CN102094232A - 快速冷却的多晶炉热场及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多晶硅铸锭炉的热场结构技术领域，尤其涉及一种快速冷却的多晶炉热场及其使用方法，其包括炉体，同时设置有主隔热笼和副隔热笼，且在主隔热笼侧壁上半部分开设有散热窗口，在加热、熔化、长晶及热处理过程中，位于主隔热笼侧壁上的散热窗口被副隔热笼所掩盖，在冷却过程中，主隔热笼上的散热窗口与副隔热笼分离。本发明快速冷却的多晶炉热场及其使用方法能提高晶锭冷却速度，缩短生产周期。
Description
技术领域
本发明涉及多晶硅铸锭炉的热场结构技术领域，尤其涉及一种快速冷却的多晶炉热场及其使用方法。
背景技术
能源与环境是当今世界的两大焦点问题。传统能源的大幅利用，使得环境问题日趋严重，对人类社会的正常运行构成严重的威胁。有效利用清洁、环境友好的新能源是社会历史的必然选择。太阳能是人类取之不尽、用之不竭、环境友好的绿色可再生能源。在太阳能的有效利用当中，光电利用是近年来发展最快、最具活力的研究领域。其中，硅材料是光电利用的主要载体。硅晶体的制备是光伏电池的基础。
在太阳能光伏领域，利用定向凝固的方法生产多晶硅锭是普遍采用的方法。其基本原理是，将多晶硅原料放置在石英陶瓷坩埚中，石英陶瓷坩埚放置在由石墨底护板及侧护板构成的“石墨坩埚”中，放置在热场系统中，加热使得硅料完全融化。然后，热场底部开启，热量从坩埚底部释放，温度降低，坩埚的底部将逐渐冷却到硅材料的结晶点温度。然后硅溶液在坩埚底部开始结晶，逐渐向上生长(凝固)，形状自下而上的柱状晶体结构。
这一系列工艺过程中，都要求装料的石英坩埚处于合理设计的热场系统中，包含保温材料和支撑部件。对于一个优良的热场系统，不仅要求能够提供满足需要的温度分布场，还要求热场具有能耗低，响应快等特点。
在传统的热场系统中，根据多晶长晶的特点，在长晶过程中，热场下部开口，向炉壁散热，形成自下而上的温度分布。热场系统的四周和上面是严格封闭的。这样在完成晶体长晶过程及热处理过程后，将晶锭降温至环境温度，同样是依靠在热场下部开启一定窗口，即隔热笼提升一定高度，从晶锭的底部开始散热。合理的冷却过程，既满足快速冷却的需要，又不在晶锭体内产生剧烈的温度梯度。而传统热场的冷却过程，热量只能通过热场底部的开口散发，开口程度过大将在晶锭体内产生过高的热应力，从而产生较多的晶体缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服传统热场冷却速度有限的缺陷，本发明提供一种能提高晶锭冷却速度，缩短生产周期的快速冷却的多晶炉热场及其使用方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种快速冷却的多晶炉热场，包括炉体，同时设置有主隔热笼和副隔热笼，且在主隔热笼侧壁上半部分开设有散热窗口，在加热、熔化、长晶及热处理过程中，位于主隔热笼侧壁上的散热窗口被副隔热笼所掩盖，在冷却过程中，主隔热笼上的散热窗口与副隔热笼分离。
作为本发明的一个技术方案，所述的副隔热笼固定在炉体上。
作为本发明的另一个技术方案，所述的副隔热笼由固定在炉体上的驱动杆驱动其上下移动。
主隔热笼上的散热窗口的高度为160～280mm，副隔热笼的高度为400～600mm。
一种快速冷却的多晶炉热场的使用方法，首先，主隔热笼与底保温板分离，将装有多晶原料的坩埚，放在热场系统中的工作台上，主隔热笼下降与底保温板闭合，加热器通电发热，使得主隔热笼内的空间温度达到硅的熔点以上，
待坩埚中的多晶硅原料全部熔化完以后，主隔热笼缓慢提升，与固定位置的底保温板分离，使得主隔热笼下部开启一定的散热口，工作台向炉体内壁散热，温度下降，与之接触的坩埚底部温度也随之下降，硅熔体开始在坩埚底部凝固结晶，并逐渐向上生长，在此过程中，虽然主隔热笼有一定程度的提升，但始终保持位于主隔热笼侧壁上的散热窗口被副隔热笼所掩盖，起到很好的保温作用，
在长晶完成后，主隔热笼下降再次与底保温板闭合形成封闭的热场空间，将多晶铸锭恒温保持一段时间后，即开始多晶铸锭的冷却过程，在冷却开始阶段，因多晶铸锭的温度较高，先缓慢提升主隔热笼，但副隔热笼仍保持掩盖状态，使多晶铸锭底部缓慢散热，约2个小时后，可再提升主隔热笼，使主隔热笼的散热窗口的上边缘高过副隔热笼上沿，即散热窗口开通，晶锭上、下两面将同时散热。
本发明的有益效果是：本发明克服了传统热产的缺陷，通过在主隔热笼侧壁开设一定高度的散热窗口，同时在散热窗口上设置副隔热笼，使得在多晶铸锭加热、熔化、长晶及热处理过程中，副隔热笼覆盖住设置在主隔热笼侧壁的散热窗口，减少热量损失。而在冷却过程中，主隔热笼在开启一定高度后，其侧壁窗口高度超过副隔热笼，从而打开散热窗口；或由驱动杆驱动副隔热笼，从而打开散热窗口。打开底保温板，这样使得晶锭能够同时从上、下两面散热，达到快速冷却的目的。同时，由于上、下两面同时散热，通过控制主隔热笼的提升高度可控制散热强度，降低在冷却过程中多晶硅锭体内的温度梯度，从而减少晶体缺陷。有利于提高光伏电池的转换效率。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是快速冷却的多晶炉热场的熔化状态时的结构示意图；
图2是快速冷却的多晶炉热场的长晶状态时的结构示意图；
图3是快速冷却的多晶炉热场的冷却状态时的结构示意图；
图4是本发明主隔热笼的侧面示意图。
其中：1.炉体，2.主隔热笼，3.副隔热笼，4.加热器，5.硅溶液，6.坩埚，7.工作台，8.底保温板，9.硅晶体，10.散热窗口。
具体实施方式
如图1所示，一种快速冷却的多晶炉热场，包括炉体1，炉体1内设有侧壁上开有散热窗口10的主隔热笼2，散热窗口10上掩盖有副隔热笼3，所述的主隔热笼2的底部安装有底保温板8，主隔热笼2内的下部安装有工作台7，工作台7上设置有坩埚6，坩埚6的两侧设置有加热器4。
副隔热笼3可以固定在炉体1上，通过提升主隔热笼2，使散热窗口10打开；也可以通过固定在炉体1上的驱动杆驱动副隔热笼3上下移动，使散热窗口10打开，从而可以加快冷却速度。
如图2所示，本发明快速冷却的多晶炉热场的长晶状态时的结构示意图，首先，主隔热笼2与底保温板3分离，将装有多晶原料的坩埚6，放在热场系统中的工作台7上，主隔热笼2下降与底保温板3闭合。加热器4通电发热，使得主隔热笼2内的空间温度达到硅的熔点以上。待坩埚6中的多晶硅原料全部熔化完以后(此时如图1所示)，主隔热笼2缓慢提升，与固定位置的底保温板8分离，使得主隔热笼2下部开启一定的散热口。工作台7向炉体1内壁散热，温度下降，与之接触的坩埚6底部温度也随之下降，硅熔体开始在坩埚6底部凝固(结晶)并逐渐向上生长。在此过程中，虽然主隔热笼2有一定程度的提升，但位于主隔热笼2侧壁上的散热窗口10始终被副隔热笼3所掩盖，起到很好的保温作用。在长晶完成后，主隔热笼2下降再次与底保温板8闭合形成封闭的热场空间。将多晶铸锭恒温保持约2个小时后，即开始多晶铸锭的冷却过程。如图3所示在冷却开始阶段，因多晶铸锭的温度较高，先缓慢提升主隔热笼2，但副隔热笼3仍保持掩盖状态，使多晶铸锭底部缓慢散热，约2个小时后，可再提升主隔热笼2，使主隔热笼2上的散热窗口10的上边缘高过副隔热笼3上沿，即散热窗口10开通。有时炉体1的高度有限，所以主隔热笼2提升的高度也有限，此时就需要驱动杆驱动副隔热笼3向下移动，打开散热窗口10，多晶铸锭上、下两面同时散热，晶锭中温度迅速从晶锭上下两面开始降温，避免只从底面降温时再晶体中温度梯度较大，且降温速度较慢的弱点。
实施例：
将副热笼3固定安置在炉体1上，主隔热笼2上的散热窗口10的高度为200mm，副隔热笼3的高度为500mm。在化料阶段，散热窗口10下边距离副隔热笼3的下边100mm，在长晶过程，主隔热笼2最大上升高度为160mm，这时，散热窗口10上边与副隔热笼3上边沿的距离为40mm。即整个长晶过程中，散热窗口10为闭合状态。冷却过程时，当主隔热笼3高度提升超过200mm时，散热窗口10开启，并随着主隔热笼2位置的提升而增大。晶锭上、下两面将同时散热。冷却速度大大加快。常规热场，将晶体由热处理温度(约1300℃)降低至晶锭出炉温度(约300℃)，所需的冷却时间一般在11个小时左右，而应用本发明快速冷却的热场，完成该冷却过程只需要6个小时左右。与传统冷却过程相比，时间减少了近一半。通过仿真软件对该冷却过程的温度仿真得知，常规热场下，冷却时，晶锭中的温度梯度最大可达400℃/m，而本发明的冷却过程中，晶锭体内的最大温度梯度低于200℃/m。充分说明本发明在铸锭多晶冷却过程中，即节约了时间，又降低了晶体内的温度梯度，降低了晶体缺陷，提高了晶体质量。
Claims (5)
1.一种快速冷却的多晶炉热场，包括炉体(1)，其特征在于：同时设置有主隔热笼(2)和副隔热笼(3)，且在主隔热笼(2)侧壁上半部分开设有散热窗口(10)，在加热、熔化、长晶及热处理过程中，位于主隔热笼(2)侧壁上的散热窗口(10)被副隔热笼(3)所掩盖，在冷却过程中，主隔热笼(2)上的散热窗口(10)与副隔热笼(3)分离。
2.如权利要求1所述的快速冷却的多晶炉热场，其特征在于：所述的副隔热笼(3)固定在炉体(1)上。
3.如权利要求1所述的快速冷却的多晶炉热场，其特征在于：所述的副隔热笼(3)由固定在炉体(1)上的驱动杆驱动其上下移动。
4.如权利要求1或2或3所述的快速冷却的多晶炉热场，其特征在于：主隔热笼(2)上的散热窗口(10)的高度为160～280mm，副隔热笼(3)的高度为400～600mm。
5.一种快速冷却的多晶炉热场的使用方法，其特征在于：首先，主隔热笼(2)与底保温板(3)分离，将装有多晶原料的坩埚(6)，放在热场系统中的工作台(7)上，主隔热笼(2)下降与底保温板(3)闭合，加热器(4)通电发热，使得主隔热笼(2)内的空间温度达到硅的熔点以上，
待坩埚(6)中的多晶硅原料全部熔化完以后，主隔热笼(2)缓慢提升，与固定位置的底保温板(8)分离，使得主隔热笼(2)下部开启一定的散热口，工作台(7)向炉体(1)内壁散热，温度下降，与之接触的坩埚(6)底部温度也随之下降，硅熔体开始在坩埚(6)底部凝固结晶，并逐渐向上生长，在此过程中，虽然主隔热笼(2)有一定程度的提升，但始终保持位于主隔热笼(2)侧壁上的散热窗口(10)被副隔热笼(3)所掩盖，起到很好的保温作用，
在长晶完成后，主隔热笼(2)下降再次与底保温板(8)闭合形成封闭的热场空间，一段时间后，即开始多晶铸锭的冷却过程，在冷却开始阶段，因多晶铸锭的温度较高，先缓慢提升主隔热笼(2)，但副隔热笼(3)仍保持掩盖状态，使多晶铸锭底部缓慢散热，一段时间后，可再提升主隔热笼(2)，使主隔热笼(2)上的散热窗口(10)的上边缘高过副隔热笼(3)上沿，即散热窗口(10)开通，晶锭上、下两面将同时散热。
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