一种水冷屏及低功率单晶炉的制作方法

1.本实用新型涉及单晶硅生产设备的技术领域，具体涉及一种水冷屏及低功率单晶炉。


背景技术：

2.大阳能电池用单晶硅材料，单晶硅的生产成本成为大阳能电池能否具有竞争优势的重要因素。
3.目前，常在单晶炉中采用直拉法来生长单晶硅，其中，单晶炉是一种在惰性气体环境中用加热器将多晶硅等多晶材料熔化、用直拉法生长无错位单晶的设备，在单晶炉中用单晶热场维持拉晶所需温度，而单晶热场采用加热器提供拉晶所需功率，在单晶拉制过程中，用于维持单晶炉坩埚内熔体与结晶面的理想平衡状态的所需功率为标准功率，低于标准功率会形成液体内多结晶点，造成单晶拉制断线，而高于标准功率则会造成热量积累，直接造成单晶位错积累引发单晶拉制断线，功率过高或者过低都会造成单晶拉速低单产低。
4.在单晶拉制过程中，物体相变产生结晶潜热会破坏单晶炉坩埚内熔体与结晶面的理想平衡状态，这部分结晶潜热主要通过热辐射的方式传给水冷屏被水冷屏吸收带走，以达到理想的结晶状态。目前行业使用的水冷屏为各部位同等厚度的钢材设计，各部位同等厚度的水冷屏无差别吸收热量，由于水冷屏吸热只需要提供符合单晶生长的温度梯度即可，而水冷屏在远离结晶面的一侧吸收的热量在一定程度上是非必要的，为了补偿这部分热量，加热器需要额外补偿相应功率，造成能量浪费。


技术实现要素：

5.针对单水冷屏各部位均为等厚度材料设计，造成水冷屏无差别吸收热量，进一步造成硅单晶拉制功耗浪费的问题，现提出一种水冷屏，所述水冷屏位于单晶炉内部，所述水冷屏具有中空腔室，所述中空腔室用于流过冷却物质，所述水冷屏应用于真空环境下将待生长的单晶硅棒降温，所述水冷屏靠近单晶硅棒一侧为水冷屏内壁体，远离单晶硅棒一侧为水冷屏外壁体，所述水冷屏外壁体与水冷屏内壁体之间的间隙为所述中空腔室，所述水冷屏外壁体的厚度大于水冷屏内壁体的厚度。
6.优选的，所述水冷屏为矩形体结构或者环形体结构，其中，
7.矩形体结构具体为：多个位面的中空壁体以单晶硅棒为中心环形阵列在单晶硅棒周围并以其中空段连通的方式连接在一起，所述中空壁体具有外壁体、内壁体、以及位于二者夹层位置的中空段，环形阵列连接后整体的外壁体为水冷屏外壁体，整体的内壁体为冷屏内壁体，连通的中空段为中空腔室；
8.环形体结构具体为：所述水冷屏外壁体与水冷屏内壁体均为一个环形，所述中空腔室为位于水冷屏外壁体与水冷屏内壁体之间的环形间隙，所述水冷屏内壁体将单晶硅棒包围。
9.优选的，所述水冷屏外壁体从上至下依次分为外壁体上段、外壁体中段、外壁体下
段，所述外壁体上段为竖直段，所述外壁体中段为第一斜段，所述外壁体下段为过渡段，所述第一斜段到单晶硅棒的距离沿单晶硅棒向上的轴向方向递增，所述外壁体上段的上端与水冷屏内壁体的上端相连，外壁体下段的下端与水冷屏内壁体的下端相连，其中任一个壁体段的厚度均大于水冷屏内壁体的厚度。
10.优选的，所述水冷屏内壁体从上至下依次分为内壁体上段、内壁体下段，所述内壁体上段为第二斜段，所述内壁体下段为竖直段，所述第二斜段到单晶硅棒的距离沿单晶硅棒向上的轴向方向递增，所述内壁体上段的上端与外壁体上段的上端相连，所述内壁体下段的下端与外壁体下段的下端相连。
11.优选的，所述外壁体上段、外壁体中段、外壁体下段的厚度相等。
12.优选的，所述水冷屏外壁体的厚度为水冷屏内壁体的厚度的1.2～2倍。
13.优选的，所述水冷屏内壁体的厚度为5mm，所述水冷屏外壁体的对应厚度为6～10mm。
14.优选的，所述水冷屏外壁体外围设有将其包裹的保温毡。
15.优选的，所述水冷屏外壁体表面采用抛光处理或非抛光处理。
16.一种低功率单晶炉，包括炉体，所述炉体内的中下位置处设有坩埚，坩埚侧面设有加热器，所述坩埚上设有前述的水冷屏，所述水冷屏沿单晶硅棒轴向设置。
17.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
18.通过设置在水冷屏两侧不同厚度的结构，靠近单晶硅棒的一侧为水冷屏内壁，远离单晶硅棒的一侧为水冷屏外壁，将水冷屏外壁的厚度设置为比水冷屏内壁的厚度大，当单晶硅棒产生结晶潜热时，水冷屏内壁的厚度较小，紧邻单晶硅棒吸收主要热量，而水冷屏外壁的厚度较大，远离单晶硅棒，由于距离和厚度不会吸收额外的热量，利用冷水屏内外壁厚度的差异实现水冷屏有差别吸收热量，保证远离结晶面一侧的壁体不吸收带走非必要的热量，以避免加热器为了补偿水冷屏远离结晶一侧的带走的非必要吸收的热量而消耗的功率，节约能量。
附图说明
19.此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。
20.图1为本实用新型第一实施例的一种水冷屏结构示意图；
21.图2为本实用新型第二实施例的一种低功率单晶炉结构示意图；
22.图中：1-水冷屏外壁体，2-水冷屏内壁体，3-保温毡，4-加热器，5-单晶硅棒，6-坩埚，11-外壁体上段，12-外壁体中段，13-外壁体下段，21-内壁体上段，22-内壁体下段。
具体实施方式
23.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分施例，而不是全部的实施例。
24.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖向”、“纵向”、“侧向”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系
为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
25.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“开有”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
26.以下对本公开实施例中提及的部分词语进行说明。
27.需要理解的是，直拉单晶炉热系统由加热器、保温系统、支持机构、托杆、托碗等组成。加热器是热系统的主体，用高纯石墨制成，保温系统用石墨制成，也有碳素纤维、碳毡、高纯石英钼片和高纯石墨中几种材料混合组成。
28.直拉法生产硅单晶的工艺在单晶炉中完成，单晶炉内设置坩埚和支撑坩埚的埚帮，简要过程是先将多晶硅原料装入炉内的坩埚中，将炉体密闭后通入保护气，通过埚帮外侧的加热器将多晶硅原料加热形成熔体后，将籽晶插入熔体依次经过引晶、放肩、转肩、等径和收尾等工序，完成拉晶过程，得到单晶硅棒，最后关闭加热器停炉。由于拉晶过程处在高温状态，在该石英坩埚及加热器的外围，设置有保温组件，以减少热量损失。通常将包括该保温组件及其内侧的各部件，统称为热场。热场部件如加热器、埚帮、托杆、保温筒、热屏等，一般为等静压石墨制成，而同时为了避免高温对设备的损坏和降低拉晶功耗，一般使用石墨纤维制成的保温毡将石墨保温筒包裹，用来隔绝热量。
29.实施例1
30.为了解决原水冷屏壁体因各处厚度相同致使其无差别吸收热量，造成水冷屏外壁体吸收额外热量需要加热器补偿该热量引起的功率浪费的问题，现提出一种水冷屏，所述水冷屏位于单晶炉内部，所述水冷屏具有中空腔室，所述中空腔室用于流过冷却物质，所述水冷屏应用于真空环境下将待生长的单晶硅棒5 降温，所述水冷屏靠近单晶硅棒5一侧为水冷屏内壁体2，远离单晶硅棒5一侧为水冷屏外壁体1，所述水冷屏外壁体1与水冷屏内壁体2之间的间隙为所述中空腔室，所述水冷屏外壁体1的厚度大于水冷屏内壁体2的厚度。
31.需要理解的是，通过设置水冷屏的内外壁厚度不同，可选择的吸收热量，利用靠近单晶硅棒5的水冷屏内壁1吸收消耗影响拉晶平衡的结晶潜热，远离单晶硅棒5的水冷屏外壁2加厚，使得其不带走多余的热量，以避免加热器为了补偿该部分热量的耗能。
32.具体的，所述水冷屏为矩形体结构或者环形体结构，其中，
33.矩形体结构具体为：多个位面的中空壁体以单晶硅棒5为中心环形阵列在单晶硅棒5周围并以其中空段连通的方式连接在一起，所述中空壁体具有外壁体、内壁体、以及位于二者夹层位置的中空段，环形阵列连接后整体的外壁体为水冷屏外壁体1，整体的内壁体为冷屏内壁体2，连通的中空段为中空腔室；
34.环形体结构具体为：所述水冷屏外壁体1与水冷屏内壁体2均为一个环形，所述中空腔室为位于水冷屏外壁体1与水冷屏内壁体2之间的环形间隙，所述水冷屏内壁体2将单晶硅棒5包围。
35.具体的，所述水冷屏外壁体1从上至下依次分为外壁体上段11、外壁体中段12、外
壁体下段13，所述外壁体上段11为竖直段，所述外壁体中段12为第一斜段，所述外壁体下段13为过渡段，所述第一斜段到单晶硅棒5的距离沿单晶硅棒5向上的轴向方向递增，所述外壁体上段11的上端与水冷屏内壁体2的上端相连，外壁体下段13的下端与水冷屏内壁体2的下端相连，其中任一个壁体段的厚度均大于水冷屏内壁体2的厚度。
36.具体的，所述水冷屏内壁体2从上至下依次分为内壁体上段21、内壁体下段22，所述内壁体上段21为第二斜段，所述内壁体下段22为竖直段，所述第二斜段到单晶硅棒5的距离沿单晶硅棒5向上的轴向方向递增，所述内壁体上段21的上端与外壁体上段11的上端相连，所述内壁体下段22的下端与外壁体下段13的下端相连。
37.具体的，所述外壁体上段11、外壁体中段12、外壁体下段13的厚度相等。
38.具体的，所述水冷屏外壁体1的厚度为水冷屏内壁体2的厚度的1.2～2倍。
39.具体的，所述水冷屏内壁体2的厚度为5mm，所述水冷屏外壁体1的对应厚度为6～10mm。
40.具体的，所述水冷屏外壁体1外围设有将其包裹的保温毡3。
41.具体的，所述水冷屏外壁体1表面采用抛光处理或非抛光处理。
42.如图1所示，在一种具体的实施例中，水冷屏整体为两壁间具有中空的间隙的环形体结构，中空的间隙为中空腔室，中空腔室中放置有冷却水，水冷屏两壁均有一定厚度，即为壁体而非壁面，其中靠近单晶硅棒5的一侧称为水冷屏内壁体1，水冷屏内壁体1沿自上而下可细分为内壁体上段21和内壁体下段22，其中内壁体上段21为第二斜段，第二斜段上点到单晶硅棒5的距离沿着单晶硅棒5向上的轴向方向递增，实际上呈现一种“向上开口”的形状，内壁体下段 22为竖直段，水冷屏内壁体1的厚度为5mm。
43.而远离单晶硅棒5的一侧称为水冷屏外壁体2，水冷屏外壁体2的厚度为 6mm，通常情况下，本实用新型的水冷屏外壁体2为水冷屏内壁体1的1.2～2 倍即可，在水冷屏内壁体1的厚度为5mm的情况下，水冷屏外壁体2的厚度可以是6mm～10mm，其中，水冷屏外壁体2又具体分为三部分，分别外壁体上段 11，外壁体上段11为竖直段，外壁体中段12，外壁体中段12为第一斜段，第一斜段上点到单晶硅棒5的距离沿着单晶硅棒5向上的轴向方向递增，实际上也呈现一种“向上开口”的形状，外壁体下段13，外壁体下段13为过渡段，这三段的厚度相同，均为6mm。其中内壁体上段21的上端与外壁体上段11的上端连接，内壁体下段22的下端与外壁体下段13的下端连接。
44.当单晶硅棒5向上拉伸生长时，单晶硅棒5在多晶硅材料熔体表面产生结晶潜热，该结晶潜热向四周辐射，由紧邻单晶硅棒5的水冷屏内壁1吸收大部分，利用水冷屏的中空腔室中不间断流动的冷却水将该热量带走。而远离单晶硅棒5的水冷屏外壁2由于距离较远、厚度较大，不会吸收单晶硅热场内更多的热量，保证加热器在无需额外消耗功率的情况下令单晶硅棒5的生长所需温度的平衡状态，此时在单晶炉内的单晶硅棒5仍可稳定生长。
45.实施例2
46.一种低功率单晶炉，包括炉体，所述炉体内的中下位置处设有坩埚6，坩埚侧面设有加热器，所述坩埚6上设有前述的水冷屏，所述水冷屏沿单晶硅棒5 轴向设置。
47.如图2所示，在一种具体的实施例中，单晶炉设置有封闭的炉体，在炉内的中下位置处设有坩埚6，坩埚6的外侧设有加热器，在坩埚6的上方是生长出的单晶硅棒5，紧贴单晶硅棒5设有前述的水冷屏，水冷屏紧邻单晶硅棒5的一侧为水冷屏内壁1，远离单晶硅棒5的
一侧为水冷屏外壁2，水冷屏外壁2设有保温毡3，保温毡3将水冷屏外壁2包裹住。
48.将多晶硅材料放置在坩埚6内，利用加热器将坩埚6内的多晶硅材料加热成熔体状态，单晶硅棒5从坩埚6内向上生长出，单晶硅棒5生产过程中产生的结晶潜热通过热传导的方式传到单晶硅棒5，一部分返回结晶表面，单晶硅棒 5上的结晶潜热是通过热辐射的方式将其传给水冷屏内壁1，再通过水冷屏内壁 1将该部分热量吸收。
49.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。