梯场，通过一定的工艺步骤，实现定向长晶过程。

2、隔板抽拉法，其是将构成热场的绝热笼的中间设置一组保温隔热衬板，将热场底部的通水冷却块与热交换台隔开，当原材料完全熔化后，按一定工艺步骤抽去中间的保温隔热衬板，使通水冷却块与热交换台发生热交换，形成温降梯场，实现定向长晶过程。

上述的两种方法，虽然都能达到晶体定向生长的目的，但都存在结构复杂，能耗偏高，热冲击大，长晶缓慢，晶体生长质量差等问题。

3、绝热底板下移使得热交换台和炉体冷壁之间形成辐射通道(本申请人的专利ZL200820121103.3)，简称底板升降法，见图02。

该方法是由本申请人针对侧板提拉法的一些现存问题做出的技术改进。通过固定上部绝热笼，通过挡块改变硅锭底部、中部的温度梯度，修正熔化和晶体生长速度。该专利的延伸产品已经得到业内广泛认可。

4、底板侧向移动，热交换台和底部冷壁形成辐射通道，简称底板抽拉法，见图3。

该方法在光伏铸锭设备中也有应用，该方法能够得到大范围的辐射通道，但是无法对初期成核和能耗进行控制。

上述的几种方法，各有优缺点。根据热交换法的基本原理，辐射量的大小决定了单位时间内通过热交换台和冷壁之间的能量。而保证辐射量Q＝ε·F·A·(T_h ⁴-T_l ⁴)的参数中，若保持材料一致性，那么辐射角F和辐射面积A成为主要的可变参数，通过调整散热区域的结构，可以起到完善热场的作用。

通过数据对比底板升降法和底板抽拉法的热场底部辐射通道，就能明显看出两者之间的优劣之处。在铸锭炉的辐射模型中，高温石墨交换台作为辐射源，下底面温度标记为T_h，水冷炉壁或者水冷铜板作为辐射接受面表面温度约为常温，标记为T_l。

如图4所示，A1面与A4面形成的辐射角F_1-4表示热交换台对水冷炉壁的辐射通道。而A1面与A5面形成的辐射角用F1-5表示，图中形成的虚线框表示辐射腔体。

图中所示数值为一典型性特例，用以说明辐射角的变化规律。

$F_{1-5}=\frac{1}{2}\{S-{[S^2-4{\left(\frac{r_5}{r_1}\right)}^2]}^{1/2}\}=\frac{1}{2}(S-\sqrt{S^2-6})$

其中L为热交换台底部和A5面之间的距离；A1表示热交换台底部面积，A2表示底板升降法中底部绝热板接受面积，同时也是底板抽拉法热门打开后水冷铜板所接受辐射的面积。r1，r5分别是A1，A5的特征长度。当底部绝热板处于最大开口位置时，

L＝0.308m

$A1=0.875^2=\mathrm{\π}\·{r_1}^2\⇒r_1=0.494m$ R₁＝r₁/L＝1.604

$A5={1.072}^2=\mathrm{\π}\·{r_5}^2\⇒r_5=0.605m$ R₅＝r₅/L＝1.964

$S=1+\frac{1+{R_5}^2}{{R_1}^2}=2.888$

$F_{1-5}=\frac{1}{2}\{S-{[S^2-4{\left(\frac{r_5}{r_1}\right)}^2]}^{1/2}\}=0.679$

而

F_1-4＝1-4F_1-2-4F_1-3-F_1-5＝1-0-0.028-0.679＝0.293≈0.3

从上可以得出，底板对于热交换台辐射源的辐射角是水冷壁对于辐射源的2倍以上。当T_h，T_l不变时，抽拉热门的方式最大换热量能够达到绝热笼上下移动或者绝热底板上下移动最大换热量的2倍以上。

从上面的计算结果可以看出，不同的底部散热区域及结构会有不同的效果。初期辐射量过大会极大影响成核质量，并且增加额外的能耗；后期辐射量不足导致晶体生长连续性不好并且生长速度缓慢。上面提到的3种方法中，绝热笼上提和绝热底板下降可以做好初期的成核及能耗控制，而底板侧向移动能保证后期的晶体生长速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种晶硅铸锭炉热场热门控制装置，其采用百叶结构来控制热门的开合，使铸锭过程更加容易控制，以保持低能耗的晶体生长，同时又能充分利用散热面积。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种晶硅铸锭炉热场热门控制装置，包括绝热笼、置于绝热笼内的加热器和热交换台，其特征在于：所述绝热笼的下方设有一水冷板，该水冷板与绝热笼的底部之间设有多个纵向设置的百叶片，每个百叶片上贯穿一纵向设置的转动轴，所有的转动轴与一驱动机构连接，所有百叶片的轴接点位于同一水平线上，当所有的百叶片转动至水平位置时，所述的百叶片形成一将绝热笼底部封闭的平面板。

当铸锭炉处于加热、熔化以及退火阶段，所有的百叶片转动至水平位置，形成一封闭的平面板，将绝热笼底部封闭，使整个绝热笼处于闭合状态，维持封闭的加热空间。在晶体生长过程前期，缓慢转动百叶片形成较小开口；当进入晶体生长中期，按照工艺要求，百叶片进一步转动，打开更大的开口；最后当处于长晶后期，百叶片可以呈90°打开(即百叶片处于垂直位置)，充分保证了散热通道。

上述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，多个百叶片呈中轴对称内开式分布、中轴对称外开式分布或同向开式分布，根据实际情况选择相应的分布形式。

上述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，转动轴通过夹具固定在百叶片上，夹具由耐高温的金属或非金属制成，百叶片通过驱动机构控制其转动角度为90度，在水平位置与垂直位置之间进行转动。

上述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，当所有的百叶片处于水平位置时，相邻的百叶片之间通过台阶进行密封配合，保证了绝热空间封闭，在熔化及退火阶段减少能量损耗；绝热笼的两侧壁底部设有与位于两端的百叶片配合使用的挡块，进一步加强了绝热空间的封闭。

本发明具有的有益效果：当晶体处于加热、熔化以及退火阶段时，百叶片可以快速转动至闭合状态，保证了上下温度场均匀，减少能量损耗，当晶体处于生长的不同时期，控制百叶片的开启角度在合适的范围内，在低能耗的前提下保证了晶体的生长速度；当晶体处于冷却阶段时，百叶片可以快速转动至全开状态，使得晶体快速降温，减少了工艺周期；本发明的百叶结构既可以配合上下加热器使用，也可以配合侧面加热器使用，还可以配合多组加热器及移动坩埚的热场使用。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1-3为目前晶硅铸锭炉热场的三种开合方法的示意图。

图4为晶硅铸锭炉热场辐射角的示意图。

图5-8为本发明的结构示意图。

图9为本发明百叶结构的示意图。

具体实施方式

如图5-9所示的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，绝热笼1内设有加热器2和热交换台3，绝热笼1的下方设有内部通冷却水的水冷板4，水冷板的位置固定不动，该水冷板与绝热笼的底部之间设有4个纵向设置的百叶片5，水冷板与绝热笼之间形成的空间大小要适合百叶片转动。每个百叶片5上贯穿一纵向设置的转动轴6，所有的转动轴6与驱动机构7连接，驱动机构由软件程序来控制其工作，百叶片通过驱动机构控制其转动角度为90度，在水平位置与垂直位置之间进行转动。所述百叶片5的两端通过夹具8固定在转动轴6上，夹具由耐高温的金属或非金属制成。绝热笼的两侧壁底部设有与位于两端的百叶片配合使用的挡块9。

所有百叶片的轴接点位于同一水平线上，当所有的百叶片转动至水平位置时，相邻的百叶片之间通过台阶进行密封配合，所述的百叶片形成一将绝热笼底部封闭的平面板；当所有的百叶片转动至垂直位置时，绝热笼的底部处于全开状态。

所述的4个百叶片呈中轴对称内开式分布(如图5所示)，或中轴对称外开式分布(如图6所示)，或同向开式分布(如图7所示)。

Claims (7)

1.一种晶硅铸锭炉热场热门控制装置，包括绝热笼、置于绝热笼内的加热器和热交换台，其特征在于：所述绝热笼的下方设有一水冷板，该水冷板与绝热笼的底部之间设有多个纵向设置的百叶片，每个百叶片上贯穿一纵向设置的转动轴，所有的转动轴与一驱动机构连接，所有百叶片的轴接点位于同一水平线上，当所有的百叶片转动至水平位置时，所述的百叶片形成一将绝热笼底部封闭的平面板。

2.根据权利要求1所述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，其特征在于所述的多个百叶片呈中轴对称内开式分布。

3.根据权利要求1所述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，其特征在于所述的多个百叶片呈中轴对称外开式分布。

4.根据权利要求1所述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，其特征在于所述的多个百叶片呈同向开式分布。

5.根据权利要求1-4任一项所述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，其特征在于所述的转动轴通过夹具固定在百叶片上，夹具由耐高温的金属或非金属制成，百叶片通过驱动机构控制其转动角度为90度，在水平位置与垂直位置之间进行转动。

6.根据权利要求5所述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，其特征在于当所有的百叶片处于水平位置时，相邻的百叶片之间通过台阶进行密封配合。

7.根据权利要求5所述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，其特征在于绝热笼的两侧壁底部设有与位于两端的百叶片配合使用的挡块。

Images