CN204874813U - 一种用于单晶硅生长的热屏装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于单晶硅生长的热屏装置，包括上部热屏和设置于所述上部热屏内的下部热屏，在所述上部热屏内开设有上部通孔，所述下部热屏自所述上部通孔的下端口伸出所述上部热屏，所述下部热屏能够在所述上部通孔内沿所述上部通孔的轴线方向移动。本实用新型提供的热屏装置，在保持现有直拉硅单晶炉热场结构不变的情况下，充分利用热屏下沿空间装料，装置简单易行，大大增加了实际的装料量，并且提升了单晶硅的品质，提高了生产效率。

Description

一种用于单晶硅生长的热屏装置

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏行业单晶硅的生产装置，具体为一种用于单晶硅生长的热屏装置。

背景技术

在光伏行业中，绝大多数的光伏电池都是基于硅材料制作的。现有的硅太阳能电池所采用的基底主要包括P型和N型两种硅片，太阳能电池工业化生产中通常以P型硅材料为主，然而，P型单晶硅电池组件中普遍存在着光致衰减现象，这是因为在P型单晶硅中存在B-O复合缺陷和C-O复合缺陷，使得硅材料少子寿命和扩散长度降低，从而影响了电池的转换效率。与在P型硅片上制造的太阳电池相比，N型硅片由于不存在B-O复合缺陷，以其为基底制造的太阳电池几乎没有光衰减现象。并且N型硅片的少子寿命高于P型硅片，因此N型硅太阳电池正在得到越来越多的关注，N型晶体硅也已经开始被应用于高效太阳能电池的制备中。

目前，太阳能级单晶硅的生产普遍采用直拉单晶炉，基本的生产工艺流程为：装料→化料→稳定→引晶→放肩→转肩→等径生长→收尾→停炉冷却→取棒、清炉。生产中所用原料为块状多晶硅，一次性投入单晶炉内的石英坩埚中。

现有的直拉单晶硅炉所使用的热场基本都配有热屏装置，又称导流筒。在单晶硅棒的拉制过程中，热屏作为热场的一个重要组成部件，主要用于引导氩气流向，形成有利于单晶生长的温度梯度分布。与敞口热场相比，采用这种热屏蔽技术，可以有效地提高硅单晶生长速度，并降低单晶硅生产的电耗。然而，随着单晶炉热场尺寸的增大，热屏的尺寸也相应变大，直接导致制造成本居高不下，并且，一旦损坏，需要整体更换，不利于使用成本的降低。

另外，目前广泛使用的热屏均由石墨经过机加工制造而成，热屏的石墨材质纯度不够，会使炉内气氛中含有多种微量杂质，如Fe等金属杂质。当晶体生长时，这些微量杂质会附着于晶棒表面，并在较高的温度场中向晶棒内部扩散，导致硅单晶少子寿命低。并且石墨制成的热屏如果直接与单晶原料进行接触，还会使得单晶硅碳含量超标，进一步影响单晶品质。

此外，在热场中使用热屏后，热屏还会挤压石英坩埚的装料空间，多晶硅料在装入炉内时呈固体状态，堆叠在石英坩埚中存在很多空隙，硅料经过加热熔化成液体后，由于固、液体的密度不同，使得液态的硅料只有固体状态体积的一半左右。因此，待硅料熔化完后石英坩埚内尚有大量空间未用，减少了直拉单晶炉的装料量，降低石英坩埚的利用率，增加了生产成本。若石英坩埚装料过多，则固体的多晶硅料会突出于石英坩埚之上，与石英坩埚上方的热屏相接触，影响单晶品质。

为了解决上述问题，现有技术通常采用的方法有两种：1).采用在熔化多晶硅料时，利用籽晶升降装置将热屏悬挂起来，化料完成后再将其归位的方法，以解决热屏挤压石英坩埚装料空间的问题，但是这种方法会增加化料所需功率，增加电耗，并且由于热屏较重，悬挂的方式还会增加热屏发生断裂、掉落的风险，降低其使用寿命。2).采用二次加料方法，化料完成后，利用二次加料装置，再次向石英坩埚内装入多晶原料，但这种方法对原料有特殊要求，需要小颗粒料或棒状料，并且操作复杂。

授权公告号为CN203923446U的专利提供了一种单晶炉用热屏，其包括至少一个筒主体，筒主体由多个拼接块拼接而成，虽然无需大块的材料也可加工而成，加工成本低并且加工难度小，但其安装拆卸步骤较为复杂，并且热屏内筒由石墨制成，会影响单晶硅的少子寿命，并增加单晶硅碳含量超标的风险。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种用于单晶硅生长的热屏装置，包括上部热屏和设置于所述上部热屏内的下部热屏，在所述上部热屏内开设有上部通孔，所述下部热屏自所述上部通孔的下端口伸出所述上部热屏，所述下部热屏能够在所述上部通孔内沿所述上部通孔的轴线方向移动。

根据本实用新型的一实施方式，所述下部热屏的高度为所述上部热屏和所述下部热屏高度之和的1/2～3/4。

根据本实用新型的另一实施方式，在所述下部热屏内设置有下部通孔，所述上部通孔和所述下部通孔相连通。

根据本实用新型的另一实施方式，所述上部通孔的上端口与下端口的直径比为1:0.75～0.95；所述下部通孔的上端口与下端口的直径比为1:0.75～0.95。

根据本实用新型的另一实施方式，所述上部通孔为上宽下窄的阶梯孔，在所述上部热屏的底端形成有一凸台；所述下部热屏包括环绕所述下部通孔的筒体，所述筒体的顶端向远离所述下部通孔的四周延伸形成突出于所述筒体的上沿部，所述下部热屏通过所述上沿部钩挂于所述上部热屏的凸台。

根据本实用新型的另一实施方式，所述上沿部的径向尺寸介于所述上部通孔的上端口和下端口的径向尺寸之间，所述筒体的径向尺寸小于所述上部通孔的下端口。

根据本实用新型的另一实施方式，还包括设置于所述筒体上沿部的多个钩挂部件。

根据本实用新型的另一实施方式，所述下部热屏包括下部内筒和设置于所述下部内筒外的下部外筒，在所述下部内筒和所述下部外筒之间形成有下部空腔，在所述下部空腔内设置有保温层和钼反射板；所述上部热屏包括上部内筒和设置于所述上部内筒外的上部外筒，在所述上部内筒和所述上部外筒之间形成有上部空腔，在所述上部空腔内设置有保温层和钼反射板。

根据本实用新型的另一实施方式，在所述下部内筒的下端部开设有第一环形槽，在所述下部外筒的下端部形成有与所述环形槽相配合将所述下部内筒与所述下部外筒相固定的第一环形凸起；在所述上部内筒的下端部开设有第二环形槽，在所述上部外筒的下端部形成有与所述第二环形槽相配合将所述上部内筒与所述上部外筒相固定的第二环形凸起。

根据本实用新型的另一实施方式，所述上部内筒、下部内筒的材质为石英，所述上部外筒、下部外筒的材质为耐高温复合材料。

本实用新型的有益效果在于，本实用新型提供的热屏装置，在保持现有直拉硅单晶炉热场结构不变的情况下，充分利用热屏下沿空间装料，装置简单易行，大大增加了实际的装料量，提升了单晶硅品质，提高了生产效率。

附图说明

图1为本实用新型一实施方式的热屏装置的剖视图；

图2为本实用新型一实施方式的下部热屏中下部内筒的结构示意图；

图3为本实用新型一实施方式的下部热屏中下部内筒的俯视图；

图4为本实用新型一实施方式的下部热屏中下部外筒的结构示意图；

图5为本实用新型一实施方式的下部热屏中下部外筒的俯视图；

图6为本实用新型另一实施方式的热屏装置的剖视图；

图7为本实用新型另一实施方式的下部热屏中下部内筒的结构示意图；

图8为本实用新型另一实施方式的下部热屏中下部内筒的俯视图；

图9为本实用新型另一实施方式的下部热屏中下部外筒的结构示意图；

图10为本实用新型另一实施方式的下部热屏中下部外筒的俯视图。

具体实施方式

体现本实用新型特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本实用新型能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本实用新型的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本实用新型。

本实用新型中所涉及的上、下等方位名词仅用于结合附图解释本实用新型，并非对本实用新型的限定。

本实用新型一实施方式的用于单晶硅生长的热屏装置，位于盛放多晶硅原料的坩埚的上方，如图1所示，热屏装置包括上部热屏1和设置于上部热屏1内的下部热屏2，在上部热屏1内开设有上部通孔11，在下部热屏2内开设有下部通孔21，下部热屏2自上部通孔11的下端口伸出上部热屏1，下部热屏2可在上部通孔11内沿上部通孔11的轴线方向移动。

上部通孔11和下部通孔21相连通，优选地，上部通孔11和下部通孔21具有相同的轴线。上部通孔11和下部通孔21优选为圆孔(横截面为圆形)，上部通孔11的上端口与下端口的直径比优选为1:0.75～0.95，进一步优选为1:0.76。下部通孔21的上端口与下端口的直径比优选为1:0.75～0.95，进一步优选为1:0.9。上部通孔11优选为上宽下窄的阶梯孔，上部热屏1可包括环绕上部通孔11的上部筒体，上部筒体的底端向其内部延伸形成凸台12。上部筒体与凸台12的夹角可以为90°，以使上部通孔11为标准的T形孔；上部筒体与凸台12的夹角也可以大于90°，即上部筒体的径向尺寸自上至下逐渐变小。

下部热屏2可包括环绕下部通孔21的下部筒体，下部筒体的顶端向远离下部通孔21的四周延伸形成突出于下部筒体的上沿部22，上沿部22的径向尺寸介于上部通孔11的上端口与下端口的径向尺寸之间，下部筒体的径向尺寸小于上部通孔11的下端口，使得上沿部22可钩挂于凸台12上，并可使下部热屏2活动地设置于上部热屏1的下部。

下部筒体与上沿部22的夹角可以为90°，也可以大于90°，即下部筒体的横向尺寸自上至下逐渐变小。

在下部热屏2的上沿部还可设置有钩挂部件23，其可以是例如挂钩，钩挂部件23可与设置在籽晶升降装置上的热屏挂架配合使用，实现下部热屏2在上部通孔11内的移动。钩挂部件23可通过螺钉24、螺钉25固定于开设有螺孔的上沿部22。

拉晶操作中，热屏装置沿与坩埚相同的轴线安置于坩埚上方，下部热屏2通过钩挂部件23与设置在籽晶升降装置上的热屏挂架连接，可实现上下移动，装硅料时通过籽晶升降装置提升下部热屏2，使其进入上部热屏1的上部通孔11，其下底面与固体硅料能够保持一定距离，通过充分利用下部热屏2与坩埚之间的空间来增大单晶硅炉的实际装料量，达到提高产量、降低单炉投炉成本的目的。

下部热屏2的高度可以为上部热屏1和下部热屏2高度之和的1/2～3/4；优选地，下部热屏2的高度为上、下部热屏总高度的1/2～2/3；进一步优选地，下部热屏2的高度为上、下部热屏总高度的55％。如此，可在保证悬挂下部热屏质量不宜过大的同时，又保证了坩埚与下部热屏2底部之间有足够的装料空间。

如图1所示，在本实用新型的一实施方式中，上部热屏1包括围绕上部通孔11的上部内筒13，位于上部内筒13外部的上部外筒14，上部内筒13和上部外筒14优选为圆筒，上部内筒13与上部外筒14的竖截面相同，均为两个对称的Z形，但尺寸不同，使得上部内筒13和上部外筒14之间形成有环形的空腔，上部内筒13和上部外筒14的底端相配合形成环形的凸台12。环形的保温层15和钼反射板16填充于上述空腔内，其中，上部内筒13、保温层15、钼反射板16、上部外筒14由内而外依次设置，钼反射板16与上部外筒14紧密贴合，且上部热屏1各部件之间未设紧固件，便于拆装。

下部热屏2的结构可与上部热屏1相类似，包括围绕下部通孔21的下部内筒26，位于下部内筒26外部的下部外筒27，下部内筒26和下部外筒27优选为圆筒，在下部内筒26和下部外筒27之间形成有空腔，保温层28和钼反射板29填充于该空腔内，下部内筒26、保温层28、钼反射板29、下部外筒27由内而外依次设置，且钼反射板29与下部外筒27紧密贴合。

如图2、3所示，本实用新型一实施方式的下部内筒26为自下而上逐渐变宽的两端开口的圆筒，在其下端部开设有环形槽261，其上端部向远离下部通孔21的四周延伸形成突出于圆筒筒体的环形的第一上沿部22a，在第一上沿部22a上等间隔地开设有三组螺纹孔，每组螺纹孔均包括三个螺孔：螺孔262和两个螺孔263。

如图4、5所示，本实用新型一实施方式的下部外筒27为自下而上逐渐变宽的两端开口的圆筒，其下端部向圆筒内部延伸形成一平台，以与下部内筒26配合形成容纳保温层28、钼反射板29的空间，在该平台的端部形成有环形凸起271，环形凸起271可与环形槽261相配合将下部内筒26与下部外筒27卡固在一起，避免了紧固件的使用，便于拆装。另外，上部内筒13和上部外筒14的固定方式可与下部内筒26与下部外筒27相同。

下部外筒27的圆筒的上端部向远离下部通孔21的四周延伸形成突出于圆筒筒体的环形的第二上沿部22b，其与下部内筒26的第一上沿部22a相叠合构成上沿部22。在第二上沿部22b上等间隔地开设有三组螺纹孔，每组螺纹孔均包括两个螺孔272。其中，螺孔263、螺孔272与螺钉25配合使用，螺孔262与螺钉24配合使用，以使钩挂部件23固定于上沿部22。

图6至10所示为本实用新型另一实施方式的热屏装置及其部件的示意图，其与上述热屏装置的差异主要在于，保温层28和钼反射板29的位置不同以及开设的螺孔的数量不同。本实施方式中，保温层28位于钼反射板29与下部外筒27之间，钼反射板29位于下部内筒26与保温层28之间。另外，在下部内筒26和下部外筒27的第一上沿部22a、第二上沿部22b分别等间隔地开设四组螺纹孔，以与四组螺钉配合固定钩挂部件23。

本实用新型中，上部外筒14、下部外筒27的材质优选为耐高温复合材料，例如可以为碳碳复合材料。上部内筒13、下部内筒26的材质优选为高纯石英材质，保温层15、保温层28均可以为固化碳毡。上部内筒13、下部内筒26使用高纯石英材质制作，减少了石墨制成的内筒本体与单晶原料接触的几率，有效控制了单晶硅碳含量超标的概率，使得单晶品质不断提升。由于钼反射板具有反射热量的功能，因此在内筒与外筒之间设置钼反射板和保温层，可以提高热屏装置的保温性能，从而提高晶体的生长速率，并进一步提高生产效率。

本实用新型提供的热屏装置，在保持现有直拉硅单晶炉热场结构不变的情况下，充分利用热屏下沿空间装料，装置简单易行，大大增加了实际的装料量，提高了生产效率。

本实用新型的热屏装置，结构简单，在装炉化料时通过籽晶升降装置提升下部热屏，增加下部热屏和坩埚之间的距离，从而比现有的多晶炉多装至少15％的硅料，由于硅料加入炉内时呈固体状态，堆叠在炉内存在很多空隙，而当加热后随着硅料熔化，成为液体状态，体积减小，这时降下下部热屏，使上、下部热屏紧密配合，即可进行下一步工序。

本实用新型的有益之处还在于，既实现了悬挂热屏，又减轻了悬挂热屏的重量，提高了热屏使用寿命。

本实用新型的热屏装置，在上部热屏或下部热屏发生损坏而影响使用时，仅需更换发生损坏的部分即可，进一步增加了热屏的使用寿命，降低了使用成本。

本实用新型的热屏装置的内筒均由高纯石英制成，避免了石墨制成的热屏本体与单晶原料接触的几率，可以有效控制单晶硅碳含量超标发生的概率，并不断提升单晶硅的内在质量。

除非特别限定，本实用新型所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。

本实用新型所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本实用新型的保护范围，本领域技术人员可在本实用新型的范围内作出各种其他替换、改变和改进，因而，本实用新型不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种用于单晶硅生长的热屏装置，其特征在于，包括上部热屏和设置于所述上部热屏内的下部热屏，在所述上部热屏内开设有上部通孔，所述下部热屏自所述上部通孔的下端口伸出所述上部热屏，所述下部热屏能够在所述上部通孔内沿所述上部通孔的轴线方向移动。

2.根据权利要求1所述的热屏装置，其特征在于，所述下部热屏的高度为所述上部热屏和所述下部热屏高度之和的1/2～3/4。

3.根据权利要求1所述的热屏装置，其特征在于，在所述下部热屏内设置有下部通孔，所述上部通孔和所述下部通孔相连通。

4.根据权利要求3所述的热屏装置，其特征在于，所述上部通孔的上端口与下端口的直径比为1:0.75～0.95；所述下部通孔的上端口与下端口的直径比为1:0.75～0.95。

5.根据权利要求3所述的热屏装置，其特征在于，所述上部通孔为上宽下窄的阶梯孔，在所述上部热屏的底端形成有一凸台；所述下部热屏包括环绕所述下部通孔的筒体，所述筒体的顶端向远离所述下部通孔的四周延伸形成突出于所述筒体的上沿部，所述下部热屏通过所述上沿部钩挂于所述上部热屏的凸台。

6.根据权利要求5所述的热屏装置，其特征在于，所述上沿部的径向尺寸介于所述上部通孔的上端口和下端口的径向尺寸之间，所述筒体的径向尺寸小于所述上部通孔的下端口。

7.根据权利要求5所述的热屏装置，其特征在于，还包括设置于所述筒体上沿部的多个钩挂部件。

8.根据权利要求5所述的热屏装置，其特征在于，所述下部热屏包括下部内筒和设置于所述下部内筒外的下部外筒，在所述下部内筒和所述下部外筒之间形成有下部空腔，在所述下部空腔内设置有保温层和钼反射板；

所述上部热屏包括上部内筒和设置于所述上部内筒外的上部外筒，在所述上部内筒和所述上部外筒之间形成有上部空腔，在所述上部空腔内设置有保温层和钼反射板。

9.根据权利要求8所述的热屏装置，其特征在于，在所述下部内筒的下端部开设有第一环形槽，在所述下部外筒的下端部形成有与所述环形槽相配合将所述下部内筒与所述下部外筒相固定的第一环形凸起；

在所述上部内筒的下端部开设有第二环形槽，在所述上部外筒的下端部形成有与所述第二环形槽相配合将所述上部内筒与所述上部外筒相固定的第二环形凸起。

10.根据权利要求8所述的热屏装置，其特征在于，所述上部内筒、下部内筒的材质为石英，所述上部外筒、下部外筒的材质为耐高温复合材料。