CN109295495B - 利于控制定向凝固平直液固界面的温场调控机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利于控制定向凝固平直液固界面的温场调控机构，炉体内隔热环板的外缘与炉体内壁接触连接、内缘与冷却盘的外壁接触；冷却盘上板面上放置坩埚，坩埚外套设有保温筒、石墨发热体、电磁感应圈；隔热环板上设环槽，保温筒的轴向底端贯穿环槽；隔热环板下方设调节筒，调节筒上端与保温筒连接，调节筒通过升降机构驱动上下移动；冷却盘包括圆筒状壳体，壳体内设有相互套设的第一环状气体分布室和第二环状气体分布室；两个分布室内均设隔板，隔板下方为缓冲室、上方设若干气体分布翅片，缓冲室底部与进气管连通；壳体的底部排气管。本发明利于克服中心的过冷度比较大的问题，不会凝固熔体产生振动等不利影响，利于多晶硅生长，且节能环保。

Description

利于控制定向凝固平直液固界面的温场调控机构

技术领域

本发明涉及光伏技术领域，具体涉及一种利于控制定向凝固平直液固界面的温场调控机构。

背景技术

目前，对于太阳能的开发和利用主要是以太阳能电池的形式，太阳能电池是通过光电效应直接把光能转化为电能的装置，硅以其高丰度、耐高电压、耐高温、晶带宽度大，比其它半导体材料有体积小、效率高、寿命长、可靠性强以及性能稳定无毒、且制备工艺成熟及广泛的用途等综合优势而成为太阳能电池研究开发、生产和应用的主体材料。晶体硅电池已成为世界光伏市场上的主导产品，多晶硅太阳电池以其转换效率较高(19.8％)，性能稳定和成本适中而得到越来越广泛的应用。

多晶硅铸锭由于生产成本较低、产量大，因而成为晶体硅太阳能电池的主流材料。但是多晶硅铸锭中存在着晶界紊乱、位错、夹杂物及氧化物等缺陷，这些缺陷成为少数载流子的复合中心，减少了光生载流子的寿命，使多晶硅太阳能电池效率低于单晶硅电池。为了提高多晶硅太阳能电池效率，可以在铸锭炉中定向生长大晶粒或准单晶铸锭。定向凝固是制备多晶硅铸锭的一种重要方法，具体为：在同一个坩埚内熔炼和凝固，在坩埚外采取额外保温或冷却的手段，使内部热流单向传递，并使熔体在热流方向上有一定的温度梯度，从而获得柱状组织。

研究表明长晶过程的固液面越平坦或者偏向于微凸，对长晶过程杂质的排出越有利，对晶体的整体质量有较大的影响。目前单独采用冷却盘对坩埚底部进行冷却定向凝固，存在中心的过冷度比较大，中心相对边上的温度要更低，使得长晶时固液界面不平坦；若在采用冷却盘对坩埚底部进行冷却定向凝固的同时，将凝固的熔体向下移出感应区，凝固熔体向下移动法会产生振动，对晶体生长造成不利影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有单独采用冷却盘对坩埚底部进行冷却定向凝固或者结合将凝固的熔体向下移出感应区，从而获得单向的温度梯度的操作过程中，存在中心过冷或者凝固熔体振动等不足，对晶体生长造成不利影响，本发明提供了解决上述问题的利于控制定向凝固平直液固界面的温场调控机构。

本发明通过下述技术方案实现：

利于控制定向凝固平直液固界面的温场调控机构，包括炉体，所述炉体内设有同轴心线的冷却盘，炉体内还设有隔热环板，隔热环板的径向外缘与炉体内壁接触连接、径向内缘与冷却盘的外壁接触连接；冷却盘上板面上放置坩埚，坩埚外套设有保温筒，保温筒的内壁固定有石墨发热体，保温筒外环设有电磁感应圈；

隔热环板上还开设有环槽，保温筒的轴向底端适配伸入、且贯穿环槽，且保温筒贯穿环槽的端部沿轴向开设有限位卡槽；隔热环板下方的炉体内设有调节筒，调节筒的轴向上端通过嵌入所述限位卡槽内与保温筒连接，调节筒通过升降机构驱动上下移动，从而带动保温筒和石墨发热体向上或向下移动；

所述冷却盘包括圆筒状壳体，所述壳体内设有第一环状气体分布室和第二环状气体分布室，所述第二环状气体分布室套设在第一环状气体分布室外，第二环状气体分布室的外径小于壳体的内径，壳体、第一环状气体分布室和第二环状气体分布室三者的轴心线均重合；第一环状气体分布室和第二气体分布室内均设有隔板，隔板下方均为缓冲室、上方设有若干气体分布翅片，缓冲室底部与进气管连通；壳体的底部位于第一环状气体分布室中心部位设有第一排气管、位于第二环状气体分布室外壁和壳体内壁之间的腔室处设有第二排气管。

本发明工作原理为：首先，将物料置于坩埚内，通过电磁感应圈、石墨发热体对坩埚内物料进行加热，通过保温筒进行保温防散热；然后，通过冷却盘对坩埚底部进行冷却，获得单向的温度梯度；同时，控制升降机构带动调节筒向上移动、从而推动保温筒和石墨发热体逐渐向上移动，且保温筒和石墨发热体的移动是连续的，不存在温度阶梯性突变，通过控制升降机构升降速度调节保温筒和石墨发热体移动速度，保障移动速度平稳进行。这样，利于克服中心的过冷度比较大的问题，消除径向温度梯度，促使长晶时固液界面微凸或趋于平坦，且仅移动保温筒和石墨发热体，不会凝固熔体产生振动等不利影响。

此外，冷却盘主要通过壳体内设置的第一环状气体分布室和第二环状气体分布室对坩埚底部进行冷却，气体经第一环状气体分布室和第二环状气体分布室进入壳体，通过壳体上表面与坩埚底部进行热交换，初步热交换后的气体经第一环状气体分布室对应的中心部位处为壳体的中空腔室、以及第二环状气体分布室外壁与壳体内壁之间腔室到达壳体底部，经排气管排出，在第一环状气体分布室对应的中心部位处为壳体的中空腔室、以及第二环状气体分布室外壁与壳体内壁之间腔室内还可继续进行热交换，进而有效避免中心过冷、或者冷却盘半径方向上两端与中部温度梯度过大，保障固液截面平直或微凸，保障晶体的整体质量。

优选地，所述第一环状气体分布室和第二环状气体分布室上的翅片沿周向等间距分布，每个翅片的气体输出端板面方向倾斜设置，且相对于壳体底面的倾斜角为60～80°。

由于第一环状气体分布室和第二环状气体分布室均为环状结构，且第一环状气体分布室和第二环状气体分布室上的翅片出口端板面均倾斜设置，这样经相邻两个翅片之间排出的气体呈漩涡状，促进了气体在壳体内的扰动作用，利于提高换热效率。

优选地，所述第一环状气体分布室内的翅片均沿顺时针方向倾斜，所述第二环状气体分布室内的翅片均沿逆时针方向倾斜。

将第一环状气体分布室的翅片和第二环状气体分布室内的翅片相互反向倾斜，这样从第一环状气体分布室上任意相邻两个翅片之间排出的漩涡气流与从第二环状气体分布室上任意相邻两个翅片之间排出的漩涡气流会逐渐相互碰撞，进一步增加扰动效果，提高换热效率。

优选地，通入第一环状气体分布室内的气体压力和通入第二环状气体分布室内的气体压力差为0.05-0.15MPa。

由于从第一环状气体分布室和第二环状气体分布室排出的气流存在一定压差，这样促使两股漩涡气流迅速混合、碰撞，大大增加了扰动效果，提高换热效率。

优选地，所述升降机构包括转动套管、从动圆盘和驱动机构；隔热环板下方的炉体内伸入转动套管，所述转动套管的轴向一端由驱动机构驱动转动、轴向另一端与冷却盘的下板面转动连接；转动套管上还套设有从动圆盘，从动圆盘的外缘螺纹连接有调节筒，调节筒的轴向上端通过嵌入所述限位卡槽内与保温筒连接；转动套管正反向转动，带动从动圆盘正反向转动，通过螺纹传动带动调节筒上下移动、从而推动保温筒和石墨发热体向上或向下移动。

控制驱动机构驱动转动套管正向转动，带动从动圆盘正向转动，通过螺纹传动带动调节筒向上移动、从而推动保温筒和石墨发热体逐渐向上移动，且保温筒和石墨发热体的移动是连续的，不存在温度阶梯性突变，通过控制转动套管的转速即可调节保温筒和石墨发热体移动速度，保障移动速度平稳进行。

优选地，所述进气管、第一排气管和第二排气管均穿过转动套管伸出至外部环境。

优选地，所述调节筒远离保温筒的端部内壁上设有限位环板。

通过在保温筒轴向底端设置限位环板，防止从动圆盘与调节筒螺纹适配反向转动过程中向下移出调节筒，对从动圆盘起到轴向限位作用。

优选地，所述转动套管的侧壁上沿周向环设有安装板，所述从动圆盘通过石墨螺栓固定在安装板上。

将从动圆盘与转动套管通过安装板及石墨螺栓连接，便于拆装。

优选地，所述转动套管远离冷却盘的轴向端设有同轴心线的从动轮，从动轮与主动轮啮合连接，主动轮由电机驱动转动。

使用时，只需由电机驱动主动轮转动，通过啮合传动作用带动从动轮转动，从动轮与转动套管外壁固定连接，这样就带动转动套管转动运动，结构简单，操作方便。

优选地，所述保温筒嵌入环槽的端部侧壁上开设有若干沉头孔，调节筒的端部侧壁上开设有螺纹孔，通过石墨螺栓贯穿所述沉头孔、旋入螺纹孔内，实现保温筒和调节筒的可拆卸连接。

将保温筒和调节筒通过石墨螺栓连接，实现两者的稳固连接，保障在上下平稳移动，且便于拆装操作。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明工作原理为：首先，将物料置于坩埚内，通过电磁感应圈、石墨发热体对坩埚内物料进行加热，通过保温筒进行保温防散热；然后，通过冷却盘对坩埚底部进行冷却，获得单向的温度梯度；同时，控制升降机构带动调节筒向上移动、从而推动保温筒和石墨发热体逐渐向上移动，且保温筒和石墨发热体的移动是连续的，不存在温度阶梯性突变，通过控制升降机构升降速度调节保温筒和石墨发热体移动速度，保障移动速度平稳进行。这样，利于克服中心的过冷度比较大的问题，消除径向温度梯度，促使长晶时固液界面微凸或趋于平坦，且仅移动保温筒和石墨发热体，不会凝固熔体产生振动等不利影响。此外，冷却盘主要通过壳体内设置的第一环状气体分布室和第二环状气体分布室对坩埚底部进行冷却，气体经第一环状气体分布室和第二环状气体分布室进入壳体，通过壳体上表面与坩埚底部进行热交换，初步热交换后的气体经第一环状气体分布室对应的中心部位处为壳体的中空腔室、以及第二环状气体分布室外壁与壳体内壁之间腔室到达壳体底部，经排气管排出，在第一环状气体分布室对应的中心部位处为壳体的中空腔室、以及第二环状气体分布室外壁与壳体内壁之间腔室内还可继续进行热交换，进而有效避免中心过冷、或者冷却盘半径方向上两端与中部温度梯度过大，保障固液截面平直或微凸，保障晶体的整体质量。

2、本发明由于第一环状气体分布室和第二环状气体分布室均为环状结构，且第一环状气体分布室和第二环状气体分布室上的翅片出口端板面均倾斜设置，这样经相邻两个翅片之间排出的气体呈漩涡状，促进了气体在壳体内的扰动作用，利于提高换热效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的冷却盘俯视结构示意图；

图3为本发明的冷却盘轴向截面结构示意图；

图4为本发明的第一环状气体分布室轴向截面结构示意图；

图5为本发明的第二环状气体分布室轴向截面结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-炉体，2-冷却盘，3-隔热环板，4-坩埚，5-石墨发热体，6保温筒，7-电磁感应圈，8-环槽，9-转动套管，10-从动圆盘，11-调节筒，12-限位卡槽，14-安装板，15-从动轮，16-主动轮，21-壳体，22-第一环状气体分布室，23-第二环状气体分布室，24-隔板，25-缓冲室，26-翅片，27-进气管，28-第一排气管，29-第二排气管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种利于控制定向凝固平直液固界面的温场调控机构，包括炉体1，所述炉体1内设有同轴心线的冷却盘2，炉体1内还设有隔热环板3，隔热环板3的径向外缘与炉体1内壁接触连接、径向内缘与冷却盘2的外壁接触连接；冷却盘2上板面上放置坩埚4，坩埚4外套设有保温筒6，保温筒6的内壁固定有石墨发热体5，保温筒6外环设有电磁感应圈7；

隔热环板3上还开设有环槽8，保温筒6的轴向底端适配伸入、且贯穿环槽8，且保温筒6贯穿环槽8的端部沿轴向开设有限位卡槽12；隔热环板3下方的炉体1内设有调节筒11，调节筒11的轴向上端通过嵌入所述限位卡槽12内与保温筒6连接，调节筒11通过升降机构驱动上下移动，从而带动保温筒6和石墨发热体5向上或向下移动；

所述冷却盘2包括圆筒状壳体21，所述壳体21内设有第一环状气体分布室22和第二环状气体分布室23，所述第二环状气体分布室23套设在第一环状气体分布室22外，第二环状气体分布室23的外径小于壳体21的内径，壳体21、第一环状气体分布室22和第二环状气体分布室23三者的轴心线均重合；第一环状气体分布室22和第二气体分布室23内均设有隔板24，隔板24下方均为缓冲室25、上方设有若干气体分布翅片26，缓冲室25底部与进气管27连通；壳体21的底部位于第一环状气体分布室22中心部位设有第一排气管28、位于第二环状气体分布室23外壁和壳体21内壁之间的腔室处设有第二排气管29。位于任意相邻的两个翅片25之间的隔板24上开设多个通气孔，调节筒11采用导热耐高温材料制成，如石墨板材料。

实施例2

在实施例1的基础上进一步改进，所述第一环状气体分布室22和第二环状气体分布室23上的翅片26沿周向等间距分布，每个翅片26的气体输出端板面方向倾斜设置，且相对于壳体21底面的倾斜角为60～80°。所述第一环状气体分布室22内的翅片26均沿顺时针方向倾斜，所述第二环状气体分布室23内的翅片26均沿逆时针方向倾斜。通入第一环状气体分布室22内的气体压力和通入第二环状气体分布室23内的气体压力差为0.05-0.15MPa。

实施例3

在实施例2的基础上进一步改进，所述升降机构包括转动套管9、从动圆盘10和驱动机构；隔热环板3下方的炉体1内伸入转动套管9，所述转动套管9的轴向一端由驱动机构驱动转动、轴向另一端与冷却盘2的下板面转动连接；转动套管9上还套设有从动圆盘10，从动圆盘10的外缘螺纹连接有调节筒11，调节筒11的轴向上端通过嵌入所述限位卡槽12内与保温筒6连接；转动套管9正反向转动，带动从动圆盘10正反向转动，通过螺纹传动带动调节筒11上下移动、从而推动保温筒6和石墨发热体5向上或向下移动。所述进气管27、第一排气管28和第二排气管29均穿过转动套管9伸出至外部环境。所述调节筒11远离保温筒6的端部内壁上设有限位环板13。所述转动套管9的侧壁上沿周向环设有安装板14，所述从动圆盘10通过石墨螺栓固定在安装板14上。所述转动套管9远离冷却盘2的轴向端设有同轴心线的从动轮15，从动轮15与主动轮16啮合连接，主动轮16由电机驱动转动。所述保温筒6嵌入环槽8的端部侧壁上开设有若干沉头孔，调节筒11的端部侧壁上开设有螺纹孔，通过石墨螺栓贯穿所述沉头孔、旋入螺纹孔内，实现保温筒6和调节筒11的可拆卸连接。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.利于控制定向凝固平直液固界面的温场调控机构，包括炉体(1)，其特征在于，所述炉体(1)内设有同轴心线的冷却盘(2)，炉体(1)内还设有隔热环板(3)，隔热环板(3)的径向外缘与炉体(1)内壁接触连接、径向内缘与冷却盘(2)的外壁接触连接；冷却盘(2)上板面上放置坩埚(4)，坩埚(4)外套设有保温筒(6)，保温筒(6)的内壁固定有石墨发热体(5)，保温筒(6)外环设有电磁感应圈(7)；

隔热环板(3)上还开设有环槽(8)，保温筒(6)的轴向底端适配伸入、且贯穿环槽(8)，且保温筒(6)贯穿环槽(8)的端部沿轴向开设有限位卡槽(12)；隔热环板(3)下方的炉体(1)内设有调节筒(11)，调节筒(11)的轴向上端通过嵌入所述限位卡槽(12)内与保温筒(6)连接，调节筒(11)通过升降机构驱动上下移动，从而带动保温筒(6)和石墨发热体(5)向上或向下移动；

所述冷却盘(2)包括圆筒状壳体(21)，所述壳体(21)内设有第一环状气体分布室(22)和第二环状气体分布室(23)，所述第二环状气体分布室(23)套设在第一环状气体分布室(22)外，第二环状气体分布室(23)的外径小于壳体(21)的内径，壳体(21)、第一环状气体分布室(22)和第二环状气体分布室(23)三者的轴心线均重合；第一环状气体分布室(22)和第二气体分布室(23)内均设有隔板(24)，隔板(24)下方均为缓冲室(25)、上方设有若干气体分布翅片(26)，缓冲室(25)底部与进气管(27)连通；壳体(21)的底部位于第一环状气体分布室(22)中心部位设有第一排气管(28)、位于第二环状气体分布室(23)外壁和壳体(21)内壁之间的腔室处设有第二排气管(29)；

所述第一环状气体分布室(22)和第二环状气体分布室(23)上的翅片(26)沿周向等间距分布，每个翅片(26)的气体输出端板面方向倾斜设置，且相对于壳体(21)底面的倾斜角为60～80°；

所述第一环状气体分布室(22)内的翅片(26)均沿顺时针方向倾斜，所述第二环状气体分布室(23)内的翅片(26)均沿逆时针方向倾斜；

通入第一环状气体分布室(22)内的气体压力和通入第二环状气体分布室(23)内的气体压力差为0.05-0.15MPa。

2.根据权利要求1所述的利于控制定向凝固平直液固界面的温场调控机构，其特征在于，所述升降机构包括转动套管(9)、从动圆盘(10)和驱动机构；隔热环板(3)下方的炉体(1)内伸入转动套管(9)，所述转动套管(9)的轴向一端由驱动机构驱动转动、轴向另一端与冷却盘(2)的下板面转动连接；转动套管(9)上还套设有从动圆盘(10)，从动圆盘(10)的外缘螺纹连接有调节筒(11)，调节筒(11)的轴向上端通过嵌入所述限位卡槽(12)内与保温筒(6)连接；转动套管(9)正反向转动，带动从动圆盘(10)正反向转动，通过螺纹传动带动调节筒(11)上下移动、从而推动保温筒(6)和石墨发热体(5)向上或向下移动。

3.根据权利要求2所述的利于控制定向凝固平直液固界面的温场调控机构，其特征在于，所述进气管(27)、第一排气管(28)和第二排气管(29)均穿过转动套管(9)伸出至外部环境。

4.根据权利要求2所述的利于控制定向凝固平直液固界面的温场调控机构，其特征在于，所述调节筒(11)远离保温筒(6)的端部内壁上设有限位环板(13)。

5.根据权利要求2所述的利于控制定向凝固平直液固界面的温场调控机构，其特征在于，所述转动套管(9)的侧壁上沿周向环设有安装板(14)，所述从动圆盘(10)通过石墨螺栓固定在安装板(14)上。

6.根据权利要求2所述的利于控制定向凝固平直液固界面的温场调控机构，其特征在于，所述转动套管(9)远离冷却盘(2)的轴向端设有同轴心线的从动轮(15)，从动轮(15)与主动轮(16)啮合连接，主动轮(16)由电机驱动转动。

7.根据权利要求1所述的利于控制定向凝固平直液固界面的温场调控机构，其特征在于，所述保温筒(6)嵌入环槽(8)的端部侧壁上开设有若干沉头孔，调节筒(11)的端部侧壁上开设有螺纹孔，通过石墨螺栓贯穿所述沉头孔、旋入螺纹孔内，实现保温筒(6)和调节筒(11)的可拆卸连接。

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