CN113481591A - 一种用于提升单晶生长速度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于提升单晶生长速度的装置，包括坩埚本体（1）、硅溶液（2）、导流筒（3）、水冷热屏（4）和单晶硅棒（5），水冷热屏（4）的主体内部设有循环管路（4a），循环管路（4a）的进口与进水管路（6）相连、出口与出水管路（7）相连；水冷热屏（4）的内表面设为散热面（4b），散热面（4b）上连接一组散热片（8），散热片（8）的宽度由上至下逐渐减小，散热片（8）的外侧（8a）与散热面（4b）相连、内侧（8b）正对着单晶硅棒（5）设置，且每个散热片（8）的内侧（8b）到单晶硅棒（5）的最短距离相同。本发明的优点是提高水冷热屏的散热效果，增强单晶硅棒生长速度，提升生产产量，节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及光伏业单晶生长制造技术领域，尤其涉及一种用于提升单晶生长速度的装置及方法。
背景技术
随着热场、坩埚进一步增大，投料量增加，但是对产量提升有限。在提升单晶硅棒生长拉速方面，最初在炉体喉口位置增加水冷套，单晶硅棒500mm长度以后进入，散热效果一般。在技术变革过程中，发明了水冷热屏，其位置在晶体生长界面以上50mm处，单晶硅棒等径后快速进入到水冷热屏中，散热效果进一步提升。在技术不断进步过程中，单晶硅棒冷却效果进一步提升，但热场固定后，水冷热屏大小固定，即内表面无增加的空间，此过程中通过内表面增加凹孔，可增加散热面积，但增加有限，同时清理难度增加，不利于长时间运行。
目前，行业通常使用水冷热屏来提升晶体生长速度，水冷热屏为316不锈钢材质，中间遍布水路，水冷热屏处在液面上方、导流筒中部，运行过程中，单晶硅棒经过水冷热屏，水冷屏吸收单晶硅棒热量通过水流动带走，对单晶硅棒起快速降温作用，通过纵向温度梯度变化实现晶体快速生长。
通用的水冷热屏为加高大口结构，部分用内部遍布小圆孔结构，实现受热面积增加效果。但是，这种水冷热屏依靠表面积大小吸收热量，即便表面开孔，单面积增加量是有限的，故而对生长拉速提升有限。
发明内容
本发明目的就是为了解决现有晶体生长速度受限的问题，提供了一种用于提升单晶生长速度的装置，提高水冷热屏的散热效果，增强单晶硅棒生长速度，提升生产产量，节约成本。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种用于提升单晶生长速度的装置，包括坩埚本体和设于坩埚本体内的硅溶液，坩埚本体的上方设有导流筒，导流筒内设有水冷热屏，单晶硅棒设于水冷热屏的轴线上且其正对着硅溶液的上方设置；
水冷热屏的主体内部设有循环管路，循环管路的进口与进水管路相连、出口与出水管路相连，以用于低温水换热降温；
水冷热屏的内表面设为散热面，散热面上连接一组散热片，散热片的宽度由上至下逐渐减小，散热片的外侧与散热面相连、内侧正对着单晶硅棒设置，且每个散热片的内侧到单晶硅棒的最短距离相同，以用于保证单晶硅棒上下端的散热效率相同。
进一步地，所述水冷热屏的主体为筒状结构，其横截面圆口大小由下至上依次减小，水冷热屏的主体结构与导流筒相互配合，且二者的轴线相互重合。
进一步地，所述循环管路为螺旋状，其以水冷热屏的轴线为中线绕着水冷热屏的主体盘旋设置。
进一步地，所述散热片为直角三角形结构，其斜边连接在水冷热屏的散热面上，且沿着散热面的母线设置，与斜边正对着的直角边正对着单晶硅棒设置，且与单晶硅棒的轴线相互平行设置。
为了进一步完成本发明的目的，还提供了一种用于提升单晶生长速度的方法，具体步骤如下，包括：
（1）单晶硅棒从硅溶液上表面开始生长，随着顶部提升装置卷丝轮旋转，结晶单晶硅棒逐步上升，由于单晶硅棒刚脱离液面，表面温度较高，单晶硅棒相比液面温度梯度较小，生长速度有限；
（2）低温水通过进水管路进入到水冷热屏内部，再经过循环管路从出水管路流出；
（3）同时，单晶硅棒经过水冷热屏中部，散热面及散热片对齐横向吸收单晶硅棒表面热量，由于散热片的上中下部吸热位置相对单晶硅棒的距离一致，缩小了中上部的空间，在单位时间散失更多热量；
（4）热量通过本体传导到水冷热屏内部，内部循坏水吸收热量并带走，单晶硅棒上部热量散失，表面温度降低，纵向温度梯度变大，通过热传导作用使得晶体生长界面温度降低，结晶速度加快，即晶体快速生长。
与现有技术相比，本发明的优点具体在于：
（1）在不改变水冷热屏结构的前提下，加装散热片，横向增加散热面积，增大单晶硅棒纵向温度梯度，实现单晶硅棒快速降温目的；
（2）横向散热片的结构由下向上逐步加宽，单晶硅棒进入水冷热屏后，上中下部吸热位置相对单晶硅棒距离一致，缩小了中上部的空间，可有效对单晶硅棒起作用，单位时间可散失更多热量；
（3）相比传统水冷热屏，本发明的散热效果更好，对单晶硅棒生长速度提升明显增强；
（4）通过热传导作用使得单晶硅棒结晶位置温度下降，结晶速度加快，即提高了晶体生长速度，单晶硅棒穿过水冷热屏后顶部温度较低，温度变化较小，相对单晶硅棒无太大温度波动，可使得单晶硅棒在平稳环境生长。
附图说明
图1为本发明的用于提升单晶生长速度的装置的结构图；
图2为本发明的装置在坩埚本体内的装配结构示意图。
具体实施方式
实施例1
为使本发明更加清楚明白，下面结合附图对本发明的一种用于提升单晶生长速度的装置及方法进一步说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，一种用于提升单晶生长速度的装置，包括坩埚本体1和设于坩埚本体1内的硅溶液2，坩埚本体1的上方设有导流筒3，导流筒3内设有水冷热屏4，单晶硅棒5设于水冷热屏4的轴线上且其正对着硅溶液2的上方设置，其特征在于：
水冷热屏4的主体为筒状结构，其横截面圆口大小由下至上依次减小，水冷热屏4的主体结构与导流筒3相互配合，且二者的轴线相互重合；
水冷热屏4的主体内部设有循环管路4a，循环管路4a的进口与进水管路6相连、出口与出水管路7相连，以用于低温水换热降温；
循环管路4a为螺旋状，其以水冷热屏4的轴线为中线绕着水冷热屏4的主体盘旋设置；
水冷热屏4的内表面设为散热面4b，散热面4b上连接一组散热片8，散热片8的宽度由上至下逐渐减小；
散热片8为直角三角形结构，其斜边设为外侧8a，外侧8a连接在水冷热屏4的散热面4b上，且沿着散热面4b的母线设置，与斜边正对着的直角边设为内侧8b，内侧8b正对着单晶硅棒5设置，且内侧8b到单晶硅棒5的最短距离相同，以用于保证单晶硅棒上下端的散热效率相同。
本实施例中，低温水通过进水管路6进入到水冷热屏4内部，经过内部的循环管路4a从出水管路7流出，单晶硅棒经过水冷热屏4中部，其散热面4b及散热片8吸收单晶硅棒表面热量，通过本体传导到水冷热屏4内部，内部循坏水吸收热量并带走，对单晶硅棒散热效果增加，单晶硅棒上部热量散失，表面温度降低，纵向温度梯度变大，其热传导使得晶体生长界面温度降低，有利于结晶，整个过程导致单晶硅棒结晶速度加快，即提升了晶体生长速度。
参见图2，单晶硅棒从硅溶液上表面开始生长，随着顶部提升装置卷丝轮旋转，结晶单晶硅棒逐步上升，由于单晶硅棒刚脱离液面，表面温度较高，单晶硅棒相比液面温度梯度较小，生长速度有限。随着单晶硅棒进入到水冷热屏后，水冷热屏对齐横向吸热，吸收的热量随着内部水循环带走，导致单晶硅棒表面温度快速散失，单晶硅棒纵向温度梯度发生明显变化，热传导作用使得单晶硅棒结晶位置温度下降，结晶速度加快，即提高了晶体生长速度。单晶硅棒穿过水冷热屏后顶部温度较低，温度变化较小，相对单晶硅棒无太大温度波动，可使得单晶硅棒在平稳环境生长。
本发明的装置在原有水冷热屏基础上增加散热面积，此结构有助于提升单晶晶体生长速度，对于253直径单晶硅棒即10吋单晶硅棒，平均生长速度可由108mm/h提升至115mm/h，单根单晶硅棒生长时间减少2h，单位产量提升5kg/天，有效提升生产产量，节约成本。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于提升单晶生长速度的装置，包括坩埚本体（1）和设于坩埚本体（1）内的硅溶液（2），坩埚本体（1）的上方设有导流筒（3），导流筒（3）内设有水冷热屏（4），单晶硅棒（5）设于水冷热屏（4）的轴线上且其正对着硅溶液（2）的上方设置，其特征在于：
水冷热屏（4）的主体内部设有循环管路（4a），循环管路（4a）的进口与进水管路（6）相连、出口与出水管路（7）相连；
水冷热屏（4）的内表面设为散热面（4b），散热面（4b）上连接一组散热片（8），散热片（8）的宽度由上至下逐渐减小，散热片（8）的外侧（8a）与散热面（4b）相连、内侧（8b）正对着单晶硅棒（5）设置，且每个散热片（8）的内侧（8b）到单晶硅棒（5）的最短距离相同。
2.根据权利要求1所述的用于提升单晶生长速度的装置，其特征在于：
所述水冷热屏（4）的主体为筒状结构，其横截面圆口大小由下至上依次减小，水冷热屏（4）的主体结构与导流筒（3）相互配合，且二者的轴线相互重合。
3.根据权利要求1或2所述的用于提升单晶生长速度的装置，其特征在于：
所述循环管路（4a）为螺旋状，其以水冷热屏（4）的轴线为中线绕着水冷热屏（4）的主体盘旋设置。
4.根据权利要求1或2所述的用于提升单晶生长速度的装置，其特征在于：
所述散热片（8）为直角三角形结构，其斜边连接在水冷热屏（4）的散热面（4b）上，且沿着散热面（4b）的母线设置，与斜边正对着的直角边正对着单晶硅棒（5）设置，且与单晶硅棒（5）的轴线相互平行设置。
5.一种使用如权利要求1所述的装置进行提升单晶生长速度的方法，其特征在于，包括：
步骤一：单晶硅棒（5）从硅溶液（2）上表面开始生长，随着顶部提升装置卷丝轮旋转，结晶的单晶硅棒（5）逐步上升，由于单晶硅棒（5）刚脱离液面，表面温度较高，单晶硅棒（5）相比液面温度梯度较小，生长速度有限；
步骤二：低温水通过进水管路（6）进入到水冷热屏（4）内部，再经过循环管路（4a）从出水管路（7）流出；
步骤三：同时，单晶硅棒（5）经过水冷热屏（4）中部，散热面（4b）及散热片（8）对齐横向吸收单晶硅棒（5）表面热量，由于散热片（8）的上中下部吸热位置相对单晶硅棒（5）的距离一致，缩小了中上部的空间，在单位时间散失更多热量；
步骤四：热量通过本体传导到水冷热屏（4）内部，内部循坏水吸收热量并带走，单晶硅棒（5）上部热量散失，表面温度降低，纵向温度梯度变大，通过热传导作用使得晶体生长界面温度降低，结晶速度加快，即晶体快速生长。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114018072A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-02-08 | 连城凯克斯科技有限公司 | 一种单晶炉用高导热性水冷热屏换热器 |
| CN115434004A (zh) * | 2022-09-19 | 2022-12-06 | 双良硅材料(包头)有限公司 | 一种单晶炉和用于硅片生产的热系统 |
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