本发明实施例涉及太阳能单晶制备技术领域，特别涉及一种导流装置、单晶炉及导流控制方法。
背景技术：
当前能源需求巨大，传统能源由于储量有限、不利于环保等问题，需求逐步下降，而清洁低成本能源的需求与日俱增，在清洁能源中，太阳能光伏具有高效低成本优势，较其他风能、潮汐能等拥有更大的发展前景。
在太阳能光伏领域中，主要使用到单晶硅等材料来制作太阳能电池，单晶硅作为一种性能优异的半导体材料，被广泛地应用在太阳能光伏电池板中，其能够达到较高的能量转换效率。单晶硅在生产过程中，通常采用单晶拉制方法，单晶拉制是在将多晶体硅料加热熔化后，将籽晶浸入熔化后的多晶体硅料中慢慢移动，使籽晶与熔化后的多晶体硅料熔接。由于多晶体硅料容易发生氧化产生挥发物，挥发物凝结后会影响单晶拉制的效果，因此，在此过程中需要进行低氧环境的控制。
然而，发明人发现：在现有的进行单晶拉制的过程中，控制低氧环境的方式主要有低氧加热器、低氧保温系统等，低氧加速器通过降低加热器高度达到降氧效果，低氧保温系统通过将单晶炉底部保温毡厚度减薄达到降氧效果，由于目前使用的坩埚均为高度在600毫米以上的坩埚，在使用上述方式进行低氧控制时，单晶炉底部温度相对较低，挥发物容易发生凝结，在控制过程中存在翻料现象和掉落挥发物的风险，这样会导致拉制后的单晶体断棱率高，无法确保单晶体的拉制效果。
技术实现要素：
本发明实施方式的目的在于提供一种导流装置、单晶炉及导流控制方法，能够加快介于待拉制晶体溶液与导流筒下沿之间的挥发物流速，从而降低挥发物进入待拉制晶体溶液的几率，确保单晶体的拉制效果。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于单晶炉腔室内的导流装置，包括：
输送管道，用于向单晶炉腔室内输送保护气体；
导流筒，用于设置在单晶炉腔室内的坩埚上方、以引导保护气体流动，所述导流筒具有第一端面和第二端面，以及自所述第一端面延伸至所述第二端面的容置通道；
所述输送管道经由所述容置通道穿过并延伸至所述导流筒的下沿，所述输送管道包括至少一个出口，所述输送管道的至少一个所述出口设置在所述导流筒的下沿。
本发明实施例还提供了一种单晶炉，包括上述的导流装置、坩埚、进气管道和第二控制阀，所述导流筒的下沿与所述坩埚内的待拉制晶体溶液具有间隔，所述进气管道与所述输送管道连通，所述第二控制阀设置在所述进气管道上、用于控制保护气体在所述输送通道内的流量。
本发明实施例还提供了一种导流控制方法，用于在上述单晶炉内制备太阳能单晶棒，包括：
根据不同的单晶拉制阶段，控制所述第二控制阀的开度；其中，
在化料阶段，通过所述第二控制阀将保护气体在所述输送管道内的流量控制为50~200l/min；
在拉晶阶段，通过所述第二控制阀将保护气体在所述输送管道内的流量控制为1~20l/min。
本发明实施例相对于现有技术而言，提供了一种导流装置、单晶炉以及导流控制方法，其设置的输送管道包括设置在导流筒的下沿的至少一个出口，只需控制保护气体在输送管道内的流量，即可使保护气体经由输送管道，从输送管道位于导流筒的下沿的出口流出，其中导流筒的底部邻近坩埚内的待拉制晶体溶液液面，从而可以加快介于待拉制晶体溶液与导流筒的下沿之间的挥发物流速，以降低挥发物进入待拉制晶体溶液的几率，确保单晶体的拉制效果。
另外，所述输送管道的至少一个所述出口的中心轴线朝向所述导流筒的下沿平面，且所述输送管道的至少一个所述出口的中心轴线向所述导流筒的下沿平面方向偏离的角度小于5度。这样，输送管道的出口的气流平行于坩埚内的待拉制晶体溶液的液面，从而能够阻止位于待拉制晶体溶液与导流筒的下沿之间的挥发物向导流筒上方移动，避免挥发物移动至上方低温区域从而凝结。
另外，所述输送管道的至少一个所述出口的中心轴线朝向所述导流筒的中心轴线设置，且所述输送管道的至少一个所述出口的中心轴线向垂直于所述导流筒的中心轴线方向偏离的角度小于5度。这样，保护气体自输送管道的出口流出的方向基本平行于坩埚内的待拉制晶体溶液的液面，从而能够将位于待拉制晶体溶液与导流筒的下沿之间的挥发物向边缘方向吹动，以使挥发物能够在保护气体的带动下从坩埚边缘移动，最终在保护气体的带动下向坩埚外排出。而当输送管道上的出口有多个时，通过多个出口形成的对冲，可以在导流筒的下沿形成一个横向流体场，能够隔绝挥发物向坩埚上方流动，从而抑制挥发物在低温区域凝结。
另外，所述输送管道包括进气管和与所述进气管连通的分流管，所述进气管包括设置在所述第一端面上的进气口，所述进气管经由所述容置通道穿过并延伸至所述导流筒的下沿，所述分流管呈环形并设置在所述导流筒的下沿，所述输送管道的至少一个所述出口设置在位于所述导流筒下沿的所述分流管上。
另外，所述输送管道上的所述出口的数量为3至6个，且多个所述出口等距设置在所述分流管上。这样，从各个出口流出的保护气体的流量大致处于一致，从而能够避免从多个出口流出的保护气体出现紊流。
另外，每个所述出口的边缘设置有倒角，所述倒角的角度小于45度。这样，可以在导流筒的下沿同时实现保护气体的直对冲和斜对冲。
另外，所述导流装置还包括储存器和第一控制阀；
所述储存器设置在所述输送管道上，所述储存器内设置有储存区，所述储存区用于储存添加剂；
所述第一控制阀设置在所述储存器内、用于控制所述储存区与所述输送管道的连通和隔离；
所述第一控制阀关闭时，所述储存区与所述输送管道隔离；
所述第一控制阀开启时，所述储存区与所述输送管道连通，所述储存区内的所述添加剂在保护气体的带动下沿所述输送管道输送至所述导流筒的下沿。这样，在单晶拉制阶段结束后，可以开启第一控制阀，从而向单晶炉腔室内添加添加剂，添加剂可以是用于增加单晶炉内坩埚的强度的钡粉，或者做其他用途的添加剂。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例一所提供的导流装置的结构示意图；
图2是图1中a处的放大结构示意图；
图3是图1所示导流装置中导流筒的结构示意图；
图4是图1所示导流装置中输送管道的各个出口的布置结构示意图；
图5是图1所示导流装置中输送管道的出口结构示意图；
图6是图1所示导流装置中储存器的结构示意图；
图7是本发明实施例二所提供的单晶炉的保护气体控制系统结构示意图；
图8是现有技术中单晶炉的保护气体控制系统结构示意图；
图9是本发明实施例二所提供的单晶炉与常规单晶炉的氩气吹动路线对比图；
图10是本发明实施例二所提供的单晶炉与常规单晶炉的挥发物吹动路线对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
本发明实施例一提供了一种用于单晶炉腔室内的导流装置，如图1至图3所示，该导流装置包括输送管道10和导流筒20，其中，输送管道10用于向单晶炉腔室内输送保护气体，导流筒20设置在单晶炉腔室内的坩埚50（图9所示）上方、以引导保护气体流动，而输送管道10设置在导流筒20上，导流筒20具有第一端面21和第二端面22，以及自第一端面21延伸至第二端面22的容置通道23，输送管道10经由导流筒20的容置通道23穿过并延伸至导流筒20的下沿24，同时输送管道10包括至少一个出口11，输送管道10上的至少一个出口11设置在导流筒20的下沿24。此处的导流筒20设置在单晶炉内的坩埚50上方，在向单晶炉内通入保护气体时，保护气体会沿着导流筒20流动，到达坩埚50内的待拉制晶体溶液120（图9所示）液面，从而控制单晶炉内的低氧环境。其中，保护气体可以是氩气等惰性气体，或者较为稳定的氮气。
与现有技术相比，本发明实施例提供了一种导流装置，在单晶炉进行单晶拉制的过程中，除了可以通过导流筒20引导氩气等保护气体在单晶炉内流动，还可以通过输送管道10控制保护气体沿着输送管道10流动，并经由输送管道10位于导流筒20的下沿24的多个出口11流出，由于导流筒20的下沿24靠近坩埚50内的待拉制晶体溶液120液面，从而可以加快介于待拉制晶体溶液120与导流筒20的下沿24之间的挥发物流动流速，从而降低挥发物进入待拉制晶体溶液120内的几率，确保单晶体的拉制效果。
需要说明的是，此处将输送管道10经由导流筒20的容置通道23穿过，方便将输送管道10设置在导流筒20上，而输送管道10也可以通过其他的方式固定在导流筒20上，例如将输送管道10固定在导流筒20的外壁面上或者内壁面上，同样能够达到将保护气体输送到导流筒20底部的目的，而作为一种优选的实施方式，可以利用导流筒20内的夹层来布置输送管道10，即将输送管道10沿着导流筒20的夹层延伸至导流筒20的下沿24，这样，既节省了在导流筒20上布置输送管道10的空间，同时又能够将输送管道10置于密闭空间内，能够较少地受到周围环境的干扰。此处输送管道10同样具有一个进口14，输送管道10可以通过该进口14与单晶炉的进气孔连通，从而与单晶炉的保护气体控制系统进行连通，此处输送管道10的管径可以为2~10毫米。
其中，输送管道10的至少一个出口11的中心轴线y（图4所示）可以朝向导流筒20的下沿24所处的平面，且使输送管道10的至少一个出口11的中心轴线y向导流筒20的下沿24所处平面方向偏离的角度小于5度，其中，偏移的方向可以垂直导流筒20的下沿24平面，也可以是其他任意角度。这样，输送管道10在向单晶炉腔室内输送保护气体时，气流从出口11的流出方向平行于坩埚50内的待拉制晶体溶液120液面，而导流筒20底部接近坩埚50内的待拉制晶体溶液120液面，输送管道10的出口11的气流平行于坩埚50内的待拉制晶体溶液120的液面，从而能够阻止位于待拉制晶体溶液120与导流筒20的下沿24之间的挥发物向导流筒20上方移动，避免挥发物移动至上方低温区域从而凝结，达到降低挥发物进入待拉制晶体溶液120内的几率的目的。可以理解的是，此处的输送管道10的至少一个出口11的气流流出方向，可以沿导流筒20的下沿24平面吹向任意方向，例如可以朝向导流筒20的内侧流出，也可以朝向导流筒20的外侧流出，都可以阻止挥发物向导流筒20上方移动。
另外，如图4所示，输送管道10（图1所示）上的至少一个出口11的中心轴线y可以朝向导流筒20的中心轴线s设置，且使输送管道10上的至少一个出口11的中心轴线y向垂直于导流筒20的中心轴线s方向偏离的角度小于5度，这样，输送管道10在向单晶炉腔室内输送保护气体时，气流从出口11的流出方向垂直于导流筒20的中心轴线s，而导流筒20底部接近导流筒20下方的坩埚50内的待拉制晶体溶液120液面，从而能够将位于待拉制晶体溶液120与导流筒20的下沿24之间的挥发物向边缘方向吹动，以使挥发物能够在保护气体的带动下从坩埚50边缘移动，最终在保护气体的带动下向坩埚50外排出，达到降低挥发物进入待拉制晶体溶液120内的几率的目的。而当输送管道10上的出口11有多个时，通过多个出口11形成的对冲，可以在导流筒20的下沿24形成一个横向流体场，挥发物很难继续向待拉制晶体溶液120上方流动，从而抑制挥发物在低温区域凝结。在进行单晶硅的拉制时，此处的挥发物成分主要是氧化硅。需要说明的是，输送管道10上的至少一个出口11的中心轴线y也可以指向其他方向，例如可以沿导流筒20的中心轴线s方向指向导流筒20的顶部或者底部，也可以沿垂直于导流筒20的中心轴线s方向指向导流筒20的内侧或者外侧。
作为一种具体的实施方式，上述输送管道10可以包括进气管12和与进气管12连通的分流管13，进气管12包括设置在导流筒20的第一端面21上的进气口16，进气管12经由导流筒20的容置通道23穿过并延伸至导流筒20的下沿24，分流管13呈环形并设置在导流筒20的下沿24，同时在分流管13上设置有多个出口11。这样，单晶炉外部的保护气体便可从单晶炉的进气孔进入进气管12，再由进气管12到达分流管13，最后由分流管13上的各出口11流出。其中，进气管12可以通过进气口16与单晶炉的进气孔连通，以与单晶炉的保护气体控制系统进行连通。
此处需要说明的是，输送管道10也可以采用多根分列的管道，而在每个分列的管道上设置出口11，同样可以使保护气体在进入输送管道10后由多个出口11流出。
其中，当输送管道10上的出口11有多个时，为了使从多个出口11流出的保护气体的分布更加均匀，输送管道10上的多个出口11等距分布在分流管13上，这样，虽然从各个出口11流出的保护气体的流量会有一定程度上的差别，但是从各个出口11流出的保护气体的流量不会出现阶梯式的变化，每个出口11处流出的保护气体的流量大致处于一致，从而能够避免从多个出口11流出的保护气体出现紊流。而在一种具体的实施方式中，出口11的数量可以为4个，也可以为5个或者6个。
作为一种优选的实施方式，输送管道10上的出口11的边缘设置有倒角15（图5所示），倒角的角度小于45度，从而在导流筒20的下沿24同时实现保护气体的直对冲和斜对冲。
另外，单晶炉内的坩埚50在使用时间过长之后，坩埚50的强度会出现降低，而在一种具体的实施方式中，导流装置还可以用于向单晶炉内的坩埚50添加钡粉，以使钡粉与坩埚50反应，增强坩埚50的强度。其中，钡粉包括碳酸钡粉。具体地，导流装置还可以包括储存器30（图6所示）和第一控制阀40（图6所示），其中，储存器30设置在输送管道10上，储存器30内设置有储存区31（图6所示），储存器30内的储存区31用于储存钡粉等添加剂，第一控制阀40设置在储存器30内，用于控制储存区31与输送管道10的连通和隔离。
其中，在第一控制阀40关闭时，储存区31与输送管道10隔离；而在第一控制阀40开启时，储存区31与输送管道10连通，储存区31内的钡粉等添加剂会在保护气体的带动下沿输送管道10输送至导流筒20的下沿24，进而进入坩埚50内的待拉制晶体溶液120，从而与坩埚50发生反应，以增强坩埚50的强度。此处的钡粉可以在与坩埚50发生反应后，在坩埚50表面形成硅酸钡致密层，从而加强坩埚50的强度，提高坩埚50的使用寿命。
需要说明的是，此处的添加剂除了钡粉之外，还可以向坩埚50内加入其他类的添加剂。另外，加入钡粉是在晶体拉制完成以后，坩埚50内的待拉制晶体溶液120的液面处于低位，坩埚50内的待拉制晶体溶液120液面基本与坩埚50内壁的转角处齐平，或者高出10~50毫米，将钡粉加入坩埚50后，钡粉能够到达坩埚50内壁的转角处，从而提高坩埚50内部的转角（r角）处的强度，提高坩埚50的使用寿命。此处的第一控制阀40可以但不限于电磁阀或者气动阀。
本发明实施例二提供了一种单晶炉，包括导流装置、坩埚50、进气管道60（图7所示）和第二控制阀70（图7所示），其中的导流装置为上述实施例一中的导流装置，导流装置中的导流筒20的下沿24与坩埚50内的待拉制晶体溶液120具有间隔，进气管道60与导流装置中的输送管道10连通，第二控制阀70设置在进气管道60上、用于控制保护气体在输送管道10内的流量。其中，坩埚50通过轴130（图9所示）进行支撑，在坩埚50侧壁的外围布置有加热器110（图9所示）。
上述单晶炉在单晶拉制过程中，不仅可以通过单晶炉的炉盖部分向单晶炉腔室内输入氩气等保护气体，还可以从导流装置中的输送管道10向单晶炉腔室内输入保护气体，从单晶炉的炉盖处输入保护气体，虽然保护气体能够沿着导流装置的导流筒20向单晶炉腔室内流动，但是保护气体在流动至靠近坩埚50内的待拉制晶体溶液120液面处，无法进行流量的控制，从而也就无法控制挥发物在单晶炉腔室内的凝结，而从导流装置的输送管道10向单晶炉腔室内输入保护气体，保护气体从导流装置的导流筒20底部流出，而导流筒20底部邻近坩埚50内的待拉制晶体溶液120液面，通过控制保护气体在输送管道10内的流量，能够控制保护气体自导流装置的输送管道10的出口11流出的流量，从而加快介于待拉制晶体溶液120液面与导流筒20的下沿24之间的挥发物流速，抑制挥发物在单晶炉腔室内的凝结。
其中，上述单晶炉同样可以包括实施例一中具有储存器30和第一控制阀40的导流装置，第一控制阀40在单晶拉制阶段结束后开启，添加剂在保护气体的带动下经由输送管道10进入坩埚50，从而达到向单晶炉的坩埚50内添加添加剂的目的。
另外，可以将单晶炉的炉盖的开口位置设置在摄像头的对面，使炉盖进气孔与摄像头安装孔的夹角处于150~210度，这样，可以避免输送管道10挡住摄像头视野，确保在单晶拉制过程中摄像头的图像信息采集不出现异常情况。
相比于现有单晶炉的保护气体控制系统，本发明实施例二中的单晶炉使用的保护气体控制系统（图7所示），只需在现有的保护气体控制系统（图8所示）中添加进气管道60和第二控制阀70，即可控制保护气体在输送管道10内的流量，其中，现有单晶炉的保护气体控制系统中，包括气体罐80（图7所示）和流量计90（图7所示），气体罐80用于储存保护气体，流量计90则用于检测保护气体在管道内输送时的流量。另外，现有单晶炉的保护气体控制系统中，还包括其他方向上的气体管道和阀体，例如在图7和图8中所示的上控制阀150、副室直充阀160、主室直充阀170和下控制阀180，以及与分别设置有上述控制阀的气体管道，其中，上控制阀150和副室直充阀160均用于控制保护气体从单晶炉上面的副室进入，主室直充阀170和下控制阀180均用于控制保护气体从单晶炉下面的主室进入，并且上控制阀150和下控制阀180均与流量计90连接，可以精确控制保护气体在气体管道内的流量，同时，流量计90的量程也会限制上控制阀150和下控制阀180的控制流量范围，而副室直充阀160和主室直充阀170均没有与流量计90连接，副室直充阀160和主室直充阀170均能够以最大值控制保护气体在气体管道内的流量。
本发明实施例三提供了一种导流控制方法，用于在实施例二中的单晶炉内制备太阳能单晶棒100（图9所示），此处的单晶炉的导流装置具有储存器30和第一控制阀40。该导流控制方法具体为在单晶拉制阶段，关闭第一控制阀40，并根据太阳能单晶棒100不同的拉制阶段，控制第二控制阀70的开度。此处的第二控制阀70的开度根据太阳能单晶棒100不同的拉制阶段进行调整，由于太阳能单晶棒100在不同的拉制阶段中，坩埚50内的待拉制晶体溶液120所产生的挥发物的含量会有所不同，因此为了更好地控制保护气体在输送管道10的出口11处的流量，以适应坩埚50内所产生的挥发物的排出。
其中，在化料阶段，通过第二控制阀70将保护气体在输送管道10内的流量控制为50~200l/min（升每分钟）；在拉晶阶段，通过第二控制阀70将保护气体在输送管道10内的流量控制为1~20l/min。
需要说明的是，在单晶拉制的化料阶段，产生的挥发物含量较多，挥发物容易凝结在水冷屏（位于坩埚50的外围）、炉盖（位于坩埚50的上方）等温度相对较低的区域，附着的挥发物团簇后易掉入待拉制晶体溶液120，单晶拉制时挥发物掉落会产生放肩坏、断棱等异常现象，此时可以通过第二控制阀70将保护气体在输送管道10内的流量控制在一个较高的水平，这样，有利于降低挥发物从导流筒20到达单晶炉内的水冷屏、炉盖处的几率。而在单晶拉制的拉晶阶段，产生的挥发物含量会下降，这时导流筒20在单晶炉腔室内处于低位，导流筒20的下沿24与坩埚50内的待拉制晶体溶液120的间距在15~40毫米之间，此时可以通过第二控制阀70将保护气体在输送管道10内的流量控制在一个较低的水平，主要起到加快待拉制晶体溶液120与导流筒20的下沿24之间挥发物的流速的作用，以加快挥发物的排出速率，降低挥发物进入待拉制晶体溶液120而在待拉制晶体溶液120中的溶解几率，进而降低单晶炉腔室内的氧含量。
另外，本发明实施例三中的导流控制方法还可以包括：在单晶制备阶段结束后的冷却阶段，开启第一控制阀40，通过第二控制阀70将保护气体在输送管道10内的流量控制为10~50l/min，使添加剂在保护气体的带动下经由输送管道10进入坩埚50。
此处，可以通过开启第一控制阀40，使储存器30的储存区31与输送管道10连通，这样，储存区31内储存的添加剂就可以在保护气体的带动下，经由输送管道10，从输送管道10的出口11进入坩埚50，从而达到向坩埚50内添加添加剂的目的，此处的添加剂可以是钡粉或者其他类型的添加剂。
图9给出了本发明实施例二所提供的单晶炉与常规单晶炉的氩气吹动路线对比图，其中，实线箭头表示的是现有常规单晶炉内的保护气体的吹动路线，而虚线箭头表示的是本实施例中的单晶炉内的保护气体的吹动路线。可以看出的是，本实施例中的单晶炉相比于现有常规的单晶炉，在导流筒20的底部有对冲的保护气体，从导流筒20底部流出的保护气体与待拉制晶体溶液120液面基本平行，有利于加快介于待拉制晶体溶液120与导流筒20的下沿24之间的挥发物的流速。
图10则给出了本发明实施例二所提供的单晶炉与常规单晶炉的挥发物吹动路线对比图，其中，实线箭头表示的是现有常规单晶炉内的挥发物的吹动路线，而虚线箭头表示的是本实施例中的单晶炉内的保护气体的吹动路线。可以看出的是，现有常规的单晶炉中，挥发物会向坩埚50上方流动，这样，容易在水冷屏、炉盖等温度相对较低的区域发生凝结现象，而本实施例中的单晶炉，在导流筒20底部对冲的保护气体会形成横向流体场，从而抑制挥发物向坩埚50上方流动，而挥发物会在保护气体的带动下向坩埚50边缘流动，最终随着保护气体从单晶炉的排气管140排出单晶炉。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
