CN202064029U - 一种晶硅铸锭炉双腔室热场 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种晶硅铸锭炉双腔室热场。目前所有铸锭炉都是用固定热腔的设计，实际生产过程中存在无法兼顾晶体熔化和晶体生长工艺时间的弊端，同时一旦热场部件安装完成便只能使用固定的固液界面，无法在生长过程中不断修正固液界面，晶体生长可控性不强。本实用新型的特征在于所述绝热笼的内壁上设有一圈抵触在其上且能沿其升降的绝热隔板，绝热隔板由绝热材料制成，绝热隔板位于绝热笼的内壁与热交换台外壁之间，位于热交换台两侧的绝热隔板上均固接一吊杆，所述的吊杆上端穿过绝热笼与一升降驱动机构连接。本实用新型通过升降绝热隔板来修正任何时刻的固液界面及硅熔体及固体的温度梯度，实现了最佳的晶体生长环境和控制固液界面的形状。

Description

一种晶硅铸锭炉双腔室热场

技术领域

本实用新型涉及晶硅铸锭炉热场领域，具体地说是一种晶硅铸锭炉双腔室热场。

背景技术

多晶硅铸锭技术经历多年发展，由于其低耗高效且全自动的生产方式以及成品质量的不断提高，目前已经得到光伏行业的广泛认可。

影响太阳能电池效率的因素很多，对目前太阳能电池行业，电池转换效率即使增加0.1个百分点都是非常有意义的一项技术改进。高质量的电池硅片对晶粒的大小、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，但很多时候也局限于铸锭炉热场的不可变性而不能动弹。

从技术以及成本的层面上看，虽然在效率和能耗等方面，多晶铸锭技术完全优于单晶直拉技术；但是多晶铸锭技术制得的电池片质量同单晶直拉技术相比还略显不足。为了缩小质量上的差距，本申请人已经开发出一种新型的准单晶铸锭热场，该项技术领先于国际先进水平，准单晶片制得的电池片转换效率最高可以达到18％(准单晶铸锭热场已申请专利，专利申请号为201010176628.9)。

在现阶段固定式热场的条件下，几乎所有铸锭炉设计模式都是关注晶体生长的成核阶段，只有良好的成核状况才能保证有一个较优的生长环境，而后期的生长只是在完成成核以后再进一步的尝试，一般来说能够控制晶体连续性就已经非常难得。

要突破晶体生长过程中头尾难以相顾的困境，本申请人也做了许多努力，通过反复计算以及更加深入的研究及实验，在准单晶热场上已经能保证良好的晶体生长连续性。但晶体生长到后期无法控制生长速度以及不够平整的固液界面问题还没能很好解决。所以说目前准单晶热场还存在着晶体熔化速度较慢，固液界面后期无法控制，晶体生长后期驱动力微弱的一些不足。

现有采用垂直温度梯度方法生长的多晶铸锭设备只能存在一个固定的热腔，想要兼顾各阶段工艺时间，整体能耗，晶体生长及界面控制非常困难。而最适合晶体生长的HEM铸锭炉由于坩埚存在上下移动的工程应用需求，无法在大规模铸锭生产上使用。如何解决这些弊端，就成为光伏铸锭行业的研究目标。

目前所有铸锭炉都是用固定热腔的设计，实际生产过程中存在无法兼顾晶体熔化和晶体生长工艺时间的弊端，同时一旦热场部件安装完成便只能使用固定的固液界面，无法在生长过程中不断修正固液界面，晶体生长可控性不强。

实用新型内容

为了克服以上现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种晶硅铸锭炉双腔室热场，通过升降绝热隔板来修正任何时刻的固液界面及硅熔体及固体的温度梯度，以实现最佳的晶体生长环境和控制固液界面的形状。

本实用新型采用的技术方案为：一种晶硅铸锭炉双腔室热场，包括绝热笼、设置于绝热笼内的加热器、用于放置坩埚的热交换台和用于热交换台与绝热笼外部间进行散热的热门，所述绝热笼的下方设有一水冷板或水冷炉壁，热交换台置于绝热笼内，其特征在于：所述绝热笼的内壁上设有一圈抵触在其上且能沿其升降的绝热隔板，绝热隔板由绝热材料制成，绝热隔板位于绝热笼的内壁与热交换台外壁之间，位于热交换台两侧的绝热隔板上均固接一吊杆，所述的吊杆上端穿过绝热笼与一升降驱动机构连接。本实用新型通过升降驱动机构(如气缸)来实现侧部绝热隔板的升降，通过绝热隔板的升降来修正任何时刻的固液界面及硅熔体的温度梯度。

本实用新型的绝热隔板将热腔分割为两个部分，其中上部热腔是晶体生长过程中需要维持高温的区域，下部热腔是不再需要维持高温的区域，一般来说这个热腔空间连接底部散热结构。

通过升降绝热隔板来修正任何时刻的固液界面及硅熔体及固体的温度梯度。通常情况下，固液界面控制调整可以按以下方式进行：当用户需要下凹的固液界面形状，那么绝热隔板可以位于较高的位置；当用户需要上凸的固液界面形状，那么绝热隔板可以位于较低位置。

实际准确的运行位置则由晶体生长工艺根据当时固液界面位置的测算决定，即绝热隔板移动的最低位为绝热笼的底部，绝热隔板移动的最高位由晶体生长工艺根据当时固液界面位置的测算决定。

上述晶硅铸锭炉双腔室热场对晶体生长过程的控制方法如下：当铸锭炉处于熔化阶段，绝热隔板下降到最低位，热量通过硅液表面、侧壁、底部同时进入硅熔体，不但可以大幅减少硅液上下端温差，而且能提高熔化速度；当铸锭处于晶核形成阶段，绝热隔板位置上移，该阶段需要迅速降低底部温度，形成足够的过冷度，保证晶核有序形成，而绝热隔板上移可以起到这样的效用，该阶段同样适用于籽晶保护位置，绝热隔板的调节可以保证缓慢熔化过程中，固液界面维持在水平状态；当铸锭进入中期，绝热隔板可以继续向上运动，始终保持硅熔体部分位于热腔，硅固体部分位于较冷腔，从而确保晶体生长驱动力，维持恒定的晶体生长速度，并且升降绝热隔板还可以保持固液界面水平；当铸锭进入后期，绝热隔板也移动至顶部，透顶阶段顶部平整，大幅度减少长角工艺时间；当铸锭结束，进入退火阶段，绝热隔板回到最低位，再一次保证了硅固体中较为均匀的温度分布，减少热应力的产生。

本实用新型可控双腔室的设计可以和任意热场结构组合在一起，优选利用百叶结构来控制热门开合的热场，能发挥双腔室更大的作用。

上述的晶硅铸锭炉双腔室热场，所述的水冷板或水冷炉壁与绝热笼的底部之间设有多个百叶片，每个百叶片上贯穿一转动轴，所有的转动轴与一旋转驱动机构连接，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。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，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。百叶片的控制方法如下：百叶片通过旋转驱动机构(如电机)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。

本实用新型的双腔室可控热场和其它铸锭热场相比具有两大突出的优势：

1、传统热场设计中，为了协调整个晶体生长过程或者关注某一阶段的晶体生长界面的需求，不得不放弃一定阶段生长时界面控制能力，或者额外的增加工艺时间及电能消耗。而采用双腔室可控热场可以通过升降绝热隔板来修正任何时刻的固液界面及硅熔体的温度梯度。在缓慢的晶体生长过程中，绝热隔板的移动能够使固液界面位置和形状契合在一起，实现最佳的晶体生长环境。同时无论最终用户需要何种形式的固液界面，也都可以利用调整绝热隔板位置加以实现。

2、本实用新型能在有限的散热空间中，有效地增加温度梯度，发挥出最大晶体生长驱动力。该本实用新型可以使底部已经凝固的硅不再作为限制热量导出的热阻，而是成为有一定热交换能力的部件。这样能保证晶体生长中后期能够获得足够的温度梯度并转换为生长驱动力，当需要较大生长驱动力时，可以使绝热隔板位于较高位置；反之则使绝热隔板处于较低位置。

本实用新型从根本上解决了温度梯度控制和固液界面控制两大难题，同时安装和使用非常简便，实际工程应用前景无可限量。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型晶硅铸锭炉双腔室热场的一种结构示意图。

图2为本实用新型绝热隔板与升降驱动机构的连接结构图。

图3为本实用新型百叶片与旋转驱动机构的连接结构图。

图4-9为本实用新型晶硅铸锭炉双腔室热场的另外几种结构示意图。

图10-11为本实用新型绝热隔板处于最低位及上移后的热场模拟图。

图12为本实用新型形成下凹固液界面形状的热场模拟图。

图13为本实用新型形成上凸固液界面形状的热场模拟图。

图14-17为本实用新型晶体生长热场过程中各阶段的热场模拟图。

具体实施方式

如图1所示的晶硅铸锭炉双腔室热场，其由绝热笼3、设置于绝热笼内的单上加热器2、用于放置坩埚7的热交换台8和用于热交换台与绝热笼外部间进行散热的热门组成，所述绝热笼的下方设有水冷板5，热交换台8置于绝热笼3内，所述绝热笼3的内壁上设有一圈抵触在其上且能沿其升降的绝热隔板1。绝热隔板1位于绝热笼的内壁与热交换台外壁之间，位于热交换台两侧的绝热隔板上均固接吊杆6，所述的吊杆上端穿过绝热笼与升降驱动机构9连接，如图2所示。

水冷板5与绝热笼3的底部之间设有多个百叶片4，如图3所示，每个百叶片4上贯穿转动轴10，所有的转动轴10与旋转驱动机构11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。转动轴10通过夹具12固定在百叶片4上，夹具由耐高温的金属或非金属制成，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。百叶片的控制方法如下：百叶片通过旋转驱动机构11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。

本实用新型的双腔室结构也可以应用在以下组合结构中，形成晶硅铸锭炉双腔室热场的另外几种结构：

A.移动绝热隔板，上下加热器，百叶热门与水冷板组合，见图4；

B.移动绝热隔板，单上加热器，绝热底板下移与水冷炉壁组合，见图5；

C.移动绝热隔板，上及侧面加热器，绝热底板下移与水冷炉壁组合，见图6；

D.移动绝热隔板，上下及侧面加热器，绝热底板下移与水冷炉壁组合，见图7；

E.移动绝热隔板，上及侧面加热器，绝热笼提升与水冷炉壁组合，见图8；

F.移动绝热隔板，单上加热器，绝热笼提升与水冷炉壁组合，见图9。

当热场热门处于关闭状态下，并且固液界面维持在基本一致高度上时，高低相差170mm的绝热隔板位置能够为硅液内部带来接近1.4倍的温度梯度差，绝热隔板处于最低位(即0位)的热场模拟图如图10所示，绝热隔板上移后的热场模拟图如图11所示。当热门不断打开时，该温差成线性比例增加。

通常情况下，固液界面控制调整可以按以下方式进行：当用户需要下凹的固液界面形状，那么绝热隔板可以位于较高的位置，如图12所示；当用户需要上凸的固液界面形状，那么绝热隔板可以位于较低位置，如图13所示。

利用本实用新型晶硅铸锭炉双腔室热场对晶体生长过程的控制方法如下：

当铸锭炉处于熔化阶段，绝热隔板下降到最低位，热场模拟图(见图14)中可以看到，上腔室同时包含加热器和热交换台。热量通过硅液表面，侧壁，底部同时进入硅熔体，不但可以大幅减少硅液上下端温差，而且能提高熔化速度。

当铸锭处于晶核形成阶段，绝热隔板位置上移，热场模拟图(见图15)该阶段需要迅速降低底部温度，形成足够的过冷度，保证晶核有序形成。而绝热隔板上移可以起到这样的效用。该阶段同样适用于籽晶保护位置。绝热隔板的调节可以保证缓慢熔化过程中，固液界面维持在水平状态。

当铸锭进入中期，热场模拟图(见图16)显示，绝热隔板可以继续向上运动，始终保持硅熔体部分位于热腔，硅固体部分位于较冷腔，从而确保晶体生长驱动力，维持恒定的晶体生长速度，并且升降绝热隔板还可以保持固液界面水平。

当铸锭进入后期降绝热隔板也运行至顶部(见图17)，透顶阶段顶部平整，大幅度减少长角工艺时间。

当铸锭结束，进入退火阶段，绝热隔板回到最低位，再一次保证了硅固体中较为均匀的温度分布，减少热应力的产生。

Claims (4)

1.一种晶硅铸锭炉双腔室热场，包括绝热笼、设置于绝热笼内的加热器、用于放置坩埚的热交换台和用于热交换台与绝热笼外部间进行散热的热门，所述绝热笼的下方设有一水冷板或水冷炉壁，热交换台置于绝热笼内，其特征在于：所述绝热笼的内壁上设有一圈抵触在其上且能沿其升降的绝热隔板，绝热隔板位于绝热笼的内壁与热交换台外壁之间，位于热交换台两侧的绝热隔板上均固接一吊杆，所述的吊杆上端穿过绝热笼与一升降驱动机构连接。

2.根据权利要求1所述的晶硅铸锭炉双腔室热场，其特征在于所述的水冷板或水冷炉壁与绝热笼的底部之间设有多个百叶片，每个百叶片上贯穿一转动轴，所有的转动轴与一旋转驱动机构连接，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。

3.根据权利要求2所述的晶硅铸锭炉双腔室热场，其特征在于所述的转动轴通过夹具固定在百叶片上，夹具的材质为耐高温的金属或非金属。

4.根据权利要求2所述的晶硅铸锭炉双腔室热场，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。

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