专利名称：快速冷却的多晶炉热场及其使用方法
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 ^Omm,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。
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。
具体实施例方式如图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°C)降 低至晶锭出炉温度(约300°C )，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°C /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°C /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。
权利要求
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( 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( 侧壁上的散热窗口(10)被副隔热笼C3)所掩盖，在冷 却过程中，主隔热笼⑵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⑴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 ^Omm,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⑶闭合，加热器⑷通电发热，使得主隔热笼⑵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( 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( 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( 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 升主隔热笼位)，但副隔热笼C3)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O)，使主隔热笼( 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。
全文摘要
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。
文档编号C30B11/00GK102094232SQ20101029273
公开日2011年6月15日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年9月26日
发明者张志强, 黄强, 黄振飞 申请人:常州天合光能有限公司