[实用新型]用于多晶硅铸锭炉的改进结构的热交换台

说明书

技术领域

本实用新型涉及多晶硅铸锭炉设备，具体涉及用于多晶硅铸锭炉的改进结构的热交换台。

背景技术

多晶硅铸锭炉是目前光伏行业中多晶硅的主要生产设备，其功能是将多晶硅按照设定工艺经过熔化、定向结晶、退火、冷却几个阶段后成为有一定晶体生长方向的多晶硅锭。多晶硅铸锭过程所需环境即为多晶铸锭炉热场。通过合理的设计热场中加热器的功率分布、隔热材料的位置、厚度分布，可以改变最终多晶硅锭的晶体生长方向。该设备的工作原理如图1所示：工作时，首先将放入坩埚内的硅料进行加热熔化，然后打开底部的保温笼，使得坩埚底部的热交换台(也称导热体)能对外进行辐射散热，使得坩埚底部温度下降，熔化的硅料从底部向上进行定向凝固。在多晶硅生长过程中，坩埚底部的温度控制是由辐射散热决定的。主要通过调节加热器的功率以及底部保温笼的开度，通过热交换台辐射散热的方式进行降温，来控制硅锭生长速度。

图2中是中国发明专利“用于多晶硅垂直定向生长的随动隔热环热场结构”(专利申请号201010108876.X)所揭示的热场整体结构剖视图，使用了同样的温度控制方式。虽然该技术操作简单，但由于底部保温笼四周向圆形炉体底部散热的路径不一致，使得热交换台温度四周低中间高，分布不均匀；同时随着硅锭高度的增加晶体竖直方向热传导效率降低，导致晶体生长速度逐步减缓，其硅锭的生长速度更加难以通过辐射降温的方式进行精确控制；同时，因散热速度有限制，影响因素多，热交换台的温度无法精确控制且温度分布不均匀，导致硅熔体在坩埚底部大量的形核，而晶粒数量过多阻碍其生长成为大晶粒。由于晶粒多，因此硅片上存在大量吸收了杂质和位错的晶界，在硅禁带中引入深能级，成为光生少数载流子的有效复合中心，降低电池的光电转换效率。

也有采用水冷却的技术，但因坩埚底部和热交换台的温度一般有1000℃以上，像一般工业上所采用的水冷却方式，在热交换台中通入冷却水是不现实的。因此，现有的水冷方式都是在热交换台下面设置内通冷却水的铜管(如图3所示)。因为该方案实际上是通过冷却水对热交换台进行换热，再由热交换台对坩埚底部进行换热，其换热方式效率非常低。此外由于水温不能过高，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，因此难以对温度进行精准控制，故实际生产中采用不多。

中国发明专利“用于多晶铸锭炉的气体冷却装置及方法”(专利申请号201110040032.0)揭示了一种用于多晶铸锭炉的气体冷却装置及方法(如图4所示)，是在铸锭炉内热场的热交换台(在该文献中被称为导热体)的下方设置内部带有气流通道的石墨体，坩埚底部的热量经热交换台(导热体)传递至石墨体。该技术通过使惰性气体从气流通道的进气口进入，气体流经石墨体内部并带走热量，然后从气流通道的出气口排出以实现散热。与图1、2中的散热方式相比，该技术是在热场底部增加一个主动散热的气体冷却装置，并通过调节通入装置内的气体流量控制主动散热幅度，能够主动的控制晶体下方散热速率，有效控制晶体生长速度。而与图3中的散热方式相比，由于惰性气体没有温度的限制，且不需要绝对的隔离密封，因此在熔化等非晶体生长阶段，可以关闭冷却气体，降低能耗，并且在长晶过程中可以大幅度调节气体的流量，进口气体温度约为25度，出口可以在11000度内任意温度不受影响，因此其散热幅度大、安全性极高；而图3的水冷却方案，在任何阶段，必须维持必要水流量，并要满足冷却出水温度不得超过50度的要求，能耗大，散热幅度调节范围小、精度差，且安全性差。

但是，与图3中水冷却方式相同的是，图4中的气体冷却技术仍未能摆脱原技术固有思维模式的束缚。后者还是将重心放在通过换热器件对热交换台的温度进行控制，由热交换台的温度变化进而间接实现对坩埚底部温度的控制。由于控制目标与控制对象之间存在过多的间接因素，导致控制方式依旧存在非线性、大滞后、强耦合等问题，如使用传统的PID其控制效果仍然不理想，对操作员的依赖性很强，工作强度大、工作效率低。

综上，增大铸造多晶硅晶粒尺寸、减少晶界密度、进而提高硅电池光电转换效率，是目前国际光伏界孜孜以求的目标。虽然自多晶硅铸锭炉问世至今已有近10年，但普遍采用的始终是上述的移动隔热笼进行辐射降温的控制技术，其技术改进一直未能取得突破。因此，寻找能够更精准地控制多晶硅生长过程中散热量，以提高多晶硅产品质量，成为业界亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于多晶硅铸锭炉的改进结构的热交换台。

为解决技术问题，本实用新型的解决方案是：