CN208667897U - 一种可提升拉速的单晶硅连续生产结晶的单晶炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于单晶硅生产领域，旨在提供一种可提升拉速的单晶硅连续生产结晶的单晶炉，包括炉体，炉盖，二次加料装置，加热器，加热器与升降装置连接，加热器的外侧设有用于冷却融化后硅料的水冷管。通过调整石英坩埚和加热器相对位置，避免硅料熔化前期出现再次结晶风险，保证拉晶时，埚内液面处于高温区，这样拉晶时功耗会降低，进而可以降低氧含量，同时关闭加热开关并打开冷却开关使得电磁阀导通，进而使得炉体内部环境降温，即使得石英坩埚内的单晶硅料结晶，在加料前通过降温度让炉内硅料结晶，形成固体，加料时将固体硅料加到炉内的结晶固体上，从而达到避免硅料溅到其他部件上的风险，可实现连续生产结晶的目的。

Description

一种可提升拉速的单晶硅连续生产结晶的单晶炉

技术领域

本实用新型属于单晶硅生产领域，尤其是涉及一种可提升拉速的单晶硅连续生产结晶的单晶炉。

背景技术

单晶硅是晶硅电池的重要原材料，近年来光伏市场迅猛发展，竞争也日趋激烈，很多光伏单位都在推进提升拉晶速度、多次投料等技术的应用，这些技术能直接推动单晶硅非硅成本的下降；为提高晶硅电池的光电转换效率，IBC、HIT、PERC等技术开始应用于规模化生产；实际生产中，单晶硅一般都会还有氧，并且氧分布是头高尾低，原材料单晶硅中的氧，会与掺杂剂硼元素形成B-O复合体，造成晶硅电池光电转化效率下降，也会影响新技术的使用效果，因此降低单晶硅中氧含量对光伏行业有着深远的意义。

中国发明申请公布号CN107523869A公开了一种单晶炉可提升水冷热屏装置。该种单晶炉可提升水冷热屏装置包括热屏提升装置、水冷热屏、热屏上环、热屏下环、热屏外环、炉体上保温盖、快卸螺母、浸液保护装置，用于设置在单晶炉炉体内石英坩埚的上方。虽然该装置实现加大晶体的纵向温度梯度，也可升降，且其余水冷热屏和原先石墨热屏内环尺寸一致，不会对其气流等产生影响，但是该装置不能很好的控制温度梯度变化，进而不能很好的控制单晶硅中的氧含量。

实用新型内容

为解决以上存在的技术问题，本实用新型旨在提出一种可提升拉速的单晶硅连续生产结晶的单晶炉，以解决现有单晶硅生产中温度梯度变化控制和因氧含量高导致的质量问题。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种可提升拉速的单晶硅连续生产结晶的单晶炉，包括炉体，所述炉体的顶端设有用于密封的炉盖，所述炉体的内部设有盛放硅料的石英坩埚，所述炉盖的中部穿插设有用于加料的二次加料装置，炉盖的边部上部设有升降装置，所述的升降装置包括自动升降电机、提升架、卷管和钼丝绳，所述升降装置的钼丝绳连接有置于炉体内用于加热融化硅料的加热器，所述加热器置于所述石英坩埚的外侧,所述加热器的外侧设有用于冷却融化后硅料的水冷管，所述水冷管的两端分别与两个连接管的一端相通，两个所述连接管的另一端均穿过炉体的侧壁，其中一个所述连接管上设有电磁阀，所述石英坩埚的底端固定设有用于支撑的托盘，所述托盘的底端通过连接轴与电机的转轴固定连接，所述炉体上设有控制箱，所述控制箱上分别嵌设有转动开关、加热开关、冷却开关和升降开关，所述电机与转动开关电性连接，所述加热器与加热开关电性连接，所述电磁阀与冷却开关电性连接，所述的升降装置与升降开关电性连接，所述转动开关、加热开关、冷却开关和升降开关均与外接电源电性连接。

进一步的，所述的加热器由多个长加热片和多个短加热片通过连接片交替串联围合而成，所述长加热片和所述短加热片等宽且顶部平齐设置，所述加热器上部为高温区，其下部为低温区，每个长加热片和其相邻的短加热片间形成有间隙，每一个长加热片顶部沿加热器径向开设有一第一通槽，每一个短加热片顶部沿加热器径向开设有一第二通槽，第一通槽槽深大于第二通槽槽深。

进一步的，所述短加热片长度与长加热片长度比在1/5至3/4间。

进一步的，所述第一通槽宽度、第二通槽宽度及间隙等宽设置，该宽度为25mm。

进一步的，所述第一通槽槽底厚度和第二通槽槽底厚度相同，该厚度等于连接片高度，同时该厚度＝长加热片宽度/2。

进一步的，与所述水冷管一端连接的连接管与外接水源连接，与所述水冷管另一端连接的连接管与排水管道连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本发明所述的实用新型通过交替串联的长加热片和短加热片围合而成，并且上部分发热片密集，发热量大，为高温区，下部分发热量少，为低温区，该结构减小了坩埚内竖直方向上温度梯度变化，进而实现氧含量的降低，同时，通过调整石英坩埚和加热器相对位置，避免硅料熔化前期出现再次结晶风险，保证拉晶时，埚内液面处于高温区，这样拉晶时功耗会降低，功耗降低会较弱石英坩埚和熔体硅的反应，进而可以降低氧含量。

同时关闭加热开关使得加热器停止工作，并打开冷却开关使得电磁阀导通，进而使得外接冷却水源源不断经过水冷管，进而使得炉体内部环境降温，即使得石英坩埚内的单晶硅料结晶，在加料前通过降温度让炉内硅料结晶，形成固体，加料时将固体硅料加到炉内的结晶固体上，从而达到避免硅料溅到其他部件上的风险，为后续拉晶创造合适条件。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型的一种可提升拉速的单晶硅连续生产结晶的单晶炉结构示意图；

图2为本实用新型实施例所述的加热器结构示意图；

图中：1-炉体，2-炉盖，3-石英坩埚，4-二次加料装置，5-水冷管，6-连接管，7-电磁阀，8-托盘，9-电机，10-控制箱，11-加热器，12-长加热片，13-短加热片，14-连接片，15-间隙，16-第一通槽，17-第二通槽，18-自动升降电机，19-提升架，20-卷管，21-钼丝绳。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1所示，一种可提升拉速的单晶硅连续生产结晶的单晶炉，包括炉体(1)，所述炉体(1)的顶端设有用于密封的炉盖(2)，所述炉体(1)的内部设有盛放硅料的石英坩埚(3)，所述炉盖(2)的中部穿插设有用于加料的二次加料装置(4)，炉盖(2)的边部上部设有升降装置，所述的升降装置包括自动升降电机(18)、提升架(19)、卷管(20)和钼丝绳(21)，所述升降装置的钼丝绳(21)连接有置于炉体(1)内用于加热融化硅料的加热器(11)，所述加热器(11)置于所述石英坩埚(3)的外侧,所述加热器(11)的外侧设有用于冷却融化后硅料的水冷管(5)，所述水冷管(5)的两端分别与两个连接管(6)的一端相通，两个所述连接管(6)的另一端均穿过炉体(1)的侧壁，其中一个所述连接管(6)上设有电磁阀(7)，所述石英坩埚(3)的底端固定设有用于支撑的托盘(8)，所述托盘(8)的底端通过连接轴与电机(9)的转轴固定连接，所述炉体(1)上设有控制箱(10)，所述控制箱(10)上分别嵌设有转动开关、加热开关、冷却开关和升降开关，所述电机(9)与转动开关电性连接，所述加热器(11)与加热开关电性连接，所述电磁阀(7)与冷却开关电性连接，所述升降装置与升降开关电性连接，所述转动开关、加热开关、冷却开关和升降开关均与外接电源电性连接。

如图2所示，加热器11由多个长加热片12和多个短加热片13通过连接片14交替串联围合而成，所述长加热片12和所述短加热片13等宽且顶部平齐设置，所述短加热片13长度与长加热片12长度比在1/5至3/4间。所述加热器11上部为高温区，其下部为低温区，每个长加热片12和其相邻的短加热片13间形成有间隙15，每一个长加热片12顶部沿加热器11径向开设有一第一通槽16，且该第一通槽16中线和长加热片12沿加热器11轴向方向中线相交，每一个短加热片13顶部沿加热器11径向开设有一第二通槽17，且该第二通槽17中线和短加热片13沿加热器11轴向方向中线相交，所述第一通槽16宽度、第二通槽17宽度等宽，且分别和间隙15宽度相等，该宽度为25mm，第一通槽16槽深大于第二通槽17槽深。

本实施例中，所述第一通槽16槽底厚度和第二通槽17槽底厚度相同，该厚度等于连接片14高度，同时该厚度＝长加热片12宽度/2，该结构保证加热器11温度均匀性。

具体实施步骤：

首先，打开炉盖2向石英坩埚3内放入单晶硅料，将加热器11放于炉体1内，利用升降开关控制升降装置调整加热器11和石英坩埚3的相对位置，保证石英坩埚3顶部相对于加热器11顶部低60-70mm，此时石英坩埚3埚底处于加热器11低温区；且向二次加料装置4套筒内加入需要二次加料的单晶硅料，然后盖上炉盖2。

第二步，打开转动开关和加热开关使得电机9和加热器11工作，加热器11工作会将单晶硅料加热融化，通过升降开关控制升降装置将加热器11下移30-40mm，此时坩石英坩埚3底处于加热器11高温区下部区域；化料过程中，硅料开始大量熔化，此时还有固态硅存在埚底部，同时液态硅流向底部，加热器11继续向下移15-25mm,因加热器11加热后形成加热梯度，本步骤中二次下移加热器11保证石英坩埚3底处于高温区下部区域的较高温度区，避免石英坩埚3底部出现凝固现象；电机9的工作会使得石英坩埚3匀速转动，进而使得石英坩埚3内的单晶硅料均匀加热融化。

第三步，坩埚内固态硅继续熔化，大量熔体硅出现，适时对石英坩埚3内物料监测，当未熔硅全部漂浮在硅液中时，此时液面位于加热器11顶部以下，将石英坩埚3顶部高出加热器11的短加热片13长度的1/5，由于石英坩埚3埚底处于高温区，因此有效避免熔体凝固现象出现；当石英坩埚3内硅料整体熔化呈液态时，控制炉体1内温度不变，再利用升降开关控制升降装置来降低加热器11位置直至埚内液面距离加热器11顶部的距离为短加热片13长度的3/10，此时液面位于高温区上部区域，在该温度下加热器11位置保持不变1-2小时；调整炉体1温度，对坩埚内硅液进行引晶生产，引晶过程中保持石英坩埚3内液面处于高温区，且继续保持坩埚内液面距离加热器11顶部的距离为短加热片13长度的3/10间。

第四步，对引晶后的硅棒进行放肩转肩生产，放肩转肩生产中，保持石英坩埚3内液面距离加热器11顶部的距离为短加热片13长度的3/10间，单晶硅棒转肩后进行等经生产，有效降低单晶硅棒中等径头部的含氧量。

第五步，关闭加热开关使得加热器11停止工作，同时打开冷却开关使得电磁阀7导通，进而使得外接冷却水源源不断经过水冷管5，进而使得炉体1内部环境降温，即使得石英坩埚3内的单晶硅料结晶。

最后，通过二次加料装置4使得套筒内的单晶硅料倒入石英坩埚3内，完成二次加料操作。

本实用新型的工作原理是，通过调整化料、温度稳定化节段及等径节段坩埚、液面相对于加热器位置，保证硅棒生产过程中，通过调整坩埚和加热器相对位置，避免硅料熔化前期出现再次结晶风险，同时，保证拉晶时，埚内液面处于高温区，这样拉晶时功耗会降低，功耗降低会较弱石英坩埚和熔体硅的反应，进而可以降低氧含量。

温度稳定化和等径过程加热器调整，是利用该加热器的特性(上部发热量大)，将液面控制在高温区，进而降低功耗，同样可以实现减弱熔体硅与石英坩埚反应的目的，进而降低氧含量；等径过程中可以将加热器逐渐下移，既能够保证头部氧含量降低，不影响后期的成晶，且在二次加料前通过水冷管通水使得石英坩埚降温，进而使得硅料结晶，形成固体，然后通过二次加料装置将固体硅料加到炉内的结晶固体上，从而达到避免硅料溅到其他部件上的风险，为后绪拉晶创造合适条件，可实现连续生产结晶的目的。

Claims (6)

1.一种可提升拉速的单晶硅连续生产结晶的单晶炉，包括炉体(1)，所述炉体(1)的顶端设有用于密封的炉盖(2)，所述炉体(1)的内部设有盛放硅料的石英坩埚(3)，所述炉盖(2)的中部穿插设有用于加料的二次加料装置(4)，炉盖(2)的边部上部设有升降装置，所述的升降装置包括自动升降电机(18)、提升架(19)、卷管(20)和钼丝绳(21)，其特征在于：所述升降装置的钼丝绳(21)连接有置于炉体(1)内用于加热融化硅料的加热器(11)，所述加热器(11)置于所述石英坩埚(3)的外侧,所述加热器(11)的外侧设有用于冷却融化后硅料的水冷管(5)，所述水冷管(5)的两端分别与两个连接管(6)的一端相通，两个所述连接管(6)的另一端均穿过炉体(1)的侧壁，其中一个所述连接管(6)上设有电磁阀(7)，所述石英坩埚(3)的底端固定设有用于支撑的托盘(8)，所述托盘(8)的底端通过连接轴与电机(9)的转轴固定连接，所述炉体(1)上设有控制箱(10)，所述控制箱(10)上分别嵌设有转动开关、加热开关、冷却开关和升降开关，所述电机(9)与转动开关电性连接，所述加热器(11)与加热开关电性连接，所述电磁阀(7)与冷却开关电性连接，所述升降装置与升降开关电性连接，所述转动开关、加热开关、冷却开关和升降开关均与外接电源电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种可提升拉速的单晶硅连续生产结晶的单晶炉，其特征在于，所述的加热器(11)由多个长加热片(12)和多个短加热片(13)通过连接片(14)交替串联围合而成，所述长加热片(12)和所述短加热片(13)等宽且顶部平齐设置，所述加热器(11)上部为高温区，其下部为低温区，每个长加热片(12)和其相邻的短加热片(13)间形成有间隙(15)，每一个长加热片(12)顶部沿加热器(11)径向开设有一第一通槽(16)，每一个短加热片(13)顶部沿加热器(11)径向开设有一第二通槽(17)，第一通槽(16)槽深大于第二通槽(17)槽深。

3.根据权利要求2所述的一种可提升拉速的单晶硅连续生产结晶的单晶炉，其特征在于：所述短加热片(13)长度与长加热片(12)长度比在1/5至3/4间。

4.根据权利要求2所述的一种可提升拉速的单晶硅连续生产结晶的单晶炉，其特征在于：所述第一通槽(16)宽度、第二通槽(17)宽度及间隙(15)等宽设置，该宽度为25mm。

5.根据权利要求2所述的一种可提升拉速的单晶硅连续生产结晶的单晶炉，其特征在于：所述第一通槽(16)槽底厚度和第二通槽(17)槽底厚度相同，该厚度等于连接片(14)高度，同时该厚度＝长加热片(12)宽度/2。

6.根据权利要求1所述的一种可提升拉速的单晶硅连续生产结晶的单晶炉，其特征在于：与所述水冷管(5)一端连接的连接管(6)与外接水源连接，与所述水冷管(5)另一端连接的连接管(6)与排水管道连接。