多晶铸锭冷却装置及方法
技术领域
本发明涉及太阳能光伏领域，特别涉及一种多晶铸锭冷却装置。本发明还涉及一种应用上述多晶铸锭冷却装置的多晶铸锭冷却方法。
背景技术
多晶铸锭炉冷却装置是指晶体定向生长中用以冷却降温提供温度梯度的装置。
在多晶铸锭中，通过控制一定的温度梯度来控制晶体的生长，温度梯度的实现主要依靠隔热笼的升降或底部DS台的传热，但是这种散热方式往往不够精确，冷却速度较慢，提供晶体生长的动力不足，长晶时间过长。
因此，如何解决硅料的散热问题，精确控制合适的温度梯度，为晶体生长提供足够的驱动力成为本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多晶铸锭冷却装置，上述多晶铸锭冷却装置改善了硅料的散热，便于精确控制合适的温度梯度，为晶体生长提供足够的驱动力，提高了硅锭长晶成型效率。本发明的另一目的是提供一种包括上述多晶铸锭冷却装置的多晶铸锭冷却方法。
为实现上述目的，本发明提供一种多晶铸锭冷却装置，包括冷却装置本体和用以驱动所述冷却装置本体沿竖直方向上下运动的驱动机构；
所述冷却装置本体的第一面设有用以反射来自加热器的热辐射的反射涂层，所述冷却装置本体的第二面设有用以供冷却风流经的冷却气道。
可选地，所述冷却气道包括多条相互平行且水平设置水平管道，还包括：设于所述水平管道的进口端、与多条所述水平管道垂直连通的进口总管，设于所述水平管道的出口端、与多条所述水平管道垂直连通的出口总管。
可选地，所述冷却气道为蛇形弯管，所述蛇形弯管的主体水平设置且所述蛇形弯管的进口端设于所述冷却装置本体底部的一侧，所述蛇形弯管的出口端设于所述冷却装置本体顶部的一侧。
可选地，还包括设于所述冷却气道的进口、用以检测冷却风流量的流量检测装置。
可选地，还包括与所述流量检测装置串接、用以调整所述冷却气道的进口开度的进口控制阀。
可选地，所述进口控制阀为电动阀，还包括连接所述流量检测装置和所述进口控制阀、用以当所述流量检测装置检测到进气流量偏离预设值时，调整所述进口控制阀开度以控制进气流量至预设值的控制装置。
本发明还提供一种多晶铸锭冷却方法，包括：
S1：将装满硅料的坩埚置于DS台，将上述任一项所述的多晶铸锭冷却装置设于所述DS台的底部；
S2：启动加热器熔化所述硅料；
S3：检测所述硅料的固液界面，当籽晶剩余至预设高度时，通过所述驱动机构提升所述冷却装置本体；
S4：调整所述冷却装置本体的上升速度、所述冷却气道的进气流量和所述DS台的热门开度以控制所述硅料的固液界面稳定；
S5：长晶结束后，进行退火冷却，出炉硅锭晶体。
可选地，所述S1具体为将所述冷却装置本体的第一面朝向加热器设置，将所述冷却装置本体的第二面朝向坩埚设置，将所述驱动机构固定至炉顶。
可选地，所述S4和所述S5之间还包括：待硅锭中心长晶结束后，提高所述冷却气道的进气流量以加快顶部边角的长晶速度。
可选地，所述S5之后还包括：拆除中保温筒，对多晶铸锭炉进行清理。
相对于上述背景技术，本发明所提供的多晶铸锭冷却装置包括冷却装置本体和驱动冷却装置本体作竖直方向上运动的驱动机构，可将该多晶铸锭冷却装置设置在DS台的底部；DS台是设置在多晶铸锭炉底部用来支撑坩埚并进行热交换的石墨台。冷却装置本体包括设置在第一面的反射涂层和设置在第二面的冷却气道。在多晶铸锭过程中，首先将盛满硅料的坩埚置于多晶铸锭炉内的石墨台进行加热熔化，在长晶过程中，需要控制一定的温度梯度来控制长晶的过程，单独依靠DS台或DS台配合笨重的隔热笼散热无法满足需求。
本发明通过增设多晶铸锭冷却装置，硅料熔化时，冷却装置本体位于DS台的底部，不影响DS台上方的硅料的熔化，长晶时，通过驱动机构驱动冷却装置本体逐步向上运动，逐步对硅料进行冷却，推动硅料长晶，并随着长晶的高度及固液界面控制冷却装置本体上升，以便于精确的控制控制硅料的散热和温度梯度。提升了硅料冷却速度，为晶体生长提供充足的动力。通过反射涂层反射来自加热器的热辐射，并通过控制冷却气道的冷却风的流量和流速实现对温度梯度的精确控制，提高长晶效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的多晶铸锭冷却装置的示意图；
图2为图1中一种冷却装置本体的结构图；
图3为图1中另一种冷却装置本体的结构图；
图4为本发明实施例所提供的多晶铸锭冷却方法的流程图。
其中：
1-冷却装置本体、11-反射涂层、12-冷却气道、2-驱动机构、21-丝杠。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
多晶铸锭冷却装置是指在晶体生长中用以冷却降温提供合适温度梯度的装置；DS台是指设置在多晶铸锭炉底部用来支撑盛放硅料的坩埚的石墨台，DS台同时还起到对坩埚及硅料进行散热的作用以加快冷却长晶速度。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图4，图1为本发明实施例所提供的多晶铸锭冷却装置的示意图，图2为图1中一种冷却装置本体的结构图，图3为图1中另一种冷却装置本体的结构图，图4为本发明实施例所提供的多晶铸锭冷却方法的流程图。
本发明所提供的多晶铸锭冷却装置包括冷却装置本体1和驱动机构2，冷却装置本体1的第一面设有反射来自加热器热辐射的反射涂层11，通过反射热辐射降低坩埚及硅料的温度，便于提供合适的温度梯度，为长晶提供充足的动力；此外冷却装置本体1的第一面则设有供冷却风流经的冷却气道12，通过控制冷却气道12内冷却风的流量流速便于精确控制对坩埚及硅料的冷却效果；驱动机构2则用于长晶至一定高度时，驱动冷却装置本体1运动至固液界面进行冷却，提高长晶效率。
下面结合具体实施例对本发明所提供的多晶铸锭冷却装置进行更加详细的介绍。
多晶铸锭冷却装置包括以下两部分：冷却装置本体1和驱动冷却装置本体1上下运动的驱动机构2。冷却装置本体1呈现板状，板状的冷却装置本体1用来设置在DS台的底部，冷却装置本体1的第一面设有反射涂层11，反射涂层11用来反射来自加热器的热辐射，热辐射实际上是一定波长的电磁波，反射涂层11的材料的选择可参考加热器在对应温度下散发热辐射的波长进行设置，也可以参考现有技术中的反射涂层11进行设置；冷却装置本体1的第二面设有冷却气道12，冷却气道12供冷却风流过，对熔融状态的硅料进行冷却，以便于形成固液界面向上微凸的微凸界面，提高长晶速度。
冷却装置本体1在安装时，第一面也即反射涂层11朝向加热器设置，第二面也即冷却气道12所在的一面朝向DS台中央或者DS台上的坩埚设置。在硅料熔化过程中，冷却装置本体1设置在DS台的底端，反射涂层11未对坩埚形成遮挡，也不影响硅料的熔化，冷却气道12也为通入冷却风。在硅料长晶过程中，熔融的硅料首先通过底部的DS台冷却散热逐步向上长晶，随着固液界面的上移，DS台的冷却效果逐渐无法满足冷却要求，此时可通过驱动机构2驱动冷却装置本体1对着固液界面的上升而上升，对硅料进行冷却。驱动机构2可采用驱动电机配合丝杠21对冷却装置本体1进行提升或者下放。
冷却装置本体1对硅料的冷却主要体现在两方面：一是反射涂层11反射来自加热器的热辐射，在加热器功率不便的前提下通过反射涂层11减少到达坩埚的热量；二是通过向冷却气道12通入冷却风对坩埚及硅料进行冷却。
在本发明所提供的一种具体实施例中，冷却气道12包括设置在冷却装置本体1的第二面水平设置的水平管道，多条水平管道之间相互平行，还包括分别设在在多条水平管道的进口端和出口端的进口总管和出口总管；进口总管竖直设置同时连通多条水平管道的进口端，出口总管竖直设置同时连接多条水平管道的出口端。通过风机和连接管道连接进口总管即可完成对冷却气道12的供气，出口总管通过一定的连接管道将冷却气态排出炉膛，风机和连接管道的设置可以根据冷却装置本体1的安装位置进行灵活调整，风机的设置可参考现有技术。
此外，本发明所提供的另一种具体实施例中，冷却气道12为蛇形弯曲的蛇形弯管，蛇形弯管的主体大体上呈水平方向设置；其中，冷却气道12的进口端设置在冷却装置本体1底部的一侧，冷却气道12的出口端设置在冷却装置本体1顶部的一侧，通过底部进气和顶部排气的方式使得温度最低的冷却气体首先对固液界面进行冷却，加快结晶。进口端和出口端可以设置在冷却装置本体1的同侧，也可以设置在冷却装置本体1的异侧，通过风机及连接管道向冷却气道12提供冷却气体。风机及连接管道的设置可以参考上述实施例或冷却装置本体1的安装位置进行灵活设置。
为优化上述实施例，本发明所提供多晶铸锭冷却装置还包括设置在冷却气道12的进口处、用来检测冷却风流量的流量检测装置，通过流量检测装置检测冷却风的流量，便于精确控制对硅料的冷却，形成最有利于硅料长晶的温度梯度。用来检测冷却风量的流量检测装置作为现有技术，此处不再对流量检测装置的机构和工作原理进行说明。
此外，冷却气道12的进口处还设有进口控制阀，进口控制阀与上述流量检测装置串接，通过调整进口控制阀的闭合度调整进气管道进口端的开度，实现对冷却风流量的调整。
为优化上述实施例，多晶铸锭冷却装置还包括连接流量检测装置和进口控制阀的控制装置，进口控制阀选用电动阀，以便于控制装置根据流量检测装置检测到的冷却风流量是否偏离预设流量对进口控制阀进行调整，从而保证冷却气道12的冷却风流量始终位于预设值附近。举例来说，当流量检测装置检测到冷却风的流量大于预设值时，控制装置向进口控制阀发送调小开度的指令控制进口控制阀动作，从而控制形成最有利于硅料长晶的温度梯度和维持微凸的固液界面。控制装置可采用PLC或单片机或者参考现有技术进行设置。冷却风流量的预设值的设定与长晶速度和成晶质量相关，可通过对长晶速度和成晶质量的把控的到冷却风流量的最佳预设值。
本发明还提供一种包括上述多晶铸锭冷却装置的多晶铸锭冷却方法，主要包括以下五个步骤：
S1：将装满硅料的坩埚置于DS台，将上述多晶铸锭冷却装置设于所述DS台的底部；
S2：启动加热器熔化所述硅料；
S3：检测所述硅料的固液界面，当籽晶剩余至预设高度时，通过所述驱动机构2提升所述冷却装置本体1；
S4：调整所述冷却装置本体1的上升速度、所述冷却气道12的进气流量和所述DS台的热门开度以控制所述硅料的固液界面稳定；
S5：长晶结束后，进行退火冷却，出炉硅锭晶体。
其中步骤S1包括，将上述多晶铸锭冷却装置设置在DS台的底部，同时将装满硅料的坩埚防止在DS台上；具体来说，将多晶铸锭冷却装置的驱动机构2悬挂固定在炉顶，将冷却装置本体1的第一面也即反射涂层11冷却装置本体1的第二面也即冷却气道12的一面朝向DS台的中央或者坩埚设置。通过将冷却装置本体1设置在DS台的底部，使得在硅料熔化过程中冷却装置本体1不影响硅料的加热及熔化。
步骤S2指启动加热器对硅料进行加热，使硅料受热熔化，逐步成为熔融状态。
步骤S3具体为通过炉顶测试口检测固液界面位置，当籽晶剩余至预设高度的时候开始对硅料(熔融)进行冷却长晶，此时DS台底部的热门也配合打开，通过驱动机构2驱动冷却装置本体1随着固液界面的上升而上升。冷却装置本体1提升过程中，第二面将逐步覆盖加热器并降低被覆盖部分热辐射对硅料的影响。此时加热器功率保持不变，硅料仅在被冷却装置本体1覆盖的区域流失热量并开始长晶，通过底部散热和冷却装置本体1散热的配合来保持固液界面平稳。
步骤S4具体为在长晶过程中，可通过调节进气流量，冷却装置本体1的提升速度和DS台底部热门的开度来调节炉膛内的热场，使硅料处于最有利的长晶的温度梯度以便于位置固液界面的稳定，提高成晶质量。举例来说，当硅料长晶过快时，适当降低冷缺风的进气流量，同时放慢冷却装置本体1的提升速度，控制成晶的稳定性。
步骤S5为长晶结束后，关掉加热器，使晶体进行冷却，带晶体冷却至一定温度时，将规定晶体出炉即可，在步骤S5之后还包括将多晶铸锭炉的中保温筒拆除，对多晶铸锭管路进行清理，包括对DS台上方的废渣及加热器表面进行清理，以便于提升长晶效率。
在步骤S4和S5之间还可以包括，在硅锭的中心长晶结束后，可以通过提高冷却气道12的进气流量、增大DS台底部热门的开度以及加大冷却装置本体1的提升速度来控制规定顶部边角的长晶速度。由于硅锭中心长晶已经结束，晶体已经定型。此时通过提高对硅料的冷却在保证成晶质量的同时提高了长晶效率。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的多晶铸锭冷却装置及冷却方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
