專利名稱：快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多晶硅鑄錠爐的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種快速冷卻的多晶爐 熱場(chǎng)及其使用方法。
背景技術(shù)：
能源與環(huán)境是當(dāng)今世界的兩大焦點(diǎn)問題。傳統(tǒng)能源的大幅利用，使得環(huán)境問題日 趨嚴(yán)重，對(duì)人類社會(huì)的正常運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。有效利用清潔、環(huán)境友好的新能源是社會(huì) 歷史的必然選擇。太陽能是人類取之不盡、用之不竭、環(huán)境友好的綠色可再生能源。在太陽 能的有效利用當(dāng)中，光電利用是近年來發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域。其中，硅材料是光 電利用的主要載體。硅晶體的制備是光伏電池的基礎(chǔ)。在太陽能光伏領(lǐng)域，利用定向凝固的方法生產(chǎn)多晶硅錠是普遍采用的方法。其基 本原理是，將多晶硅原料放置在石英陶瓷坩堝中，石英陶瓷坩堝放置在由石墨底護(hù)板及側(cè) 護(hù)板構(gòu)成的“石墨坩堝”中，放置在熱場(chǎng)系統(tǒng)中，加熱使得硅料完全融化。然后，熱場(chǎng)底部開 啟，熱量從坩堝底部釋放，溫度降低，坩堝的底部將逐漸冷卻到硅材料的結(jié)晶點(diǎn)溫度。然后 硅溶液在坩堝底部開始結(jié)晶，逐漸向上生長(zhǎng)(凝固)，形狀自下而上的柱狀晶體結(jié)構(gòu)。這一系列工藝過程中，都要求裝料的石英坩堝處于合理設(shè)計(jì)的熱場(chǎng)系統(tǒng)中，包含 保溫材料和支撐部件。對(duì)于一個(gè)優(yōu)良的熱場(chǎng)系統(tǒng)，不僅要求能夠提供滿足需要的溫度分布 場(chǎng)，還要求熱場(chǎng)具有能耗低，響應(yīng)快等特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的熱場(chǎng)系統(tǒng)中，根據(jù)多晶長(zhǎng)晶的特點(diǎn)，在長(zhǎng)晶過程中，熱場(chǎng)下部開口，向爐 壁散熱，形成自下而上的溫度分布。熱場(chǎng)系統(tǒng)的四周和上面是嚴(yán)格封閉的。這樣在完成晶 體長(zhǎng)晶過程及熱處理過程后，將晶錠降溫至環(huán)境溫度，同樣是依靠在熱場(chǎng)下部開啟一定窗 口，即隔熱籠提升一定高度，從晶錠的底部開始散熱。合理的冷卻過程，既滿足快速冷卻的 需要，又不在晶錠體內(nèi)產(chǎn)生劇烈的溫度梯度。而傳統(tǒng)熱場(chǎng)的冷卻過程，熱量只能通過熱場(chǎng)底 部的開口散發(fā)，開口程度過大將在晶錠體內(nèi)產(chǎn)生過高的熱應(yīng)力，從而產(chǎn)生較多的晶體缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服傳統(tǒng)熱場(chǎng)冷卻速度有限的缺陷，本發(fā)明提 供一種能提高晶錠冷卻速度，縮短生產(chǎn)周期的快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)及其使用方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)，包括 爐體，同時(shí)設(shè)置有主隔熱籠和副隔熱籠，且在主隔熱籠側(cè)壁上半部分開設(shè)有散熱窗口，在加 熱、熔化、長(zhǎng)晶及熱處理過程中，位于主隔熱籠側(cè)壁上的散熱窗口被副隔熱籠所掩蓋，在冷 卻過程中，主隔熱籠上的散熱窗口與副隔熱籠分離。作為本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)方案，所述的副隔熱籠固定在爐體上。作為本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案，所述的副隔熱籠由固定在爐體上的驅(qū)動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)其 上下移動(dòng)。主隔熱籠上的散熱窗口的高度為160 ^Omm,副隔熱籠的高度為400 600mm。
一種快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)的使用方法，首先，主隔熱籠與底保溫板分離，將裝有 多晶原料的坩堝，放在熱場(chǎng)系統(tǒng)中的工作臺(tái)上，主隔熱籠下降與底保溫板閉合，加熱器通電 發(fā)熱，使得主隔熱籠內(nèi)的空間溫度達(dá)到硅的熔點(diǎn)以上，待坩堝中的多晶硅原料全部熔化完以后，主隔熱籠緩慢提升，與固定位置的底保 溫板分離，使得主隔熱籠下部開啟一定的散熱口，工作臺(tái)向爐體內(nèi)壁散熱，溫度下降，與之 接觸的坩堝底部溫度也隨之下降，硅熔體開始在坩堝底部凝固結(jié)晶，并逐漸向上生長(zhǎng)，在此 過程中，雖然主隔熱籠有一定程度的提升，但始終保持位于主隔熱籠側(cè)壁上的散熱窗口被 副隔熱籠所掩蓋，起到很好的保溫作用，在長(zhǎng)晶完成后，主隔熱籠下降再次與底保溫板閉合形成封閉的熱場(chǎng)空間，將多晶 鑄錠恒溫保持一段時(shí)間后，即開始多晶鑄錠的冷卻過程，在冷卻開始階段，因多晶鑄錠的溫 度較高，先緩慢提升主隔熱籠，但副隔熱籠仍保持掩蓋狀態(tài)，使多晶鑄錠底部緩慢散熱，約2 個(gè)小時(shí)后，可再提升主隔熱籠，使主隔熱籠的散熱窗口的上邊緣高過副隔熱籠上沿，即散熱 窗口開通，晶錠上、下兩面將同時(shí)散熱。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明克服了傳統(tǒng)熱產(chǎn)的缺陷，通過在主隔熱籠側(cè)壁開設(shè) 一定高度的散熱窗口，同時(shí)在散熱窗口上設(shè)置副隔熱籠，使得在多晶鑄錠加熱、熔化、長(zhǎng)晶 及熱處理過程中，副隔熱籠覆蓋住設(shè)置在主隔熱籠側(cè)壁的散熱窗口，減少熱量損失。而在 冷卻過程中，主隔熱籠在開啟一定高度后，其側(cè)壁窗口高度超過副隔熱籠，從而打開散熱窗 口 ；或由驅(qū)動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)副隔熱籠，從而打開散熱窗口。打開底保溫板，這樣使得晶錠能夠同時(shí) 從上、下兩面散熱，達(dá)到快速冷卻的目的。同時(shí)，由于上、下兩面同時(shí)散熱，通過控制主隔熱 籠的提升高度可控制散熱強(qiáng)度，降低在冷卻過程中多晶硅錠體內(nèi)的溫度梯度，從而減少晶 體缺陷。有利于提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)的熔化狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)的長(zhǎng)晶狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)的冷卻狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明主隔熱籠的側(cè)面示意圖。其中1.爐體，2.主隔熱籠，3.副隔熱籠，4.加熱器，5.硅溶液，6.坩堝，7.工作 臺(tái)，8.底保溫板，9.硅晶體，10.散熱窗口。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，一種快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)，包括爐體1，爐體1內(nèi)設(shè)有側(cè)壁上開有散 熱窗口 10的主隔熱籠2，散熱窗口 10上掩蓋有副隔熱籠3，所述的主隔熱籠2的底部安裝 有底保溫板8，主隔熱籠2內(nèi)的下部安裝有工作臺(tái)7，工作臺(tái)7上設(shè)置有坩堝6，坩堝6的兩 側(cè)設(shè)置有加熱器4。副隔熱籠3可以固定在爐體1上，通過提升主隔熱籠2，使散熱窗口 10打開；也可 以通過固定在爐體1上的驅(qū)動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)副隔熱籠3上下移動(dòng)，使散熱窗口 10打開，從而可以 加快冷卻速度。
如圖2所示，本發(fā)明快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)的長(zhǎng)晶狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖，首先，主 隔熱籠2與底保溫板3分離，將裝有多晶原料的坩堝6，放在熱場(chǎng)系統(tǒng)中的工作臺(tái)7上，主 隔熱籠2下降與底保溫板3閉合。加熱器4通電發(fā)熱，使得主隔熱籠2內(nèi)的空間溫度達(dá)到 硅的熔點(diǎn)以上。待坩堝6中的多晶硅原料全部熔化完以后(此時(shí)如圖1所示)，主隔熱籠 2緩慢提升，與固定位置的底保溫板8分離，使得主隔熱籠2下部開啟一定的散熱口。工作 臺(tái)7向爐體1內(nèi)壁散熱，溫度下降，與之接觸的坩堝6底部溫度也隨之下降，硅熔體開始在 坩堝6底部凝固(結(jié)晶)并逐漸向上生長(zhǎng)。在此過程中，雖然主隔熱籠2有一定程度的提 升，但位于主隔熱籠2側(cè)壁上的散熱窗口 10始終被副隔熱籠3所掩蓋，起到很好的保溫作 用。在長(zhǎng)晶完成后，主隔熱籠2下降再次與底保溫板8閉合形成封閉的熱場(chǎng)空間。將多晶 鑄錠恒溫保持約2個(gè)小時(shí)后，即開始多晶鑄錠的冷卻過程。如圖3所示在冷卻開始階段，因 多晶鑄錠的溫度較高，先緩慢提升主隔熱籠2，但副隔熱籠3仍保持掩蓋狀態(tài)，使多晶鑄錠 底部緩慢散熱，約2個(gè)小時(shí)后，可再提升主隔熱籠2，使主隔熱籠2上的散熱窗口 10的上邊 緣高過副隔熱籠3上沿，即散熱窗口 10開通。有時(shí)爐體1的高度有限，所以主隔熱籠2提 升的高度也有限，此時(shí)就需要驅(qū)動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)副隔熱籠3向下移動(dòng)，打開散熱窗口 10，多晶鑄錠 上、下兩面同時(shí)散熱，晶錠中溫度迅速從晶錠上下兩面開始降溫，避免只從底面降溫時(shí)再晶 體中溫度梯度較大，且降溫速度較慢的弱點(diǎn)。實(shí)施例將副熱籠3固定安置在爐體1上，主隔熱籠2上的散熱窗口 10的高度為200mm，副 隔熱籠3的高度為500mm。在化料階段，散熱窗口 10下邊距離副隔熱籠3的下邊100mm，在 長(zhǎng)晶過程，主隔熱籠2最大上升高度為160mm，這時(shí)，散熱窗口 10上邊與副隔熱籠3上邊沿 的距離為40mm。即整個(gè)長(zhǎng)晶過程中，散熱窗口 10為閉合狀態(tài)。冷卻過程時(shí)，當(dāng)主隔熱籠3 高度提升超過200mm時(shí)，散熱窗口 10開啟，并隨著主隔熱籠2位置的提升而增大。晶錠上、 下兩面將同時(shí)散熱。冷卻速度大大加快。常規(guī)熱場(chǎng)，將晶體由熱處理溫度(約1300°C)降 低至晶錠出爐溫度(約300°C )，所需的冷卻時(shí)間一般在11個(gè)小時(shí)左右，而應(yīng)用本發(fā)明快速 冷卻的熱場(chǎng)，完成該冷卻過程只需要6個(gè)小時(shí)左右。與傳統(tǒng)冷卻過程相比，時(shí)間減少了近一 半。通過仿真軟件對(duì)該冷卻過程的溫度仿真得知，常規(guī)熱場(chǎng)下，冷卻時(shí)，晶錠中的溫度梯度 最大可達(dá)400°C /m，而本發(fā)明的冷卻過程中，晶錠體內(nèi)的最大溫度梯度低于200°C /m。充分 說明本發(fā)明在鑄錠多晶冷卻過程中，即節(jié)約了時(shí)間，又降低了晶體內(nèi)的溫度梯度，降低了晶 體缺陷，提高了晶體質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)，包括爐體(1)，其特征在于同時(shí)設(shè)置有主隔熱籠(2) 和副隔熱籠(3)，且在主隔熱籠( 側(cè)壁上半部分開設(shè)有散熱窗口(10)，在加熱、熔化、長(zhǎng)晶 及熱處理過程中，位于主隔熱籠( 側(cè)壁上的散熱窗口(10)被副隔熱籠C3)所掩蓋，在冷 卻過程中，主隔熱籠⑵上的散熱窗口(10)與副隔熱籠(3)分離。
2.如權(quán)利要求1所述的快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)，其特征在于所述的副隔熱籠(3)固 定在爐體⑴上。
3.如權(quán)利要求1所述的快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)，其特征在于所述的副隔熱籠(3)由 固定在爐體(1)上的驅(qū)動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)其上下移動(dòng)。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)，其特征在于主隔熱籠(2)上 的散熱窗口(10)的高度為160 ^Omm,副隔熱籠(3)的高度為400 600mm。
5.一種快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)的使用方法，其特征在于首先，主隔熱籠(2)與底保溫 板(3)分離，將裝有多晶原料的坩堝(6)，放在熱場(chǎng)系統(tǒng)中的工作臺(tái)(7)上，主隔熱籠(2)下 降與底保溫板⑶閉合，加熱器⑷通電發(fā)熱，使得主隔熱籠⑵內(nèi)的空間溫度達(dá)到硅的熔 點(diǎn)以上，待坩堝(6)中的多晶硅原料全部熔化完以后，主隔熱籠( 緩慢提升，與固定位置的底 保溫板(8)分離，使得主隔熱籠(2)下部開啟一定的散熱口，工作臺(tái)(7)向爐體(1)內(nèi)壁散 熱，溫度下降，與之接觸的坩堝(6)底部溫度也隨之下降，硅熔體開始在坩堝(6)底部凝固 結(jié)晶，并逐漸向上生長(zhǎng)，在此過程中，雖然主隔熱籠( 有一定程度的提升，但始終保持位 于主隔熱籠(2)側(cè)壁上的散熱窗口(10)被副隔熱籠(3)所掩蓋，起到很好的保溫作用，在長(zhǎng)晶完成后，主隔熱籠( 下降再次與底保溫板(8)閉合形成封閉的熱場(chǎng)空間，一段 時(shí)間后，即開始多晶鑄錠的冷卻過程，在冷卻開始階段，因多晶鑄錠的溫度較高，先緩慢提 升主隔熱籠位)，但副隔熱籠C3)仍保持掩蓋狀態(tài)，使多晶鑄錠底部緩慢散熱，一段時(shí)間后， 可再提升主隔熱籠O)，使主隔熱籠( 上的散熱窗口(10)的上邊緣高過副隔熱籠(3)上 沿，即散熱窗口(10)開通，晶錠上、下兩面將同時(shí)散熱。
全文摘要
本發(fā)明涉及多晶硅鑄錠爐的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)及其使用方法，其包括爐體，同時(shí)設(shè)置有主隔熱籠和副隔熱籠，且在主隔熱籠側(cè)壁上半部分開設(shè)有散熱窗口，在加熱、熔化、長(zhǎng)晶及熱處理過程中，位于主隔熱籠側(cè)壁上的散熱窗口被副隔熱籠所掩蓋，在冷卻過程中，主隔熱籠上的散熱窗口與副隔熱籠分離。本發(fā)明快速冷卻的多晶爐熱場(chǎng)及其使用方法能提高晶錠冷卻速度，縮短生產(chǎn)周期。
文檔編號(hào)C30B11/00GK102094232SQ20101029273
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者張志強(qiáng), 黃強(qiáng), 黃振飛 申請(qǐng)人:常州天合光能有限公司