專利名稱：一種晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)領(lǐng)域，具體地說是一種晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)及其控 制方法。
背景技術(shù)：
多晶硅鑄錠技術(shù)經(jīng)歷多年發(fā)展，由于其低耗高效且全自動(dòng)的生產(chǎn)方式以及成品質(zhì) 量的不斷提高，目前已經(jīng)得到光伏行業(yè)的廣泛認(rèn)可。影響太陽能電池效率的因素很多，對(duì)目前太陽能電池行業(yè)，電池轉(zhuǎn)換效率即使增 加0.1個(gè)百分點(diǎn)都是非常有意義的一項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)。高質(zhì)量的電池硅片對(duì)晶粒的大小、均勻 性，晶粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及晶界雜質(zhì)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(jìn)有所提高，但很多時(shí)候也局限于鑄錠爐熱場(chǎng)的不可變性而不能動(dòng) 彈。從技術(shù)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(shù)完全優(yōu)于 單晶直拉技術(shù)；但是多晶鑄錠技術(shù)制得的電池片質(zhì)量同單晶直拉技術(shù)相比還略顯不足。為 了縮小質(zhì)量上的差距，本申請(qǐng)人已經(jīng)開發(fā)出一種新型的準(zhǔn)單晶鑄錠熱場(chǎng)，該項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)先于 國(guó)際先進(jìn)水平，準(zhǔn)單晶片制得的電池片轉(zhuǎn)換效率最高可以達(dá)到18% (準(zhǔn)單晶鑄錠熱場(chǎng)已申 請(qǐng)專利，專利申請(qǐng)?zhí)枮?01010176628. 9)。在現(xiàn)階段固定式熱場(chǎng)的條件下，幾乎所有鑄錠爐設(shè)計(jì)模式都是關(guān)注晶體生長(zhǎng)的成 核階段，只有良好的成核狀況才能保證有一個(gè)較優(yōu)的生長(zhǎng)環(huán)境，而后期的生長(zhǎng)只是在完成 成核以后再進(jìn)一步的嘗試，一般來說能夠控制晶體連續(xù)性就已經(jīng)非常難得。要突破晶體生長(zhǎng)過程中頭尾難以相顧的困境，本申請(qǐng)人也做了許多努力，通過反 復(fù)計(jì)算以及更加深入的研究及實(shí)驗(yàn)，在準(zhǔn)單晶熱場(chǎng)上已經(jīng)能保證良好的晶體生長(zhǎng)連續(xù)性。 但晶體生長(zhǎng)到后期無法控制生長(zhǎng)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(zhǔn)單晶熱場(chǎng)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(zhǎng)后期驅(qū) 動(dòng)力微弱的一些不足。現(xiàn)有采用垂直溫度梯度方法生長(zhǎng)的多晶鑄錠設(shè)備只能存在一個(gè)固定的熱腔，想要 兼顧各階段工藝時(shí)間，整體能耗，晶體生長(zhǎng)及界面控制非常困難。而最適合晶體生長(zhǎng)的HEM 鑄錠爐由于坩堝存在上下移動(dòng)的工程應(yīng)用需求，無法在大規(guī)模鑄錠生產(chǎn)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(biāo)。目前所有鑄錠爐都是用固定熱腔的設(shè)計(jì)，實(shí)際生產(chǎn)過程中存在無法兼顧晶體熔化 和晶體生長(zhǎng)工藝時(shí)間的弊端，同時(shí)一旦熱場(chǎng)部件安裝完成便只能使用固定的固液界面，無 法在生長(zhǎng)過程中不斷修正固液界面，晶體生長(zhǎng)可控性不強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)， 通過升降隔板來修正任何時(shí)刻的固液界面及硅熔體及固體的溫度梯度，以實(shí)現(xiàn)最佳的晶體生長(zhǎng)環(huán)境和控制固液界面的形狀。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)，包括絕熱籠、設(shè)置于絕 熱籠內(nèi)的加熱器、用于放置坩堝的熱交換臺(tái)和用于熱交換臺(tái)與絕熱籠外部間進(jìn)行散熱的熱 門，所述絕熱籠的下方設(shè)有一水冷板或水冷爐壁，熱交換臺(tái)置于絕熱籠內(nèi)，其特征在于所 述絕熱籠的內(nèi)壁上設(shè)有一圈抵觸在其上且能沿其升降的隔板，隔板由絕熱材料制成，隔板 位于絕熱籠的內(nèi)壁與熱交換臺(tái)外壁之間，位于熱交換臺(tái)兩側(cè)的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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。本發(fā)明通過升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(如氣缸)來實(shí) 現(xiàn)側(cè)部隔板的升降，通過隔板的升降來修正任何時(shí)刻的固液界面及硅熔體的溫度梯度。本發(fā)明的隔板將熱腔分割為兩個(gè)部分，其中上部熱腔是晶體生長(zhǎng)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(gè)熱腔空間連接底部散熱 結(jié)構(gòu)。通過升降隔板來修正任何時(shí)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(diào)整可以按以下方式進(jìn)行當(dāng)用戶需要下凹的固液界面形狀，那么隔板可 以位于較高的位置；當(dāng)用戶需要上凸的固液界面形狀，那么隔板可以位于較低位置。實(shí)際準(zhǔn)確的運(yùn)行位置則由晶體生長(zhǎng)工藝根據(jù)當(dāng)時(shí)固液界面位置的測(cè)算決定，即隔 板移動(dòng)的最低位為絕熱籠的底部，隔板移動(dòng)的最高位由晶體生長(zhǎng)工藝根據(jù)當(dāng)時(shí)固液界面位 置的測(cè)算決定。上述晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)對(duì)晶體生長(zhǎng)過程的控制方法如下當(dāng)鑄錠爐處于熔化 階段，隔板下降到最低位，熱量通過硅液表面、側(cè)壁、底部同時(shí)進(jìn)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(dāng)鑄錠處于晶核形成階段，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(hù)位置，隔板的調(diào)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(dāng)鑄錠進(jìn)入中期，隔板可以繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，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(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力，維持恒定的晶體生長(zhǎng)速度，并且升 降隔板還可以保持固液界面水平；當(dāng)鑄錠進(jìn)入后期，隔板也移動(dòng)至頂部，透頂階段頂部平 整，大幅度減少長(zhǎng)角工藝時(shí)間；當(dāng)鑄錠結(jié)束，進(jìn)入退火階段，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(yīng)力的產(chǎn)生。本發(fā)明可控雙腔室的設(shè)計(jì)可以和任意熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)組合在一起，優(yōu)選利用百葉結(jié)構(gòu)來 控制熱門開合的熱場(chǎng)，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(chǎng)，所述的水冷板或水冷爐壁與絕熱籠的底部之間設(shè) 有多個(gè)百葉片，每個(gè)百葉片上貫穿一轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所有的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所有百 葉片的軸接點(diǎn)位于同一水平線上，當(dāng)所有的百葉片轉(zhuǎn)動(dòng)至水平位置時(shí)，所述的百葉片形成 一將絕熱籠底部封閉的平面板。轉(zhuǎn)動(dòng)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(dāng)所有的百葉片處于水平位置時(shí)，相鄰的百葉片之間通過臺(tái)階進(jìn)行密封配合。 百葉片的控制方法如下百葉片通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(如電機(jī))控制其轉(zhuǎn)動(dòng)角度為90度，在 水平位置與垂直位置之間進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明的雙腔室可控?zé)釄?chǎng)和其它鑄錠熱場(chǎng)相比具有兩大突出的優(yōu)勢(shì)1、傳統(tǒng)熱場(chǎng)設(shè)計(jì)中，為了協(xié)調(diào)整個(gè)晶體生長(zhǎng)過程或者關(guān)注某一階段的晶體生長(zhǎng)界 面的需求，不得不放棄一定階段生長(zhǎng)時(shí)界面控制能力，或者額外的增加工藝時(shí)間及電能消耗。而采用雙腔室可控?zé)釄?chǎng)可以通過升降隔板來修正任何時(shí)刻的固液界面及硅熔體的溫度 梯度。在緩慢的晶體生長(zhǎng)過程中，隔板的移動(dòng)能夠使固液界面位置和形狀契合在一起，實(shí)現(xiàn) 最佳的晶體生長(zhǎng)環(huán)境。同時(shí)無論最終用戶需要何種形式的固液界面，也都可以利用調(diào)整隔 板位置加以實(shí)現(xiàn)。2、本發(fā)明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(zhǎng)驅(qū) 動(dòng)力。該本發(fā)明可以使底部已經(jīng)凝固的硅不再作為限制熱量導(dǎo)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(zhǎng)中后期能夠獲得足夠的溫度梯度并轉(zhuǎn)換為生長(zhǎng)驅(qū) 動(dòng)力，當(dāng)需要較大生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力時(shí)，可以使隔板位于較高位置；反之則使隔板處于較低位置。本發(fā)明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(shí)安裝和使用 非常簡(jiǎn)便，實(shí)際工程應(yīng)用前景無可限量。下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1為本發(fā)明晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明隔板與升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明百葉片與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接結(jié)構(gòu)圖。圖4-9為本發(fā)明晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)的另外幾種結(jié)構(gòu)示意圖。圖10-11為本發(fā)明隔板處于最低位及上移后的熱場(chǎng)模擬圖。圖12為本發(fā)明形成下凹固液界面形狀的熱場(chǎng)模擬圖。圖13為本發(fā)明形成上凸固液界面形狀的熱場(chǎng)模擬圖。圖14-17為本發(fā)明晶體生長(zhǎng)熱場(chǎng)過程中各階段的熱場(chǎng)模擬圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示的晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)，其由絕熱籠3、設(shè)置于絕熱籠內(nèi)的單上加熱 器2、用于放置坩堝7的熱交換臺(tái)8和用于熱交換臺(tái)與絕熱籠外部間進(jìn)行散熱的熱門組成， 所述絕熱籠的下方設(shè)有水冷板5，熱交換臺(tái)8置于絕熱籠3內(nèi)，所述絕熱籠3的內(nèi)壁上設(shè)有 一圈抵觸在其上且能沿其升降的隔板1。隔板由絕熱材料制成，隔板1位于絕熱籠的內(nèi)壁與 熱交換臺(tái)外壁之間，位于熱交換臺(tái)兩側(cè)的隔板上均固接吊桿6，所述的吊桿上端穿過絕熱籠 與升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)9連接，如圖2所示。水冷板5與絕熱籠3的底部之間設(shè)有多個(gè)百葉片4，如圖3所示，每個(gè)百葉片4上 貫穿轉(zhuǎn)動(dòng)軸10，所有的轉(zhuǎn)動(dòng)軸10與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)11連接，所有百葉片的軸接點(diǎn)位于同一水 平線上，當(dāng)所有的百葉片轉(zhuǎn)動(dòng)至水平位置時(shí)，所述的百葉片形成一將絕熱籠底部封閉的平 面板。轉(zhuǎn)動(dòng)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(dāng)所 有的百葉片處于水平位置時(shí)，相鄰的百葉片之間通過臺(tái)階進(jìn)行密封配合。百葉片的控制方 法如下百葉片通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)11控制其轉(zhuǎn)動(dòng)角度為90度，在水平位置與垂直位置之間 進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明的雙腔室結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用在以下組合結(jié)構(gòu)中，形成晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng) 的另外幾種結(jié)構(gòu)A.移動(dòng)隔板，上下加熱器，百葉熱門與水冷板組合，見圖4 ；
B.移動(dòng)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(dòng)隔板，上及側(cè)面加熱器，絕熱底板下移與水冷爐壁組合，見圖6 ；D.移動(dòng)隔板，上下及側(cè)面加熱器，絕熱底板下移與水冷爐壁組合，見圖7 ；E.移動(dòng)隔板，上及側(cè)面加熱器，絕熱籠提升與水冷爐壁組合，見圖8 ；F.移動(dòng)隔板，單上加熱器，絕熱籠提升與水冷爐壁組合，見圖9。當(dāng)熱場(chǎng)熱門處于關(guān)閉狀態(tài)下，并且固液界面維持在基本一致高度上時(shí)，高低相差 170mm的隔板位置能夠?yàn)楣枰簝?nèi)部帶來接近1. 4倍的溫度梯度差，隔板處于最低位(即0 位)的熱場(chǎng)模擬圖如圖10所示，隔板上移后的熱場(chǎng)模擬圖如圖11所示。當(dāng)熱門不斷打開 時(shí)，該溫差成線性比例增加。通常情況下，固液界面控制調(diào)整可以按以下方式進(jìn)行當(dāng)用戶需要下凹的固液界 面形狀，那么隔板可以位于較高的位置，如圖12所示；當(dāng)用戶需要上凸的固液界面形狀，那 么隔板可以位于較低位置，如圖13所示。利用本發(fā)明晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)對(duì)晶體生長(zhǎng)過程的控制方法如下當(dāng)鑄錠爐處于熔化階段，隔板下降到最低位，熱場(chǎng)模擬圖(見圖14)中可以看到， 上腔室同時(shí)包含加熱器和熱交換臺(tái)。熱量通過硅液表面，側(cè)壁，底部同時(shí)進(jìn)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(dāng)鑄錠處于晶核形成階段，隔板位置上移，熱場(chǎng)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(hù)位置。隔板的調(diào)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(dāng)鑄錠進(jìn)入中期，熱場(chǎng)模擬圖(見圖16)顯示，隔板可以繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，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(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力，維持恒定的晶體 生長(zhǎng)速度，并且升降隔板還可以保持固液界面水平。當(dāng)鑄錠進(jìn)入后期降隔板也運(yùn)行至頂部(見圖17)，透頂階段頂部平整，大幅度減少 長(zhǎng)角工藝時(shí)間。當(dāng)鑄錠結(jié)束，進(jìn)入退火階段，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(yīng)力的產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1.一種晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)，包括絕熱籠、設(shè)置于絕熱籠內(nèi)的加熱器、用于放置坩堝 的熱交換臺(tái)和用于熱交換臺(tái)與絕熱籠外部間進(jìn)行散熱的熱門，所述絕熱籠的下方設(shè)有一水 冷板或水冷爐壁，熱交換臺(tái)置于絕熱籠內(nèi)，其特征在于所述絕熱籠的內(nèi)壁上設(shè)有一圈抵觸 在其上且能沿其升降的隔板，隔板由絕熱材料制成，隔板位于絕熱籠的內(nèi)壁與熱交換臺(tái)外 壁之間，位于熱交換臺(tái)兩側(cè)的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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)，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(shè)有多個(gè)百葉片，每個(gè)百葉片上貫穿一轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所有的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與一 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所有百葉片的軸接點(diǎn)位于同一水平線上，當(dāng)所有的百葉片轉(zhuǎn)動(dòng)至水平 位置時(shí)，所述的百葉片形成一將絕熱籠底部封閉的平面板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)，其特征在于所述的轉(zhuǎn)動(dòng)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。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)，其特征在于當(dāng)所有的百葉片處于水 平位置時(shí)，相鄰的百葉片之間通過臺(tái)階進(jìn)行密封配合。
5.權(quán)利要求1所述晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)的控制方法，其特征在于當(dāng)鑄錠爐處于熔 化階段，隔板下降到最低位；當(dāng)鑄錠處于晶核形成階段，隔板位置上移；當(dāng)鑄錠進(jìn)入中期， 隔板繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，始終保持硅熔體部分位于熱腔，硅固體部分位于較冷腔；當(dāng)鑄錠進(jìn)入后 期，隔板移動(dòng)至頂部；當(dāng)鑄錠結(jié)束，進(jìn)入退火階段，隔板回到最低位。
6.權(quán)利要求2所述晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)的控制方法，其特征在于百葉片的控制方法 如下百葉片通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)角度為90度，在水平位置與垂直位置之間進(jìn)行 轉(zhuǎn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種晶硅鑄錠爐雙腔室熱場(chǎng)及其控制方法。目前所有鑄錠爐都是用固定熱腔的設(shè)計(jì)，實(shí)際生產(chǎn)過程中存在無法兼顧晶體熔化和晶體生長(zhǎng)工藝時(shí)間的弊端，同時(shí)一旦熱場(chǎng)部件安裝完成便只能使用固定的固液界面，無法在生長(zhǎng)過程中不斷修正固液界面，晶體生長(zhǎng)可控性不強(qiáng)。本發(fā)明的特征在于所述絕熱籠的內(nèi)壁上設(shè)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(nèi)壁與熱交換臺(tái)外壁之間，位于熱交換臺(tái)兩側(cè)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。本發(fā)明通過升降絕熱隔板來修正任何時(shí)刻的固液界面及硅熔體及固體的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)了最佳的晶體生長(zhǎng)環(huán)境和控制固液界面的形狀。
文檔編號(hào)C30B28/06GK102140672SQ201110061820
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:杭州精功機(jī)電研究所有限公司