一種多晶硅晶體生長爐生長裝置及其熱源調(diào)節(jié)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多晶硅晶體生長爐生長裝置及其熱源調(diào)節(jié)方法，包括晶體生長爐，所述晶體生長爐內(nèi)設(shè)有頂部加熱源及四周加熱源，頂部加熱源連接調(diào)功器一，四周加熱源連接調(diào)功器二。加熱過程，調(diào)功器一和調(diào)功器二改變頂部加熱源與四周加熱源的功率比例。本發(fā)明利用隔熱板一方面可以有效降低加熱器的無效熱損失，降低系統(tǒng)總能量消耗，另一方面，提高坩堝側(cè)擋板外部的溫度，降低坩堝內(nèi)部徑向溫度梯度。并且隔熱板隨著隔熱籠的上下移動而轉(zhuǎn)動，經(jīng)過計算驗證，隔熱板水平放置時隔熱效果最好，隨著與水平夾角的變大，隔熱效果逐漸變差，滿足冷凝過程后期溫度梯度的要求，使溫度場滿足冷凝參數(shù)要求的同時減小晶體內(nèi)容因溫差引起的熱應(yīng)力。
【專利說明】
一種多晶硅晶體生長爐生長裝置及其熱源調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種多晶硅晶體生長爐生長裝置及其熱源調(diào)節(jié)方法，屬于晶體生長爐技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能級多晶硅作為太陽能電池的重要載體，其晶體的質(zhì)量直接影響到電池的轉(zhuǎn)化效率。定向凝固(DSS)法多晶硅與直拉(CZ)法單晶硅相比，制備工藝簡單、成本較低，成為太陽電池的主要原料。定向凝固技術(shù)較傳統(tǒng)的晶體制備過程可以抑制橫向晶界的產(chǎn)生，降低晶界、位錯等組織缺陷。然而，定向凝固爐爐腔內(nèi)的溫度梯度會導(dǎo)致晶體內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，容易造成其內(nèi)部位錯密度過高甚至晶體開裂。在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，通過控制定向凝固的工藝參數(shù)以降低爐內(nèi)溫度梯度，進而制備高質(zhì)量的多晶硅鑄錠。
[0003]傳統(tǒng)生長爐優(yōu)化方案重點改善生長爐加熱控制及結(jié)構(gòu)，在具有頂端加熱器及四周加熱器的結(jié)構(gòu)中，加熱量的比例基本均設(shè)定為1:1，但是，由于頂端加熱器與四周加熱器對坩禍內(nèi)物質(zhì)的加熱方式不同，作用效果也不同，很難形成徑向溫度梯度小、軸向溫度梯度均勻的溫度場。同時由于四周加熱器底部散熱量較大，有效利用較少，不利于節(jié)能。目前已有設(shè)計將坩禍底部護板加上，以阻擋一部分熱輻射，但是由于坩禍底部護板的導(dǎo)熱系數(shù)相對較大，因此有進一步改進空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種多晶硅晶體生長爐生長裝置及其熱源調(diào)節(jié)方法;
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]—種多晶硅晶體生長爐生長裝置，包括晶體生長爐，所述晶體生長爐內(nèi)設(shè)有頂部加熱源及四周加熱源，所述頂部加熱源連接調(diào)功器一，所述四周加熱源連接調(diào)功器二。
[0007]加熱過程，調(diào)功器一和調(diào)功器二改變頂部加熱源與四周加熱源的功率比例。
[0008]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述晶體生長爐內(nèi)還包括隔熱籠、坩禍、坩禍底護板、隔熱板、坩禍側(cè)護板，所述晶體生長爐內(nèi)設(shè)有所述隔熱籠，所述隔熱籠頂部內(nèi)壁上固定設(shè)有所述頂部加熱源，所述隔熱籠四周內(nèi)壁上固定設(shè)有所述四周加熱源；
[0009]所述隔熱籠內(nèi)套有坩禍，所述坩禍外側(cè)壁上設(shè)有所述坩禍側(cè)護板，所述坩禍外底部設(shè)有坩禍底護板，所述坩禍底護板的邊緣與所述隔熱籠的側(cè)壁之間連接所述隔熱板。
[0010]此處設(shè)計的優(yōu)勢在于，隔熱板的設(shè)置，一方面，有效降低了頂部加熱源及四周加熱源的無效熱損失，降低了總能量消耗，另一方面，提高了坩禍側(cè)護板外部的溫度，降低了坩禍內(nèi)部徑向溫度梯度。
[0011]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述隔熱板通過旋轉(zhuǎn)裝置連接所述隔熱籠的側(cè)壁。
[0012]此處設(shè)計的優(yōu)勢在于，實現(xiàn)了隔熱板隨著隔熱籠的上下移動而轉(zhuǎn)動，經(jīng)過計算驗證，隔熱板水平放置時隔熱效果最好，隨著與水平夾角的變大，隔熱效果逐漸變差，滿足冷凝過程后期溫度梯度的要求，使溫度場滿足冷凝參數(shù)要求的同時減小晶體內(nèi)因溫差引起的熱應(yīng)力。
[0013]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的隔熱板的導(dǎo)熱系數(shù)與隔熱籠的導(dǎo)熱系數(shù)相同。
[0014]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述坩禍底護板下設(shè)有散熱臺。
[0015]上述晶體生長爐生長裝置的熱源調(diào)節(jié)方法，具體是指:晶體生長過程中，隨著晶體體積與原始溶液體積的比值的不斷增大，頂部加熱源的功率與四周加熱源的功率的比值不斷變小，頂部加熱源的功率與四周加熱源的功率的比值的變化范圍為1:4-1:1。
[0016]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，當(dāng)晶體體積與原始溶液體積的比值小于1:2時，頂部加熱源的功率與四周加熱源的功率的比值的取值范圍為(1:1)-(1:2);當(dāng)晶體體積與原始溶液體積的比值為1: 2時，頂部加熱源的功率與四周加熱源的功率的比值的取值范圍為(1:2)-(1:
3);當(dāng)晶體體積與原始溶液體積的比值大于1:2時，頂部加熱源的功率與四周加熱源的功率的比值的取值范圍為(1:3)-( 1:4)。
[0017]發(fā)明通過改變加熱功率的控制參數(shù)來優(yōu)化晶體生長爐內(nèi)的溫度分布，與傳統(tǒng)晶體生長爐頂部加熱功率與四周加熱功率的比值定為I: I的情況相比，本發(fā)明的參數(shù)一方面可以有效降低晶體生長爐內(nèi)的徑向溫度梯度，另一方面可以形成略凸向溶液的晶體生長界面，形成有利于雜質(zhì)排出的溶液流動，所得到的晶體熱應(yīng)力較小。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:
[0019]1.本發(fā)明通過改變加熱功率的控制參數(shù)來優(yōu)化晶體生長爐內(nèi)的溫度分布，與傳統(tǒng)晶體生長爐頂部加熱功率與四周加熱功率的比值定為1:1的情況相比，本發(fā)明的參數(shù)一方面可以有效降低晶體生長爐內(nèi)的徑向溫度梯度，另一方面可以形成略凸向溶液的晶體生長界面，形成有利于雜質(zhì)排出的溶液流動，所得到的晶體熱應(yīng)力較小。
[0020]2.本發(fā)明利用隔熱板一方面可以有效降低加熱器的無效熱損失，降低系統(tǒng)總能量消耗，另一方面，提高坩禍側(cè)擋板外部的溫度，降低坩禍內(nèi)部徑向溫度梯度。并且隔熱板隨著隔熱籠的上下移動而轉(zhuǎn)動，經(jīng)過計算驗證，隔熱板水平放置時隔熱效果最好，隨著與水平夾角的變大，隔熱效果逐漸變差，滿足冷凝過程后期溫度梯度的要求，使溫度場滿足冷凝參數(shù)要求的同時減小晶體內(nèi)容因溫差引起的熱應(yīng)力。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為實施例1所述晶體生長爐生長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為在晶體生長過程中隔熱籠、側(cè)加熱器及隔熱板的相對位置圖。
[0023]圖3為實施例1所述晶體生長爐生長裝置內(nèi)晶體生長界面圖。
[0024]圖4為對比例I所述晶體生長爐生長裝置的晶體生長界面圖。
[0025]圖5為實施例1所述晶體生長爐生長裝置內(nèi)的熱應(yīng)力圖。
[0026]圖6為對比例I所述晶體生長爐生長裝置內(nèi)的熱應(yīng)力圖。
[0027]1、晶體生長爐；2、頂部加熱器;3、隔熱籠;4、側(cè)加熱器;5、坩禍側(cè)護板;6、隔熱板；
7、散熱臺；8、坩禍底護板。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合說明書附圖和實施例對本發(fā)明作進一步限定，但不限于此。
[0029]實施例1
[0030]—種多晶硅晶體生長爐生長裝置，包括晶體生長爐I，所述晶體生長爐I內(nèi)設(shè)有頂部加熱器2及側(cè)加熱器4，所述頂部加熱器2連接調(diào)功器一，所述側(cè)加熱器4連接調(diào)功器二。
[0031]加熱過程，調(diào)功器一和調(diào)功器二改變頂部加熱器2與側(cè)加熱器4的功率比例。
[0032]晶體生長爐I內(nèi)還包括隔熱籠3、坩禍、坩禍底護板8、隔熱板6、坩禍側(cè)護板5，晶體生長爐I內(nèi)設(shè)有所述隔熱籠3，隔熱籠3頂部內(nèi)壁上固定設(shè)有頂部加熱器2，隔熱籠3四周內(nèi)壁上固定設(shè)有側(cè)加熱器4;
[0033]隔熱籠3內(nèi)套有坩禍，坩禍外側(cè)壁上設(shè)有坩禍側(cè)護板5，坩禍外底部設(shè)有坩禍底護板8，坩禍底護板8的邊緣與隔熱籠3的側(cè)壁之間連接隔熱板6，所述坩禍底護板8下設(shè)有散熱臺7。
[0034]此處設(shè)計的優(yōu)勢在于，隔熱板6的設(shè)置，一方面有效降低了頂部加熱器2及側(cè)加熱器4的無效熱損失，降低了總能量消耗，經(jīng)過計算，在坩禍內(nèi)溫度分布相同的條件下，加隔熱板6后的能耗比不加隔熱板6的能耗低約4.3%，加隔熱板6的散熱臺7底部溫度比不加隔熱板6的相同位置的溫度低約30K。另一方面，提高了坩禍側(cè)護板5外部的溫度，降低了坩禍內(nèi)部徑向溫度梯度，經(jīng)過計算，晶體生長后期，在坩禍中間晶體部分加隔熱板6的裝置徑向溫差為2K，不加隔熱板6的徑向溫差為4K。
[0035]隔熱板6通過旋轉(zhuǎn)裝置連接隔熱籠3的側(cè)壁。所述旋轉(zhuǎn)裝置為普通的自動控制旋轉(zhuǎn)裝置，包括支架、旋轉(zhuǎn)軸、動力輸入輸出機構(gòu)、轉(zhuǎn)速控制模塊。
[0036]此處設(shè)計的優(yōu)勢在于，實現(xiàn)了隔熱板6隨著隔熱籠3的上下移動而轉(zhuǎn)動，經(jīng)過計算驗證，隔熱板6水平放置時隔熱效果最好，隨著與水平夾角的變大，隔熱效果逐漸變差，滿足冷凝過程后期溫度梯度的要求，使溫度場滿足冷凝參數(shù)要求的同時減小晶體內(nèi)因溫差引起的熱應(yīng)力。
[0037]隔熱板6的導(dǎo)熱系數(shù)與隔熱籠3的導(dǎo)熱系數(shù)相同。
[0038]實施例2
[0039]實施例1所述多晶硅晶體生長爐生長裝置的熱源調(diào)節(jié)方法，具體是指:當(dāng)晶體體積與原始溶液體積的比值小于1:2時，頂部加熱器2的功率與側(cè)加熱器4的功率的比值的取值范圍為(1:1)-(1:2);當(dāng)晶體體積與原始溶液體積的比值為1:2時，頂部加熱器2的功率與側(cè)加熱器4的功率的比值的取值范圍為(1:2)-(1:3);當(dāng)晶體體積與原始溶液體積的比值大于1:2時，頂部加熱器2的功率與側(cè)加熱器4的功率的比值的取值范圍為(1:3)-( 1:4)。
[0040]本實施例通過改變加熱功率的控制參數(shù)來優(yōu)化晶體生長爐I內(nèi)的溫度分布，一方面，可以有效降低晶體生長爐I內(nèi)的徑向溫度梯度，另一方面，可以形成略凸向溶液的晶體生長界面，形成有利于雜質(zhì)排出的溶液流動，本實施例所述晶體生長爐生長裝置內(nèi)晶體生長界面圖如圖3所示。本實施例得到的晶體熱應(yīng)力較小，本實施例所述晶體生長爐生長裝置內(nèi)的熱應(yīng)力圖如圖5所示。圖5中，A區(qū)域的平均熱應(yīng)力為2.78e7N/m2;B區(qū)域的平均熱應(yīng)力為1.85e7N/m2 ；C區(qū)域的平均熱應(yīng)力為9.29e6N/V ;D區(qū)域的平均熱應(yīng)力為7.57e6N/m2，圖5中整個熱應(yīng)力圖平均熱應(yīng)力約為l*e7N/m2。
[0041]對比例I
[0042]實施例2所述多晶硅晶體生長爐生長裝置的熱源調(diào)節(jié)方法，其區(qū)別在于，頂部加熱器2功率與側(cè)加熱器4功率的比值定為1:1，且所述晶體生長爐生長裝置內(nèi)未設(shè)有隔熱板6。
[0043]本對比例所述晶體生長爐生長裝置內(nèi)晶體生長界面圖如圖4所示。通過圖3及圖4對比可以看出，實施例2的結(jié)果中固液界面向液體方向突起，這種固液界面更有利于晶體中雜質(zhì)的排除。
[0044]本對比例所述晶體生長爐生長裝置內(nèi)的熱應(yīng)力圖如圖6所示。圖6中，a區(qū)域的平均熱應(yīng)力為2.22e8N/V;b區(qū)域的平均熱應(yīng)力為1.58e8N/V;c區(qū)域的平均熱應(yīng)力為1.26e8N/m2;d區(qū)域的平均熱應(yīng)力為9.41e7N/m2;圖6中整個熱應(yīng)力圖平均熱應(yīng)力約為l*e8N/m2。熱應(yīng)力。
[0045]通過圖5及圖6的對比，圖5平均熱應(yīng)力約為l*e7N/m2，圖6中平均熱應(yīng)力約為I*e8N/m2，，可以看到，圖5中熱應(yīng)力更加均勻，在其它操作條件均相同時，實施例的熱應(yīng)力在數(shù)值上降低至原來的10%。
【主權(quán)項】
1.一種多晶硅晶體生長爐生長裝置，其特征在于，包括晶體生長爐，所述晶體生長爐內(nèi)設(shè)有頂部加熱源及四周加熱源，所述頂部加熱源連接調(diào)功器一，所述四周加熱源連接調(diào)功口口 _-?σ~- ο2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多晶硅晶體生長爐生長裝置，其特征在于，所述晶體生長爐內(nèi)還包括隔熱籠、坩禍、坩禍底護板、隔熱板、坩禍側(cè)護板，所述晶體生長爐內(nèi)設(shè)有所述隔熱籠，所述隔熱籠頂部內(nèi)壁上固定設(shè)有所述頂部加熱源，所述隔熱籠四周內(nèi)壁上固定設(shè)有所述四周加熱源； 所述隔熱籠內(nèi)套有坩禍，所述坩禍外側(cè)壁上設(shè)有所述坩禍側(cè)護板，所述坩禍外底部設(shè)有坩禍底護板，所述坩禍底護板的邊緣與所述隔熱籠的側(cè)壁之間連接所述隔熱板。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多晶硅晶體生長爐生長裝置，其特征在于，所述隔熱板通過旋轉(zhuǎn)裝置連接所述隔熱籠的側(cè)壁。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多晶硅晶體生長爐生長裝置，其特征在于，所述隔熱板的導(dǎo)熱系數(shù)與所述隔熱籠的導(dǎo)熱系數(shù)相同。5.根據(jù)權(quán)利要求2-4任一所述的一種多晶硅晶體生長爐生長裝置，其特征在于，所述坩禍底護板下設(shè)有散熱臺。6.權(quán)利要求1-4任一所述的晶體生長爐生長裝置的熱源調(diào)節(jié)方法，其特征在于，具體是指:晶體生長過程中，隨著晶體體積與原始溶液體積的比值的不斷增大，頂部加熱源的功率與四周加熱源的功率的比值不斷變小，頂部加熱源的功率與四周加熱源的功率的比值的變化范圍為(1:4)-(1:1)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的晶體生長爐生長裝置的熱源調(diào)節(jié)方法，其特征在于，當(dāng)晶體體積與原始溶液體積的比值小于1:2時，頂部加熱源的功率與四周加熱源的功率的比值的取值范圍為(1: 1)-(1: 2);當(dāng)晶體體積與原始溶液體積的比值為1: 2時，頂部加熱源的功率與四周加熱源的功率的比值的取值范圍為(1:2)-(1:3);當(dāng)晶體體積與原始溶液體積的比值大于1:2時，頂部加熱源的功率與四周加熱源的功率的比值的取值范圍為(1:3)-(1:4)。
【文檔編號】C30B28/06GK105926036SQ201610348843
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】陳成敏, 楊春振, 劉光霞, 王立秋, 許敏, 侯延進
【申請人】山東省科學(xué)院能源研究所