专利名称：用于长晶的隔热单元的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种隔热単元，特别是涉及ー种用于长晶的隔热单元。
背景技术：
參阅图1，中国第CN102392298A公开号发明专利案公开ー种用于铸造多晶硅(poly crystalline Si)的复合材料档板I,其包含:一石墨(graphite)板本体11,及ー设置于该石墨板本体11内并由碳毡所构成的保温板本体12。该石墨板本体11的厚度是介于15mm至30mm间，该保温板本体12的厚度是介于2mm至IOmm间。參阅图2，于实际实施铸造(也就是，成长)多晶硅时，是将四个复合材料档板I垂直围设于一长晶炉(图未不)内的一定向取热块13上，以借所述复合材料档板I及该定向取热块13共同界定出一供放置ー坩埚14的容置空间。于图2中，该坩埚14内部是放置有硅熔汤15，且该硅熔汤15是通过该长晶炉的ー个上加热单元16及数个侧向加热单元17提供热能以呈熔融态，并于长晶状态下通过该坩埚14下方的定向取热块13来带走该硅熔汤15的热能，从而使该硅熔汤15由下往上凝固，并在长晶的过程中于该硅熔汤15中形成一固液界面151，且在最后完全凝固后制得一娃晶徒(ingot)。熟悉此技术领域的相关技术人员皆知，在成长多晶硅时，其最令人不乐见的问题在干，邻近于该坩埚14处的固液界面151斜率过于陡峭，此易导致原本存在于该硅熔汤15中的杂质在长晶过程中朝该坩埚14的中心处移动，从而使得最終所制得的硅晶锭中残留有过多的杂质，以致于影响到该硅晶锭在后端太阳能电池(solar cell)应用时的光电转换效率(photon-to-current conversion efficiency ;PCE)。因此，该复合材料档板 I 的整体结构设计，其主要是利用夹设于该石墨板本体11中的保温板本体12，来为该坩埚14内的整体娃熔汤15提供均勻的横向热场(thermal field),并借此减缓该娃熔汤15于邻近该i甘埚14处的固液界面斜率。然而，熟悉此技术领域的相关技术人员应知，P型类单晶(P typemono like)娃晶锭的生产成本趋近于P型多晶硅晶锭，但P型类单晶硅晶锭整体所贡献的光电转换效率(约18.6%),却趋近于生产成本较高的P型单晶娃(single crystalline Si)晶锭(约19%)。因此，为提升硅晶锭的光电转换效率，熟悉此技术领域相关技术人员近几年以来，无不朝向类单晶的技术来发展。经前段说明可知，该复合材料档板I的整体结构只能沿着其高度方向(也就是，纵向)为该坩埚14内的整体硅熔汤15提供均匀的横向热场，以初步地减缓杂质往该硅晶锭中心扩散的现象。然而，当该复合材料档板I被运用于成长类单晶硅晶锭时，该复合材料档板I整体结构所提供的热场，既无法有效地抑制朝该硅晶锭中心蔓延的多晶晶粒成长行为，导致类单晶硅晶锭的有效使用率徒减，也无法确保放置于该坩埚14底部的晶种(seed;图未示)不被该硅熔汤15所熔毁。因此，针对长晶的应用，此复合材料档板I只适用于成长多晶晶锭，其并不适用于成长类单晶晶锭。经上述说明可知，改良隔热单元的整体结构以为坩埚内的熔汤原料提供一适当的热场，从而避免坩埚内的晶种受熔汤原料所熔毁，并增加类单晶晶锭的有效使用率，是此技术领域相关技术人员可再突破的课题。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种用于长晶的隔热单元。本实用新型用于长晶的隔热单元，包含至少ー个隔热板组合。该隔热板组合包括:ー个第一板本体、ー个第二板本体及ー个第三板本体。该第一板本体沿一高度方向具有相反设置的两端面，且该第一板本体具有一第一热传系数も。该第二板本体设置于该第一板本体中，并介于该第一板本体的两端面间，且该第二板本体具有一第二热传系数k2。该第三板本体设置于该第一板本体中，井介于该第一板本体的其中一端面与该第二板本体间，且该第三板本体具有一第三热传系数k3 ;其中，Ic1 > k3 > k2。本实用新型所述的用于长晶的隔热单元，该第一板本体沿一厚度方向具有一第一厚度，且沿该高度方向具有一第一高度hi ;该第二板本体沿该厚度方向具有一第二厚度t2，且沿该高度方向具有一第二高度h2;该第三板本体沿该厚度方向具有一第三厚度t3，且沿该高度方向具有一第三高度h3 ；t: > t2 > t3，且h2 > h3。本实用新型所述的用于长晶的隔热单元Ic1介于128W/m K至170W/m K间，k2介于 0.28ff/m K 至 0.61 ff/m K 间，k3 介于 4W/m K 至 27W/m K 间；1^ 介于 20mm 至 30mm 间，t2介于10mm至15_间，t3介于5_至10mm间！Ii1介于480mm至510mm间，h2介于230_至260mm间，h3介于70mm至10Omm间。本实用新型所述的用于长晶的隔热单元，该第一板本体、该第二板本体及该第三板本体沿该厚度方向分别具有相反设置的一第一平面及一第二平面，该第一板本体自其第一平面朝其第二平面凹陷有两个相邻设置的凹槽，以分别填置该第二板本体与该第三板本体，且该第二板本体的第一平面切齐于该第三板本体的第一平面及该第一板本体的第一平面，并由所述相互切齐的第一平面共同界定出一内表面。本实用新型所述的用于长晶的隔热单元，包含四个呈ロ字型围绕衔接的隔热板组合，并借所述隔热板组合的内表面共同界定出一个容置空间。本实用新型所述的用于长晶的隔热单元，所述第一板本体由石墨所构成；所述第ニ板本体由碳纤维所构成；所述第三板本体由碳/碳复合材所构成。本实用新型的有益效果在于:隔热单元的整体结构由上而下提供了三段式的横向热场，可在熔化长晶原料时避免铺设于坩埚底部的晶种被熔汤原料所熔毁，也可在长晶过程中提供平缓的固液界面，借以抑制杂质朝向坩埚中心扩散，并阻碍多晶晶粒成长行为朝坩埚中心蔓延，从而提升类单晶晶锭的有效使用率。
图1是ー剖视示意图，说明ー种现有用于铸造多晶硅的复合材料档板；图2是一正视示意图，说明图1所显示的复合材料档板于实施长晶时所处的周边环境；图3是ー俯视示意图，说明本实用新型用于长晶的隔热单元的一较佳实施例；图4是ー侧视示意图，说明本实用新型该较佳实施例的一隔热板组合的细部结构；图5是一正视示意图，说明本实用新型该较佳实施例于实施长晶时所处的周边环境；图6 Ca)是ー比较例的热场分布图，图6 (b)是本实用新型该较佳实施例的热场分布图，图6 (a)和图6 (b)共同说明该比较例与本实用新型该较佳实施例于长晶程序吋，各晶锭中心凝固高度为IOOmm阶段的固液界面；图7 Ca)是该比较例的热场分布图，图7 (b)是本实用新型该较佳实施例的热场分布图，图7 (a)和图7 (b)共同说明该比较例与本实用新型该较佳实施例于长晶程序吋，各晶锭中心凝固高度为150mm阶段的固液界面；图8 (a)是该比较例的热场分布图，图8 (b)是本实用新型该较佳实施例的热场分布图，图8 (a)和图8 (b)共同说明该比较例与本实用新型该较佳实施例于长晶程序吋，各晶锭中心凝固高度为180mm阶段的固液界面。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型进行详细说明。參阅图3与图4，本实用新型用于长晶的隔热单元的一较佳实施例，包含四个呈ロ字型围绕衔接的隔热板组合2，且所述隔热板组合2是分别通过数个碳纤螺丝螺帽组3相互螺接固定(如图3所示)。每ー隔`热板组合2包括:ー个第一板本体21、ー个第二板本体22及ー个第三板本体23。每ー第一板本体21沿一高度方向Z具有相反设置的两端面211，且每ー第一板本体21具有一第一热传系数Ic1 ;每一第二板本体22设置于其所对应的第一板本体21中，并介于其第一板本体21的两端面211间，且该第二板本体22具有一第二热传系数k2;每ー第三板本体23设置于其所对应的第一板本体21中，并介于其第一板本体21的其中一端面211与其第二板本体22间，且该第三板本体23具有一第三热传系数k3 ;其中，Ic1 > k3 > k2。每ー第一板本体21沿一厚度方向X具有一第一厚度も，且沿该高度方向Z具有一第一高度H1 ;每一第二板本体22沿该厚度方向X具有一第二厚度t2，且沿该高度方向Z具有一第二高度h2 ;每一第三板本体23沿该厚度方向X具有一第三厚度t3，且沿该高度方向Z具有一第三高度h3 ;其中，h > t2 > t3，且h2 > h3。较佳地，k:介于128ff/m K 至 170ff/m K 间，k2 介于 0.28ff/m K 至 0.61ff/m K间，k3介于4ff/m K至27ff/m K间；t:介于20mm至30mm间，t2介于10mm至15mm间，t3介于5_至10mm间！Ii1介于480mm至510mm间，h2介于230_至260_间，h3介于70mm至10Omm 间。在本实用新型该较佳实施例中，每ー第一板本体21是由石墨所构成；每一第二板本体22是由碳纤维(carbon fiber)所构成；姆一第三板本体23是由碳/碳复合材(CCM)所构成，此碳/碳复合材一般是组合多种碳材并通过多层压合的方式所构成的高致密性碳纤板。姆ー第一板本体21、第二板本体22及第三板本体23沿该厚度方向X,分别具有相反设置的一第一平面212、221、231及一第二平面213、222、232。每ー第一板本体21自其第一平面212朝其第二平面213凹陷有两个相邻设置的凹槽210，以分别填置其所对应的第二板本体22与第三板本体23，且每ー第二板本体22的第一平面221是实质切齐于其所对应的第三板本体23的第一平面231及第一板本体21的第一平面212，并由所述相互切齐的第一平面212、221、231共同界定出一内表面24。 在本实用新型该较佳实施例中，是通过所述隔热板组合2的内表面24共同界定出ー个容置空间20，每ー第二板本体22与第三板本体23是分别以数个碳纤螺丝4自其第一平面221、231螺入，并从而分别固定于其所对应的第一板本体21。參阅图5可知，本实用新型该较佳实施例被应用于成长类单晶硅晶锭时，其所使用的长晶炉的环境结构大致上是雷同于图2所显示的结构，其不同处是在干，该坩埚14的底部是预先铺设有多数个单晶硅的晶种18，此外，其具体的类单晶长晶流程依序为铺设晶种、投料(硅原料)、加热、熔化(也就是，使硅原料熔化成硅熔汤15)、长晶(也就是，自该定向取热块13带走娃熔汤15的热以使娃熔汤15凝固成娃晶锭)、退火(annealing),及取锭。再參阅图4与图5可知，本实用新型该较佳实施例由上而下的横向热传率可依序被分为高热传率区间、低热传率区间及中热传率区间等三段。因此，就「熔化的程序」来看，由上加热单元16及侧向加热单元17所供应的高温一方面可通过高热传率区间的第一板本体21来传递，以使得硅原料由上而下依序熔化成硅熔汤15 ;另一方面，被铺设于该坩埚14底部的晶种18也可借位处于中热传率区间的第三板本体23以避免晶种18遭受硅熔汤15所熔毁。此外，再參阅图4与图5，就「长晶(凝固)的程序」来看，硅熔汤15于冷却过程中，也可通过位处于中热传区间的第三板本体23与低热传区间的第二板本体22以减缓邻近于坩埚14处的固液界面斜率，借以降低硅熔汤15于邻近坩埚14处的冷热温差，进而抑制杂质朝坩埚14的中心处扩散，并阻止多晶晶粒的成长行为朝坩埚14中心蔓延。为说明本实用新型该较佳实施例于长晶过程中的硅熔汤的凝固行为，申请人另提供一比较例来辅助说明；其中，该比较例的隔热单元大致上是相似于本实用新型该较佳实施例，其不同处是在干，该比较例的隔热单元的第一板本体、第二板本体，及第三板本体都由石墨所构成。申请人经模拟软件所取得的比较例与该较佳实施例的热场分布图显示于图6 (a)和图6 (b)、图7 (a)和图7 (b)及图8 (a)和图8 (b)，所述图示仅为说明本实用新型确实可以提供平缓的固液界面，避免多晶晶粒成长行为朝坩埚中心蔓延，提升类单晶晶锭的有效使用率。因此对于权利要求的保护范围并无影响，仅起到说明功效的作用。參阅图6 (a)和图6 (b)可知，该比较例于晶锭中心凝固高度为IOOmm时，其在邻近坩埚处的固液界面斜率是相对高于该较佳实施例。进ー步地參阅图7 (a)和图7 (b)可知，该比较例于晶锭中心凝固高度为150mm时，其在邻近坩埚处的固液界面斜率已明显地相对该较佳实施例更为陡峭。初歩可推，该比较例所提供的横向热场使得邻近于其坩埚处的冷热差异相对大于该较佳实施例；因此，该比较例所提供的热场较容易引导邻近于其坩埚处的杂质朝其中心处扩散，且该比较例于邻近其坩埚处的多晶晶粒成长行为也较容易朝其坩埚中心蔓延。反观本实用新型该较佳实施例，则是因为较为平缓的固液界面斜率从而导致邻近于其坩埚处的杂质朝其中心处扩散的机率降低，并阻止多晶晶粒成长行为朝坩埚中心蔓延。再者，參阅图8 (a)和图8 (b)可知，该比较例于晶锭中心凝固高度为180mm时，其所显示的固液界面，已近似于晶锭中心凝固高度为150mm所显示的固液界面。可推估,该比较例坩埚中的杂质一方面是朝其坩埚中心扩散，另ー方面也朝上移动。反观本实用新型该较佳实施例，虽然其于邻近坩埚处的固液界面斜率，是高于其在晶锭中心凝固高度为150_的固液界面斜率；然而，却是相对该比较例更为平缓。可推估，该较佳实施例坩埚中的杂质是朝上扩散，并非朝其坩埚中心扩散；此外，其多晶晶粒成长行为朝其坩埚中心蔓延的现象也只出现在长晶程序的终段(也就是，晶锭上方)。综合上述图4、图5、图6 (a)和图6 (b)、图7 (a)和图7 (b)及图8 (a)和图8(b)等相关说明可知，本实用新型该较佳实施例的隔热单元于「熔化的程序」时，其被铺设于该坩埚14底部的晶种18可借位处于中热传率区间的第三板本体23，以避免晶种18遭受硅熔汤15所熔毁。此外，本实用新型该较佳实施例的隔热单元于「长晶的程序」吋，该隔热单元由上而下所提供的三段式横向热场，可通过位处于中热传率区间的第三板本体23与低热传率区间的第二板本体22，来降低邻近于坩埚14处的冷热差异，从而抑制杂质朝坩埚14中心处扩散，并阻止多晶晶粒成长行为朝坩埚14中心处蔓延；因此，本实用新型该较佳实施例的隔热单元于「长晶的程序」时，其坩埚14中的杂质是朝上扩散；此外，其多晶晶粒成长行为朝其坩埚中心蔓延的现象也只出现在长晶程序的终段(也就是，晶锭上方)。如此，运用本实用新型该较佳实施例的隔热单元所制得的类单晶硅晶锭，其在供应下游厂商以制作成太阳能电池时，由于其类单晶硅晶锭周围所分布的多晶晶粒比率低，使得其类单晶娃晶锭于纵向直角切割(squaring)成晶砖(brick)时的横向有效使用率高；此外，由于其类单晶硅晶锭的杂质及多晶晶粒多数分布在晶锭上方，因此，使得各晶砖于横向切片(slicing)时的纵向有效使用率也高。此处值得进ー步说明的是，本实用新型该较佳实施例的隔热单元被应用于成长类单晶硅晶锭吋，并不限于使各隔热板组合2的内表面24面向该坩埚14来实施成长类单晶硅晶锭，其也可以是以各隔热板组合2的第一板本体21的第二平面213来面向该坩埚14实施成长类单晶硅晶錠。综上所述，本实用新型用于长晶的隔热单元，其由上而下所提供的三段式横向热场，可避免晶种于长晶前的程序被熔汤原料所熔毁，也可在长晶过程中提供平缓的固液界面，使得熔汤原料中的杂质朝上扩散，且多晶晶粒成长行为朝坩埚中心蔓延的现象发生在长晶程序的终段，大幅地提升类单晶晶锭的有效使用率，所以确实能达成本实用新型的目的。
权利要求1.一种用于长晶的隔热单元，包含至少ー个隔热板组合，该隔热板组合包括ー个第一板本体、ー个第二板本体，及ー个第三板本体；其特征在于: 该第一板本体沿一高度方向具有相反设置的两端面，且该第一板本体具有一第一热传系数h ； 该第二板本体设置于该第一板本体中并介于该第一板本体的两端面间，且该第二板本体具有一第二热传系数k2 ； 该第三板本体设置于该第一板本体中井介于该第一板本体的其中一端面与该第二板本体间,且该第三板本体具有一第三热传系数k3 ；其中，Ic1 > k3 > k2。
2.根据权利要求1所述的用于长晶的隔热单元，其特征在于:该第一板本体沿一厚度方向具有一第一厚度h，且沿该高度方向具有一第一高度h ;该第二板本体沿该厚度方向具有一第二厚度t2，且沿该高度方向具有一第二高度h2;该第三板本体沿该厚度方向具有一第三厚度t3，且沿该高度方向具有一第三高度h3 ；t: > t2 > t3，且h2 > h3。
3.根据权利要求2所述的用于长晶的隔热单元，其特征在于A介于128W/m K至170ff/m K 间，k2 介于 0.28ff/m K 至 0.61ff/m K 间，k3 介于 4W/m K 至 27W/m K 间ふ介于20mm至30mm间，t2介于10mm至15_间，t3介于5_至10mm间！Ii1介于480mm至510_间，h2介于230mm至260mm间，h3介于70mm至IOOmm间。
4.根据权利要求3所述的用于长晶的隔热单元，其特征在于:该第一板本体、该第二板本体及该第三板本体沿该厚度方向还分别具有相反设置的一第一平面及一第二平面，该第一板本体自其第一平面朝其第二平面凹陷有两个相邻设置的凹槽，以分别填置该第二板本体与该第三板本体，且该第二板本体的第一平面切齐于该第三板本体的第一平面及该第一板本体的第一平面，并由所述切齐的第一平面共同界定出一内表面。
5.根据权利要求4所述的用`于长晶的隔热单元，其特征在于:包含四个呈ロ字型围绕衔接的隔热板组合，并借所述隔热板组合的内表面共同界定出一个容置空间。
6.根据权利要求1所述的用于长晶的隔热单元，其特征在于:所述第一板本体由石墨所构成；所述第二板本体由碳纤维所构成；所述第三板本体由碳/碳复合材所构成。
专利摘要一种用于长晶的隔热单元包含至少一隔热板组合。隔热板组合包括一第一板本体、一第二板本体及一第三板本体。第一板本体具有一第一热传系数k1，且沿一高度方向具有相反设置的两端面。第二板本体具有一第二热传系数k2，且设置于第一板本体中并介于第一板本体的两端面间。第三板本体具有一第三热传系数k3，且设置于第一板本体中并介于第一板本体的其中一端面与第二板本体间；且k1＞k3＞k2。隔热单元沿高度方向提供了三段式横向热场，可在熔化长晶原料时避免铺设于坩埚底部的晶种被熔汤原料所熔毁，也可在长晶过程中提供平缓的固液界面，以抑制杂质朝坩埚中心扩散并阻碍多晶晶粒成长行为朝坩埚中心蔓延，从而提升类单晶晶锭的有效使用率。
文档编号C30B28/06GK202913086SQ20122043079
公开日2013年5月1日 申请日期2012年8月28日 优先权日2012年8月28日
发明者黄志伟, 邵任民, 刘安钧 申请人:昱成光能股份有限公司