一种晶硅铸锭炉双腔室热场及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种晶硅铸锭炉双腔室热场及其控制方法。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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Double cavity thermal field of crystal silicon ingot furnace and control method thereof

The invention discloses a double cavity heat field of a crystal silicon ingot furnace and a control method thereof. At present, all are designed for fixed ingot furnace thermal cavity, can not take into account the defects of crystal melting and crystal growth process of the existence of the time in the actual production process, at the same time, once the thermal field components installed will only use the solid-liquid interface are fixed and cannot be corrected continuously the solid-liquid interface in the growth process of crystal growth is not strong controllability. The invention is characterized in that the inner wall of the cage is arranged on the adiabatic adiabatic partition a circle in the conflict and along its lifting, heat insulation board made of insulating material between the inner wall and the baffle plate, insulation thermal insulation cage exchange wall, located in the heat exchange station on both sides of the heat insulation board are fixedly connected with a hanger. The upper end of the rod through the adiabatic cage and a lifting driving mechanism is connected. The invention modifies the solid-liquid interface and the temperature gradient of the silicon melt and the solid at any time by lifting the insulating partition board, thereby realizing the optimum crystal growth environment and controlling the shape of the solid-liquid interface.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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及其控 制方法。
技术介绍
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、均勻 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。
技术实现思路
为了克服以上现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种晶硅铸锭炉双腔室热场， 通过升降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。本专利技术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隔板，隔板由绝热材料制成，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。本专利技术通过升降驱动机构(如气缸)来实 现侧部隔板的升降，通过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。本专利技术的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，即隔 板移动的最低位为绝热笼的底部，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，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，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，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，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 降隔板还可以保持固液界面水平；当铸锭进入后期，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，隔板回到最低位，再一次保证了 硅固体中较为均勻的温度分布，减少热应力的产生。本专利技术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。本专利技术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，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，也都可以利用调整隔 板位置加以实现。2、本专利技术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。该本专利技术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，可以使隔板位于较高位置；反之则使隔板处于较低位置。本专利技术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专利技术作进一步说明。 附图说明图1为本专利技术晶硅铸锭炉双腔室热场的一种结构示意图。图2为本专利技术隔板与升降驱动机构的连接结构图。图3为本专利技术百叶片与旋转驱动机构的连接结构图。图4-9为本专利技术晶硅铸锭炉双腔室热场的另外几种结构示意图。图10-11为本专利技术隔板处于最低位及上移后的热场模拟图。图12为本专利技术形成下凹固液界面形状的热场模拟图。图13为本专利技术形成上凸固液界面形状的热场模拟图。图14-17为本专利技术晶体生长热场过程中各阶段的热场模拟图。具体实施例方式如图1所本文档来自技高网...

【技术保护点】
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隔板，隔板由绝热材料制成，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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王琤，徐芳华，赵波，高杰，朱志钿，王明明，任晓坜，高波，
申请(专利权)人：杭州精功机电研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：86