專利名稱：一種晶硅鑄錠爐雙腔室熱場的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及晶硅鑄錠爐熱場領域，具體地說是一種晶硅鑄錠爐雙腔室熱場。
背景技術：
多晶硅鑄錠技術經歷多年發(fā)展，由于其低耗高效且全自動的生產方式以及成品質量的不斷提高，目前已經得到光伏行業(yè)的廣泛認可。影響太陽能電池效率的因素很多，對目前太陽能電池行業(yè)，電池轉換效率即使增加0.1個百分點都是非常有意義的一項技術改進。高質量的電池硅片對晶粒的大小、均勻性，晶粒的形態(tài)結構以及晶界雜質含量的多少要求非常高，雖然這些要求或多或少都能通過鑄錠工藝的摸索、改進有所提高，但很多時候也局限于鑄錠爐熱場的不可變性而不能動彈。從技術以及成本的層面上看，雖然在效率和能耗等方面，多晶鑄錠技術完全優(yōu)于單晶直拉技術；但是多晶鑄錠技術制得的電池片質量同單晶直拉技術相比還略顯不足。為了縮小質量上的差距，本申請人已經開發(fā)出一種新型的準單晶鑄錠熱場，該項技術領先于國際先進水平，準單晶片制得的電池片轉換效率最高可以達到18% (準單晶鑄錠熱場已申請專利，專利申請?zhí)枮?01010176628. 9)。在現(xiàn)階段固定式熱場的條件下，幾乎所有鑄錠爐設計模式都是關注晶體生長的成核階段，只有良好的成核狀況才能保證有一個較優(yōu)的生長環(huán)境，而后期的生長只是在完成成核以后再進一步的嘗試，一般來說能夠控制晶體連續(xù)性就已經非常難得。要突破晶體生長過程中頭尾難以相顧的困境，本申請人也做了許多努力，通過反復計算以及更加深入的研究及實驗，在準單晶熱場上已經能保證良好的晶體生長連續(xù)性。 但晶體生長到后期無法控制生長速度以及不夠平整的固液界面問題還沒能很好解決。所以說目前準單晶熱場還存在著晶體熔化速度較慢，固液界面后期無法控制，晶體生長后期驅動力微弱的一些不足。現(xiàn)有采用垂直溫度梯度方法生長的多晶鑄錠設備只能存在一個固定的熱腔，想要兼顧各階段工藝時間，整體能耗，晶體生長及界面控制非常困難。而最適合晶體生長的HEM 鑄錠爐由于坩堝存在上下移動的工程應用需求，無法在大規(guī)模鑄錠生產上使用。如何解決這些弊端，就成為光伏鑄錠行業(yè)的研究目標。目前所有鑄錠爐都是用固定熱腔的設計，實際生產過程中存在無法兼顧晶體熔化和晶體生長工藝時間的弊端，同時一旦熱場部件安裝完成便只能使用固定的固液界面，無法在生長過程中不斷修正固液界面，晶體生長可控性不強。

實用新型內容為了克服以上現(xiàn)有技術存在的不足，本實用新型提供了一種晶硅鑄錠爐雙腔室熱場，通過升降絕熱隔板來修正任何時刻的固液界面及硅熔體及固體的溫度梯度，以實現(xiàn)最佳的晶體生長環(huán)境和控制固液界面的形狀。[0010]本實用新型采用的技術方案為一種晶硅鑄錠爐雙腔室熱場，包括絕熱籠、設置于絕熱籠內的加熱器、用于放置坩堝的熱交換臺和用于熱交換臺與絕熱籠外部間進行散熱的熱門，所述絕熱籠的下方設有一水冷板或水冷爐壁，熱交換臺置于絕熱籠內，其特征在于 所述絕熱籠的內壁上設有一圈抵觸在其上且能沿其升降的絕熱隔板，絕熱隔板由絕熱材料制成，絕熱隔板位于絕熱籠的內壁與熱交換臺外壁之間，位于熱交換臺兩側的絕熱隔板上均固接一吊桿，所述的吊桿上端穿過絕熱籠與一升降驅動機構連接。本實用新型通過升降驅動機構(如氣缸)來實現(xiàn)側部絕熱隔板的升降，通過絕熱隔板的升降來修正任何時刻的固液界面及硅熔體的溫度梯度。本實用新型的絕熱隔板將熱腔分割為兩個部分，其中上部熱腔是晶體生長過程中需要維持高溫的區(qū)域，下部熱腔是不再需要維持高溫的區(qū)域，一般來說這個熱腔空間連接底部散熱結構。通過升降絕熱隔板來修正任何時刻的固液界面及硅熔體及固體的溫度梯度。通常情況下，固液界面控制調整可以按以下方式進行當用戶需要下凹的固液界面形狀，那么絕熱隔板可以位于較高的位置；當用戶需要上凸的固液界面形狀，那么絕熱隔板可以位于較低位置。實際準確的運行位置則由晶體生長工藝根據當時固液界面位置的測算決定，即絕熱隔板移動的最低位為絕熱籠的底部，絕熱隔板移動的最高位由晶體生長工藝根據當時固液界面位置的測算決定。上述晶硅鑄錠爐雙腔室熱場對晶體生長過程的控制方法如下當鑄錠爐處于熔化階段，絕熱隔板下降到最低位，熱量通過硅液表面、側壁、底部同時進入硅熔體，不但可以大幅減少硅液上下端溫差，而且能提高熔化速度；當鑄錠處于晶核形成階段，絕熱隔板位置上移，該階段需要迅速降低底部溫度，形成足夠的過冷度，保證晶核有序形成，而絕熱隔板上移可以起到這樣的效用，該階段同樣適用于籽晶保護位置，絕熱隔板的調節(jié)可以保證緩慢熔化過程中，固液界面維持在水平狀態(tài)；當鑄錠進入中期，絕熱隔板可以繼續(xù)向上運動，始終保持硅熔體部分位于熱腔，硅固體部分位于較冷腔，從而確保晶體生長驅動力，維持恒定的晶體生長速度，并且升降絕熱隔板還可以保持固液界面水平；當鑄錠進入后期，絕熱隔板也移動至頂部，透頂階段頂部平整，大幅度減少長角工藝時間；當鑄錠結束，進入退火階段， 絕熱隔板回到最低位，再一次保證了硅固體中較為均勻的溫度分布，減少熱應力的產生。本實用新型可控雙腔室的設計可以和任意熱場結構組合在一起，優(yōu)選利用百葉結構來控制熱門開合的熱場，能發(fā)揮雙腔室更大的作用。上述的晶硅鑄錠爐雙腔室熱場，所述的水冷板或水冷爐壁與絕熱籠的底部之間設有多個百葉片，每個百葉片上貫穿一轉動軸，所有的轉動軸與一旋轉驅動機構連接，所有百葉片的軸接點位于同一水平線上，當所有的百葉片轉動至水平位置時，所述的百葉片形成一將絕熱籠底部封閉的平面板。轉動軸通過夾具固定在百葉片上，夾具由耐高溫的金屬或非金屬制成，當所有的百葉片處于水平位置時，相鄰的百葉片之間通過臺階進行密封配合。 百葉片的控制方法如下百葉片通過旋轉驅動機構(如電機)控制其轉動角度為90度，在水平位置與垂直位置之間進行轉動。本實用新型的雙腔室可控熱場和其它鑄錠熱場相比具有兩大突出的優(yōu)勢1、傳統(tǒng)熱場設計中，為了協(xié)調整個晶體生長過程或者關注某一階段的晶體生長界面的需求，不得不放棄一定階段生長時界面控制能力，或者額外的增加工藝時間及電能消耗。而采用雙腔室可控熱場可以通過升降絕熱隔板來修正任何時刻的固液界面及硅熔體的溫度梯度。在緩慢的晶體生長過程中，絕熱隔板的移動能夠使固液界面位置和形狀契合在一起，實現(xiàn)最佳的晶體生長環(huán)境。同時無論最終用戶需要何種形式的固液界面，也都可以利用調整絕熱隔板位置加以實現(xiàn)。2、本實用新型能在有限的散熱空間中，有效地增加溫度梯度，發(fā)揮出最大晶體生長驅動力。該本實用新型可以使底部已經凝固的硅不再作為限制熱量導出的熱阻，而是成為有一定熱交換能力的部件。這樣能保證晶體生長中后期能夠獲得足夠的溫度梯度并轉換為生長驅動力，當需要較大生長驅動力時，可以使絕熱隔板位于較高位置；反之則使絕熱隔板處于較低位置。本實用新型從根本上解決了溫度梯度控制和固液界面控制兩大難題，同時安裝和使用非常簡便，實際工程應用前景無可限量。 下面結合說明書附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步說明。
圖1為本實用新型晶硅鑄錠爐雙腔室熱場的一種結構示意圖。圖2為本實用新型絕熱隔板與升降驅動機構的連接結構圖。圖3為本實用新型百葉片與旋轉驅動機構的連接結構圖。圖4-9為本實用新型晶硅鑄錠爐雙腔室熱場的另外幾種結構示意圖。圖10-11為本實用新型絕熱隔板處于最低位及上移后的熱場模擬圖。圖12為本實用新型形成下凹固液界面形狀的熱場模擬圖。圖13為本實用新型形成上凸固液界面形狀的熱場模擬圖。圖14-17為本實用新型晶體生長熱場過程中各階段的熱場模擬圖。
具體實施方式
如圖1所示的晶硅鑄錠爐雙腔室熱場，其由絕熱籠3、設置于絕熱籠內的單上加熱器2、用于放置坩堝7的熱交換臺8和用于熱交換臺與絕熱籠外部間進行散熱的熱門組成， 所述絕熱籠的下方設有水冷板5，熱交換臺8置于絕熱籠3內，所述絕熱籠3的內壁上設有一圈抵觸在其上且能沿其升降的絕熱隔板1。絕熱隔板1位于絕熱籠的內壁與熱交換臺外壁之間，位于熱交換臺兩側的絕熱隔板上均固接吊桿6，所述的吊桿上端穿過絕熱籠與升降驅動機構9連接，如圖2所示。水冷板5與絕熱籠3的底部之間設有多個百葉片4，如圖3所示，每個百葉片4上貫穿轉動軸10，所有的轉動軸10與旋轉驅動機構11連接，所有百葉片的軸接點位于同一水平線上，當所有的百葉片轉動至水平位置時，所述的百葉片形成一將絕熱籠底部封閉的平面板。轉動軸10通過夾具12固定在百葉片4上，夾具由耐高溫的金屬或非金屬制成，當所有的百葉片處于水平位置時，相鄰的百葉片之間通過臺階進行密封配合。百葉片的控制方法如下百葉片通過旋轉驅動機構11控制其轉動角度為90度，在水平位置與垂直位置之間進行轉動。本實用新型的雙腔室結構也可以應用在以下組合結構中，形成晶硅鑄錠爐雙腔室熱場的另外幾種結構A.移動絕熱隔板，上下加熱器，百葉熱門與水冷板組合，見圖4 ；B.移動絕熱隔板，單上加熱器，絕熱底板下移與水冷爐壁組合，見圖5 ；C.移動絕熱隔板，上及側面加熱器，絕熱底板下移與水冷爐壁組合，見圖6 ；D.移動絕熱隔板，上下及側面加熱器，絕熱底板下移與水冷爐壁組合，見圖7 ；E.移動絕熱隔板，上及側面加熱器，絕熱籠提升與水冷爐壁組合，見圖8 ；F.移動絕熱隔板，單上加熱器，絕熱籠提升與水冷爐壁組合，見圖9。當熱場熱門處于關閉狀態(tài)下，并且固液界面維持在基本一致高度上時，高低相差 170mm的絕熱隔板位置能夠為硅液內部帶來接近1. 4倍的溫度梯度差，絕熱隔板處于最低位(即0位)的熱場模擬圖如圖10所示，絕熱隔板上移后的熱場模擬圖如圖11所示。當熱門不斷打開時，該溫差成線性比例增加。通常情況下，固液界面控制調整可以按以下方式進行當用戶需要下凹的固液界面形狀，那么絕熱隔板可以位于較高的位置，如圖12所示；當用戶需要上凸的固液界面形狀，那么絕熱隔板可以位于較低位置，如圖13所示。利用本實用新型晶硅鑄錠爐雙腔室熱場對晶體生長過程的控制方法如下當鑄錠爐處于熔化階段，絕熱隔板下降到最低位，熱場模擬圖(見圖14)中可以看到，上腔室同時包含加熱器和熱交換臺。熱量通過硅液表面，側壁，底部同時進入硅熔體，不但可以大幅減少硅液上下端溫差，而且能提高熔化速度。當鑄錠處于晶核形成階段，絕熱隔板位置上移，熱場模擬圖(見圖15)該階段需要迅速降低底部溫度，形成足夠的過冷度，保證晶核有序形成。而絕熱隔板上移可以起到這樣的效用。該階段同樣適用于籽晶保護位置。絕熱隔板的調節(jié)可以保證緩慢熔化過程中，固液界面維持在水平狀態(tài)。當鑄錠進入中期，熱場模擬圖(見圖16)顯示，絕熱隔板可以繼續(xù)向上運動，始終保持硅熔體部分位于熱腔，硅固體部分位于較冷腔，從而確保晶體生長驅動力，維持恒定的晶體生長速度，并且升降絕熱隔板還可以保持固液界面水平。當鑄錠進入后期降絕熱隔板也運行至頂部(見圖17)，透頂階段頂部平整，大幅度減少長角工藝時間。當鑄錠結束，進入退火階段，絕熱隔板回到最低位，再一次保證了硅固體中較為均勻的溫度分布，減少熱應力的產生。
權利要求1.一種晶硅鑄錠爐雙腔室熱場，包括絕熱籠、設置于絕熱籠內的加熱器、用于放置坩堝的熱交換臺和用于熱交換臺與絕熱籠外部間進行散熱的熱門，所述絕熱籠的下方設有一水冷板或水冷爐壁，熱交換臺置于絕熱籠內，其特征在于所述絕熱籠的內壁上設有一圈抵觸在其上且能沿其升降的絕熱隔板，絕熱隔板位于絕熱籠的內壁與熱交換臺外壁之間，位于熱交換臺兩側的絕熱隔板上均固接一吊桿，所述的吊桿上端穿過絕熱籠與一升降驅動機構連接。
2.根據權利要求1所述的晶硅鑄錠爐雙腔室熱場，其特征在于所述的水冷板或水冷爐壁與絕熱籠的底部之間設有多個百葉片，每個百葉片上貫穿一轉動軸，所有的轉動軸與一旋轉驅動機構連接，所有百葉片的軸接點位于同一水平線上，當所有的百葉片轉動至水平位置時，所述的百葉片形成一將絕熱籠底部封閉的平面板。
3.根據權利要求2所述的晶硅鑄錠爐雙腔室熱場，其特征在于所述的轉動軸通過夾具固定在百葉片上，夾具的材質為耐高溫的金屬或非金屬。
4.根據權利要求2所述的晶硅鑄錠爐雙腔室熱場，其特征在于當所有的百葉片處于水平位置時，相鄰的百葉片之間通過臺階進行密封配合。
專利摘要本實用新型公開了一種晶硅鑄錠爐雙腔室熱場。目前所有鑄錠爐都是用固定熱腔的設計，實際生產過程中存在無法兼顧晶體熔化和晶體生長工藝時間的弊端，同時一旦熱場部件安裝完成便只能使用固定的固液界面，無法在生長過程中不斷修正固液界面，晶體生長可控性不強。本實用新型的特征在于所述絕熱籠的內壁上設有一圈抵觸在其上且能沿其升降的絕熱隔板，絕熱隔板由絕熱材料制成，絕熱隔板位于絕熱籠的內壁與熱交換臺外壁之間，位于熱交換臺兩側的絕熱隔板上均固接一吊桿，所述的吊桿上端穿過絕熱籠與一升降驅動機構連接。本實用新型通過升降絕熱隔板來修正任何時刻的固液界面及硅熔體及固體的溫度梯度，實現(xiàn)了最佳的晶體生長環(huán)境和控制固液界面的形狀。
文檔編號C30B11/00GK202064029SQ20112006762
公開日2011年12月7日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權日2011年3月15日
發(fā)明者任曉壢, 徐芳華, 朱志鈿, 王明明, 王琤, 趙波, 高杰, 高波 申請人:杭州精功機電研究所有限公司