一种多晶硅晶体生长炉生长装置及其热源调节方法
【专利摘要】本发明涉及一种多晶硅晶体生长炉生长装置及其热源调节方法，包括晶体生长炉，所述晶体生长炉内设有顶部加热源及四周加热源，顶部加热源连接调功器一，四周加热源连接调功器二。加热过程，调功器一和调功器二改变顶部加热源与四周加热源的功率比例。本发明利用隔热板一方面可以有效降低加热器的无效热损失，降低系统总能量消耗，另一方面，提高坩埚侧挡板外部的温度，降低坩埚内部径向温度梯度。并且隔热板随着隔热笼的上下移动而转动，经过计算验证，隔热板水平放置时隔热效果最好，随着与水平夹角的变大，隔热效果逐渐变差，满足冷凝过程后期温度梯度的要求，使温度场满足冷凝参数要求的同时减小晶体内容因温差引起的热应力。
【专利说明】
一种多晶硅晶体生长炉生长装置及其热源调节方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种多晶硅晶体生长炉生长装置及其热源调节方法，属于晶体生长炉技术领域。
【背景技术】
[0002]太阳能级多晶硅作为太阳能电池的重要载体，其晶体的质量直接影响到电池的转化效率。定向凝固(DSS)法多晶硅与直拉(CZ)法单晶硅相比，制备工艺简单、成本较低，成为太阳电池的主要原料。定向凝固技术较传统的晶体制备过程可以抑制横向晶界的产生，降低晶界、位错等组织缺陷。然而，定向凝固炉炉腔内的温度梯度会导致晶体内产生热应力，容易造成其内部位错密度过高甚至晶体开裂。在实际的工业生产中，通过控制定向凝固的工艺参数以降低炉内温度梯度，进而制备高质量的多晶硅铸锭。
[0003]传统生长炉优化方案重点改善生长炉加热控制及结构，在具有顶端加热器及四周加热器的结构中，加热量的比例基本均设定为1:1，但是，由于顶端加热器与四周加热器对坩祸内物质的加热方式不同，作用效果也不同，很难形成径向温度梯度小、轴向温度梯度均匀的温度场。同时由于四周加热器底部散热量较大，有效利用较少，不利于节能。目前已有设计将坩祸底部护板加上，以阻挡一部分热辐射，但是由于坩祸底部护板的导热系数相对较大，因此有进一步改进空间。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明提供了一种多晶硅晶体生长炉生长装置及其热源调节方法;
[0005]本发明的技术方案为:
[0006]—种多晶硅晶体生长炉生长装置，包括晶体生长炉，所述晶体生长炉内设有顶部加热源及四周加热源，所述顶部加热源连接调功器一，所述四周加热源连接调功器二。
[0007]加热过程，调功器一和调功器二改变顶部加热源与四周加热源的功率比例。
[0008]根据本发明优选的，所述晶体生长炉内还包括隔热笼、坩祸、坩祸底护板、隔热板、坩祸侧护板，所述晶体生长炉内设有所述隔热笼，所述隔热笼顶部内壁上固定设有所述顶部加热源，所述隔热笼四周内壁上固定设有所述四周加热源；
[0009]所述隔热笼内套有坩祸，所述坩祸外侧壁上设有所述坩祸侧护板，所述坩祸外底部设有坩祸底护板，所述坩祸底护板的边缘与所述隔热笼的侧壁之间连接所述隔热板。
[0010]此处设计的优势在于，隔热板的设置，一方面，有效降低了顶部加热源及四周加热源的无效热损失，降低了总能量消耗，另一方面，提高了坩祸侧护板外部的温度，降低了坩祸内部径向温度梯度。
[0011]根据本发明优选的，所述隔热板通过旋转装置连接所述隔热笼的侧壁。
[0012]此处设计的优势在于，实现了隔热板随着隔热笼的上下移动而转动，经过计算验证，隔热板水平放置时隔热效果最好，随着与水平夹角的变大，隔热效果逐渐变差，满足冷凝过程后期温度梯度的要求，使温度场满足冷凝参数要求的同时减小晶体内因温差引起的热应力。
[0013]根据本发明优选的，所述的隔热板的导热系数与隔热笼的导热系数相同。
[0014]根据本发明优选的，所述坩祸底护板下设有散热台。
[0015]上述晶体生长炉生长装置的热源调节方法，具体是指:晶体生长过程中，随着晶体体积与原始溶液体积的比值的不断增大，顶部加热源的功率与四周加热源的功率的比值不断变小，顶部加热源的功率与四周加热源的功率的比值的变化范围为1:4-1:1。
[0016]根据本发明优选的，当晶体体积与原始溶液体积的比值小于1:2时，顶部加热源的功率与四周加热源的功率的比值的取值范围为(1:1)-(1:2);当晶体体积与原始溶液体积的比值为1: 2时，顶部加热源的功率与四周加热源的功率的比值的取值范围为(1:2)-(1:
3);当晶体体积与原始溶液体积的比值大于1:2时，顶部加热源的功率与四周加热源的功率的比值的取值范围为(1:3)-( 1:4)。
[0017]发明通过改变加热功率的控制参数来优化晶体生长炉内的温度分布，与传统晶体生长炉顶部加热功率与四周加热功率的比值定为I: I的情况相比，本发明的参数一方面可以有效降低晶体生长炉内的径向温度梯度，另一方面可以形成略凸向溶液的晶体生长界面，形成有利于杂质排出的溶液流动，所得到的晶体热应力较小。
[0018]本发明的有益效果为:
[0019]1.本发明通过改变加热功率的控制参数来优化晶体生长炉内的温度分布，与传统晶体生长炉顶部加热功率与四周加热功率的比值定为1:1的情况相比，本发明的参数一方面可以有效降低晶体生长炉内的径向温度梯度，另一方面可以形成略凸向溶液的晶体生长界面，形成有利于杂质排出的溶液流动，所得到的晶体热应力较小。
[0020]2.本发明利用隔热板一方面可以有效降低加热器的无效热损失，降低系统总能量消耗，另一方面，提高坩祸侧挡板外部的温度，降低坩祸内部径向温度梯度。并且隔热板随着隔热笼的上下移动而转动，经过计算验证，隔热板水平放置时隔热效果最好，随着与水平夹角的变大，隔热效果逐渐变差，满足冷凝过程后期温度梯度的要求，使温度场满足冷凝参数要求的同时减小晶体内容因温差引起的热应力。
【附图说明】
[0021 ]图1为实施例1所述晶体生长炉生长装置的结构示意图。
[0022]图2为在晶体生长过程中隔热笼、侧加热器及隔热板的相对位置图。
[0023]图3为实施例1所述晶体生长炉生长装置内晶体生长界面图。
[0024]图4为对比例I所述晶体生长炉生长装置的晶体生长界面图。
[0025]图5为实施例1所述晶体生长炉生长装置内的热应力图。
[0026]图6为对比例I所述晶体生长炉生长装置内的热应力图。
[0027]1、晶体生长炉；2、顶部加热器;3、隔热笼;4、侧加热器;5、坩祸侧护板;6、隔热板；
7、散热台；8、坩祸底护板。
【具体实施方式】
[0028]下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
[0029]实施例1
[0030]—种多晶硅晶体生长炉生长装置，包括晶体生长炉I，所述晶体生长炉I内设有顶部加热器2及侧加热器4，所述顶部加热器2连接调功器一，所述侧加热器4连接调功器二。
[0031]加热过程，调功器一和调功器二改变顶部加热器2与侧加热器4的功率比例。
[0032]晶体生长炉I内还包括隔热笼3、坩祸、坩祸底护板8、隔热板6、坩祸侧护板5，晶体生长炉I内设有所述隔热笼3，隔热笼3顶部内壁上固定设有顶部加热器2，隔热笼3四周内壁上固定设有侧加热器4;
[0033]隔热笼3内套有坩祸，坩祸外侧壁上设有坩祸侧护板5，坩祸外底部设有坩祸底护板8，坩祸底护板8的边缘与隔热笼3的侧壁之间连接隔热板6，所述坩祸底护板8下设有散热台7。
[0034]此处设计的优势在于，隔热板6的设置，一方面有效降低了顶部加热器2及侧加热器4的无效热损失，降低了总能量消耗，经过计算，在坩祸内温度分布相同的条件下，加隔热板6后的能耗比不加隔热板6的能耗低约4.3%，加隔热板6的散热台7底部温度比不加隔热板6的相同位置的温度低约30K。另一方面，提高了坩祸侧护板5外部的温度，降低了坩祸内部径向温度梯度，经过计算，晶体生长后期，在坩祸中间晶体部分加隔热板6的装置径向温差为2K，不加隔热板6的径向温差为4K。
[0035]隔热板6通过旋转装置连接隔热笼3的侧壁。所述旋转装置为普通的自动控制旋转装置，包括支架、旋转轴、动力输入输出机构、转速控制模块。
[0036]此处设计的优势在于，实现了隔热板6随着隔热笼3的上下移动而转动，经过计算验证，隔热板6水平放置时隔热效果最好，随着与水平夹角的变大，隔热效果逐渐变差，满足冷凝过程后期温度梯度的要求，使温度场满足冷凝参数要求的同时减小晶体内因温差引起的热应力。
[0037]隔热板6的导热系数与隔热笼3的导热系数相同。
[0038]实施例2
[0039]实施例1所述多晶硅晶体生长炉生长装置的热源调节方法，具体是指:当晶体体积与原始溶液体积的比值小于1:2时，顶部加热器2的功率与侧加热器4的功率的比值的取值范围为(1:1)-(1:2);当晶体体积与原始溶液体积的比值为1:2时，顶部加热器2的功率与侧加热器4的功率的比值的取值范围为(1:2)-(1:3);当晶体体积与原始溶液体积的比值大于1:2时，顶部加热器2的功率与侧加热器4的功率的比值的取值范围为(1:3)-( 1:4)。
[0040]本实施例通过改变加热功率的控制参数来优化晶体生长炉I内的温度分布，一方面，可以有效降低晶体生长炉I内的径向温度梯度，另一方面，可以形成略凸向溶液的晶体生长界面，形成有利于杂质排出的溶液流动，本实施例所述晶体生长炉生长装置内晶体生长界面图如图3所示。本实施例得到的晶体热应力较小，本实施例所述晶体生长炉生长装置内的热应力图如图5所示。图5中，A区域的平均热应力为2.78e7N/m2;B区域的平均热应力为1.85e7N/m2 ；C区域的平均热应力为9.29e6N/V ;D区域的平均热应力为7.57e6N/m2，图5中整个热应力图平均热应力约为l*e7N/m2。
[0041]对比例I
[0042]实施例2所述多晶硅晶体生长炉生长装置的热源调节方法，其区别在于，顶部加热器2功率与侧加热器4功率的比值定为1:1，且所述晶体生长炉生长装置内未设有隔热板6。
[0043]本对比例所述晶体生长炉生长装置内晶体生长界面图如图4所示。通过图3及图4对比可以看出，实施例2的结果中固液界面向液体方向突起，这种固液界面更有利于晶体中杂质的排除。
[0044]本对比例所述晶体生长炉生长装置内的热应力图如图6所示。图6中，a区域的平均热应力为2.22e8N/V;b区域的平均热应力为1.58e8N/V;c区域的平均热应力为1.26e8N/m2;d区域的平均热应力为9.41e7N/m2;图6中整个热应力图平均热应力约为l*e8N/m2。热应力。
[0045]通过图5及图6的对比，图5平均热应力约为l*e7N/m2，图6中平均热应力约为I*e8N/m2，，可以看到，图5中热应力更加均匀，在其它操作条件均相同时，实施例的热应力在数值上降低至原来的10%。
【主权项】
1.一种多晶硅晶体生长炉生长装置，其特征在于，包括晶体生长炉，所述晶体生长炉内设有顶部加热源及四周加热源，所述顶部加热源连接调功器一，所述四周加热源连接调功口口 _-?σ~- ο2.根据权利要求1所述的一种多晶硅晶体生长炉生长装置，其特征在于，所述晶体生长炉内还包括隔热笼、坩祸、坩祸底护板、隔热板、坩祸侧护板，所述晶体生长炉内设有所述隔热笼，所述隔热笼顶部内壁上固定设有所述顶部加热源，所述隔热笼四周内壁上固定设有所述四周加热源； 所述隔热笼内套有坩祸，所述坩祸外侧壁上设有所述坩祸侧护板，所述坩祸外底部设有坩祸底护板，所述坩祸底护板的边缘与所述隔热笼的侧壁之间连接所述隔热板。3.根据权利要求2所述的一种多晶硅晶体生长炉生长装置，其特征在于，所述隔热板通过旋转装置连接所述隔热笼的侧壁。4.根据权利要求2所述的一种多晶硅晶体生长炉生长装置，其特征在于，所述隔热板的导热系数与所述隔热笼的导热系数相同。5.根据权利要求2-4任一所述的一种多晶硅晶体生长炉生长装置，其特征在于，所述坩祸底护板下设有散热台。6.权利要求1-4任一所述的晶体生长炉生长装置的热源调节方法，其特征在于，具体是指:晶体生长过程中，随着晶体体积与原始溶液体积的比值的不断增大，顶部加热源的功率与四周加热源的功率的比值不断变小，顶部加热源的功率与四周加热源的功率的比值的变化范围为(1:4)-(1:1)。7.根据权利要求6所述的晶体生长炉生长装置的热源调节方法，其特征在于，当晶体体积与原始溶液体积的比值小于1:2时，顶部加热源的功率与四周加热源的功率的比值的取值范围为(1: 1)-(1: 2);当晶体体积与原始溶液体积的比值为1: 2时，顶部加热源的功率与四周加热源的功率的比值的取值范围为(1:2)-(1:3);当晶体体积与原始溶液体积的比值大于1:2时，顶部加热源的功率与四周加热源的功率的比值的取值范围为(1:3)-(1:4)。
【文档编号】C30B28/06GK105926036SQ201610348843
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】陈成敏, 杨春振, 刘光霞, 王立秋, 许敏, 侯延进
【申请人】山东省科学院能源研究所