[實(shí)用新型]用于多晶硅鑄錠爐的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的熱交換臺(tái)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201120276774.9
• 申請(qǐng)日: 2011-08-01
• 公開（公告）號(hào): CN202247004U
• 公開（公告）日: 2012-05-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 傅林堅(jiān);石剛;葉欣;曹建偉;邱敏秀
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上虞晶信機(jī)電科技有限公司;浙江晶盛機(jī)電股份有限公司
• 主分類號(hào): C30B28/06
• 分類號(hào): C30B28/06;C30B29/06
• 代理公司: 杭州中成專利事務(wù)所有限公司 33212
• 代理人: 金祺

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及多晶硅鑄錠爐設(shè)備，具體涉及用于多晶硅鑄錠爐的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的熱交換臺(tái)。

背景技術(shù)

多晶硅鑄錠爐是目前光伏行業(yè)中多晶硅的主要生產(chǎn)設(shè)備，其功能是將多晶硅按照設(shè)定工藝經(jīng)過熔化、定向結(jié)晶、退火、冷卻幾個(gè)階段后成為有一定晶體生長方向的多晶硅錠。多晶硅鑄錠過程所需環(huán)境即為多晶鑄錠爐熱場(chǎng)。通過合理的設(shè)計(jì)熱場(chǎng)中加熱器的功率分布、隔熱材料的位置、厚度分布，可以改變最終多晶硅錠的晶體生長方向。該設(shè)備的工作原理如圖1所示：工作時(shí)，首先將放入坩堝內(nèi)的硅料進(jìn)行加熱熔化，然后打開底部的保溫籠，使得坩堝底部的熱交換臺(tái)(也稱導(dǎo)熱體)能對(duì)外進(jìn)行輻射散熱，使得坩堝底部溫度下降，熔化的硅料從底部向上進(jìn)行定向凝固。在多晶硅生長過程中，坩堝底部的溫度控制是由輻射散熱決定的。主要通過調(diào)節(jié)加熱器的功率以及底部保溫籠的開度，通過熱交換臺(tái)輻射散熱的方式進(jìn)行降溫，來控制硅錠生長速度。

圖2中是中國發(fā)明專利“用于多晶硅垂直定向生長的隨動(dòng)隔熱環(huán)熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)”(專利申請(qǐng)?zhí)?01010108876.X)所揭示的熱場(chǎng)整體結(jié)構(gòu)剖視圖，使用了同樣的溫度控制方式。雖然該技術(shù)操作簡單，但由于底部保溫籠四周向圓形爐體底部散熱的路徑不一致，使得熱交換臺(tái)溫度四周低中間高，分布不均勻；同時(shí)隨著硅錠高度的增加晶體豎直方向熱傳導(dǎo)效率降低，導(dǎo)致晶體生長速度逐步減緩，其硅錠的生長速度更加難以通過輻射降溫的方式進(jìn)行精確控制；同時(shí)，因散熱速度有限制，影響因素多，熱交換臺(tái)的溫度無法精確控制且溫度分布不均勻，導(dǎo)致硅熔體在坩堝底部大量的形核，而晶粒數(shù)量過多阻礙其生長成為大晶粒。由于晶粒多，因此硅片上存在大量吸收了雜質(zhì)和位錯(cuò)的晶界，在硅禁帶中引入深能級(jí)，成為光生少數(shù)載流子的有效復(fù)合中心，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

也有采用水冷卻的技術(shù)，但因坩堝底部和熱交換臺(tái)的溫度一般有1000℃以上，像一般工業(yè)上所采用的水冷卻方式，在熱交換臺(tái)中通入冷卻水是不現(xiàn)實(shí)的。因此，現(xiàn)有的水冷方式都是在熱交換臺(tái)下面設(shè)置內(nèi)通冷卻水的銅管(如圖3所示)。因?yàn)樵摲桨笇?shí)際上是通過冷卻水對(duì)熱交換臺(tái)進(jìn)行換熱，再由熱交換臺(tái)對(duì)坩堝底部進(jìn)行換熱，其換熱方式效率非常低。此外由于水溫不能過高，又不能停止供水，且存在固定的最小功耗，水冷方案消耗功率大，因此難以對(duì)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，故實(shí)際生產(chǎn)中采用不多。

中國發(fā)明專利“用于多晶鑄錠爐的氣體冷卻裝置及方法”(專利申請(qǐng)?zhí)?01110040032.0)揭示了一種用于多晶鑄錠爐的氣體冷卻裝置及方法(如圖4所示)，是在鑄錠爐內(nèi)熱場(chǎng)的熱交換臺(tái)(在該文獻(xiàn)中被稱為導(dǎo)熱體)的下方設(shè)置內(nèi)部帶有氣流通道的石墨體，坩堝底部的熱量經(jīng)熱交換臺(tái)(導(dǎo)熱體)傳遞至石墨體。該技術(shù)通過使惰性氣體從氣流通道的進(jìn)氣口進(jìn)入，氣體流經(jīng)石墨體內(nèi)部并帶走熱量，然后從氣流通道的出氣口排出以實(shí)現(xiàn)散熱。與圖1、2中的散熱方式相比，該技術(shù)是在熱場(chǎng)底部增加一個(gè)主動(dòng)散熱的氣體冷卻裝置，并通過調(diào)節(jié)通入裝置內(nèi)的氣體流量控制主動(dòng)散熱幅度，能夠主動(dòng)的控制晶體下方散熱速率，有效控制晶體生長速度。而與圖3中的散熱方式相比，由于惰性氣體沒有溫度的限制，且不需要絕對(duì)的隔離密封，因此在熔化等非晶體生長階段，可以關(guān)閉冷卻氣體，降低能耗，并且在長晶過程中可以大幅度調(diào)節(jié)氣體的流量，進(jìn)口氣體溫度約為25度，出口可以在11000度內(nèi)任意溫度不受影響，因此其散熱幅度大、安全性極高；而圖3的水冷卻方案，在任何階段，必須維持必要水流量，并要滿足冷卻出水溫度不得超過50度的要求，能耗大，散熱幅度調(diào)節(jié)范圍小、精度差，且安全性差。

但是，與圖3中水冷卻方式相同的是，圖4中的氣體冷卻技術(shù)仍未能擺脫原技術(shù)固有思維模式的束縛。后者還是將重心放在通過換熱器件對(duì)熱交換臺(tái)的溫度進(jìn)行控制，由熱交換臺(tái)的溫度變化進(jìn)而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)坩堝底部溫度的控制。由于控制目標(biāo)與控制對(duì)象之間存在過多的間接因素，導(dǎo)致控制方式依舊存在非線性、大滯后、強(qiáng)耦合等問題，如使用傳統(tǒng)的PID其控制效果仍然不理想，對(duì)操作員的依賴性很強(qiáng)，工作強(qiáng)度大、工作效率低。

綜上，增大鑄造多晶硅晶粒尺寸、減少晶界密度、進(jìn)而提高硅電池光電轉(zhuǎn)換效率，是目前國際光伏界孜孜以求的目標(biāo)。雖然自多晶硅鑄錠爐問世至今已有近10年，但普遍采用的始終是上述的移動(dòng)隔熱籠進(jìn)行輻射降溫的控制技術(shù)，其技術(shù)改進(jìn)一直未能取得突破。因此，尋找能夠更精準(zhǔn)地控制多晶硅生長過程中散熱量，以提高多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量，成為業(yè)界亟待解決的問題。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種用于多晶硅鑄錠爐的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的熱交換臺(tái)。

為解決技術(shù)問題，本實(shí)用新型的解決方案是：