CN103451721A - 带水冷热屏的单晶生长炉 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及单晶硅生产设备领域，旨在提供带水冷热屏的单晶生长炉。该带水冷热屏的单晶生长炉的炉体内设有水冷热屏，水冷热屏包括连接固定的呈倒锥形的水冷热屏内筒和水冷热屏外筒，且在水冷热屏内筒和水冷热屏外筒之间设有水道，水冷热屏内筒和水冷热屏外筒的上端还连接固定有连接体，水道的进口、出口分别通过连接体与进水管路、出水管路相连接。本发明能够更好地创造一个对结晶有利的温度空间，从而加快晶棒的结晶速度，缩短晶棒的生长时间，提高拉晶效率。
Description
技术领域
本发明是关于单晶硅生产设备领域，特别涉及带水冷热屏的单晶生长炉。
背景技术
直拉区熔技术是一种采用直拉法与区熔法相结合的工艺来制备CFZ高效太阳能电池硅单晶的技术，所生产的CFZ高效太阳能电池硅单晶具有较高的光电转换效率，可达24%至26%，远高于目前国内的15%～18%转化效率。直拉区熔技术涉及两个阶段，一是前期直拉阶段，二是后期区熔阶段。由于CFZ高效太阳能电池硅单晶的生产比普通太阳能电池硅单晶多了一个后期区熔阶段，所以生产成本相对较高。为了能够压缩整个过程的生产成本，就要求前期直拉阶段有较高的生产效率。
拉晶过程是一个液态转化为固态的过程，需要释放大量的热，如果热量散发过慢会影响晶体的结晶速度，所以必须及时将热量散发掉，形成一个对结晶有利的温度空间。
目前的单晶生长炉一般采用直筒型水冷套冷却方式，主要还是通过水冷这一途径进行冷却，其缺点是单位时间内通过热辐射散发到水冷套内壁的热量有限，而且不能充分利用氩气将热量带走。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能够创造一个对结晶更有利的温度空间的单晶生长炉。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供带水冷热屏的单晶生长炉，包括石英坩埚，所述带水冷热屏的单晶生长炉的炉体内设有水冷热屏，水冷热屏设置在石英坩埚的上方，水冷热屏包括连接固定的水冷热屏内筒和水冷热屏外筒，水冷热屏内筒和水冷热屏外筒都呈倒锥形，且在水冷热屏内筒和水冷热屏外筒之间设有水道，水冷热屏内筒和水冷热屏外筒的上端还连接固定有连接体，水道的进口、出口分别通过连接体与进水管路、出水管路相连接。
作为进一步的改进，所述水冷热屏内筒和水冷热屏外筒之间焊接有隔水条，通过隔水条在水冷热屏内筒和水冷热屏外筒之间形成水道。
作为进一步的改进，所述水冷热屏内筒和水冷热屏外筒通过焊接连接，水冷热屏内筒、水冷热屏外筒与连接体也通过焊接连接。
作为进一步的改进，所述水冷热屏与单晶生长炉中的晶棒的水平距离满足公式S=K1/v和S=K2/η，其中v为晶棒的拉晶速度，且v的值在1.5mm/min～6mm/min之间，K1为常数，其值在1×10-6～4×10-6之间，K2为常数,其值在8×10-4～4×10-3之间，S为水冷热屏内壁与晶棒最窄处的水平距离，η为晶棒的断棱率，且η的值在2%～10%之间。
提供基于所述的带水冷热屏的单晶生长炉的控制方法，利用带水冷热屏的单晶生长炉进行拉晶时，需要向水道中注入循环水，水道中的循环水量满足公式Q=G×C（tg-th），其中Q为拉晶时产生的热量，G为水道中的循环水量，C为水的比热容，tg为水道中的出水温度，th为水道中的进水温度。
作为进一步的改进，水道中的供回水温差满足公式T=tg-th，其中T为水道中的供回水温差，tg为水道中的出水温度，th为水道中的进水温度，且T的值不大于8℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
水冷热屏底部与硅液面之间形成比较小的距离空间，氩气由炉体上部经过水冷热屏的倒锥形空间，然后迅速通过此距离空间，向外围扩散，从而迅速将热量带走；由于热辐射作用，大量的热量散发到水冷热屏的内壁，水冷热屏通过水道内的循环冷却水快速将水冷热屏内壁上的热量带走，形成一个热量快速散发的通道，能够更好地创造一个对结晶有利的温度空间，从而加快晶棒的结晶速度，缩短晶棒的生长时间，提高拉晶效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中的附图标记为：1晶棒；2水冷热屏外筒；3石英坩埚；4单晶生长炉；5连接体；6水冷热屏内筒；7硅液。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
图1中的带水冷热屏的单晶生长炉4的炉体内设有水冷热屏，水冷热屏设置在石英坩埚3的上方，水冷热屏包括焊接固定的水冷热屏内筒6和水冷热屏外筒2，水冷热屏内筒6和水冷热屏外筒2都呈倒锥形，且在水冷热屏内筒6和水冷热屏外筒2之间焊接有隔水条，隔水条在水冷热屏内筒6和水冷热屏外筒2之间形成迂回的水道，水冷热屏内筒6和水冷热屏外筒2的上端还焊接固定有连接体5，水道的进口、出口分别通过连接体5与进水管路、出水管路相连接。
晶棒1在拉晶过程中产生，在水冷热屏内冷却，硅液7为高温硅熔体，盛在石英坩埚3内。水冷热屏与晶棒1的水平距离满足公式S=K1/v和S=K2/η，其中v为晶棒1的拉晶速度，且v的值在1.5mm/min～6.0mm/s之间，K1为常数，其值在1×10-6～4×10-6之间，K2为常数，其值在8×10-4～4×10-3之间。S为水冷热屏内壁与晶棒1之间最窄处的水平距离，η为晶棒1的断棱率，且η的值在2%～10%之间。可知当S值越小时，v越大，即拉晶速度越快；另一方面由于S值越小，通过的气体越不稳定，会造成晶棒1断棱现象，即当S值越大时η值越小，即断棱率越低。所以需要根据经验和实际情况选取一个合适的S值，既满足拉晶速度较快，又满足断棱率较低的要求。
基于所述带水冷热屏的单晶生长炉4的控制方法是有关水道中的循环水量控制，水道中的循环水量满足公式Q=G×C（tg-th），其中Q为拉晶时产生的热量，G为水道中的循环水量，C为水的比热容，tg为水道中的出水温度，th为水道中的进水温度。水道中的供回水温差满足公式T=tg-th，其中T为水道中的供回水温差，tg为水道中的出水温度，th为水道中的进水温度。当散发相同的热量Q时，供回水温差T与循环水量G成比例关系，即系统的供回水温差大，则循环水量就小，根据实际情况适宜将T的值控制在8℃以内。
生产时，晶棒1在籽晶绳的带动下不断上升，晶棒1的下端因为温度差的原因，开始结晶，并释放出大量的热，由于水冷热屏的存在，能够使热量快速散发，形成一个相对稳定的结晶温度，从而加快晶棒1结晶速度，缩短晶棒1生长时间，提高拉晶效率。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (6)
1.带水冷热屏的单晶生长炉，包括石英坩埚，其特征在于，所述带水冷热屏的单晶生长炉的炉体内设有水冷热屏，水冷热屏设置在石英坩埚的上方，水冷热屏包括连接固定的水冷热屏内筒和水冷热屏外筒，水冷热屏内筒和水冷热屏外筒都呈倒锥形，且在水冷热屏内筒和水冷热屏外筒之间设有水道，水冷热屏内筒和水冷热屏外筒的上端还连接固定有连接体，水道的进口、出口分别通过连接体与进水管路、出水管路相连接。
2.根据权利要求1所述的带水冷热屏的单晶生长炉，其特征在于，所述水冷热屏内筒和水冷热屏外筒之间焊接有隔水条，通过隔水条在水冷热屏内筒和水冷热屏外筒之间形成水道。
3.根据权利要求1所述的带水冷热屏的单晶生长炉，其特征在于，所述水冷热屏内筒和水冷热屏外筒通过焊接连接，水冷热屏内筒、水冷热屏外筒与连接体也通过焊接连接。
4.根据权利要求1所述的带水冷热屏的单晶生长炉，其特征在于，所述水冷热屏与单晶生长炉中的晶棒的水平距离满足公式S=K1/v和S=K2/η，其中v为晶棒的拉晶速度，且v的值在1.5mm/min～6mm/min之间，K1为常数，其值在1×10-6～4×10-6之间，K2为常数,其值在8×10-4～4×10-3之间，S为水冷热屏内壁与晶棒最窄处的水平距离，η为晶棒的断棱率，且η的值在2%～10%之间。
5.基于权利要求1所述的带水冷热屏的单晶生长炉的控制方法，其特征在于，利用带水冷热屏的单晶生长炉进行拉晶时，需要向水道中注入循环水，水道中的循环水量满足公式Q=G×C（tg-th），其中Q为拉晶时产生的热量，G为水道中的循环水量，C为水的比热容，tg为水道中的出水温度，th为水道中的进水温度。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，水道中的供回水温差满足公式T=tg-th，其中T为水道中的供回水温差，tg为水道中的出水温度，th为水道中的进水温度，且T的值不大于8℃。
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