CN102809270B - 一种防金属离子污染的硅片烘干炉及硅片烘干方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防金属离子污染的硅片烘干炉及硅片烘干方法，烘干炉包括炉体、设在炉体内的加热装置、硅片传送装置和控制单元，炉体内壁为石英板，加热装置包括石英管远红外加热灯，硅片传送装置包括多条硅片平置轨道和相应传送机构，传送机构为往复式步进机构，炉膛内还充满保护气体，本发明的烘干炉内所有与硅片接触部位均采用石英材料制成，避免了硅片与金属零件的接触，往复式步进传送机构，解决了普通链式金属网带易产生金属离子污染或采用树脂网带在高温下老化快的难题，而在烘干过程中，硅片始终处于高纯氮气的保护中，提高了硅片的烘干质量。

Description

一种防金属离子污染的硅片烘干炉及硅片烘干方法

技术领域

本发明涉及到一种太阳能电池生产设备，尤其涉及到一种能防金属离子污染的硅片烘干炉及硅片烘干方法。

背景技术

目前的太阳能电池的转换效率不断提升，在太阳能电池生产过程中，选择性扩散工艺已经成为电池生产厂家重点研发领域，在各种实现选择性扩散的工艺路线中，采用印刷磷源的一次扩散方法以低成本、易批量生产最受关注，印刷完成的硅片需在烘干炉内进行烘干作业，中国专利号为ZL200620073300.3的、名称为太阳能电池基板烘干炉的实用新型专利，公开了一种太阳能电池基板烘干炉，用于将经过印刷电极的太阳能电池基板上的电极浆料的胶体、水分排出，包括一机架；一炉体，设于机架上，并且偏中间；一组加热器，设于炉体的炉膛内；一对主、从动辊，分别枢置在机架的上部两端；一网帘，套置在主、从动辊上；一动力传动机构，设在机架之一端，并且靠近于主动辊，与主动辊传动连结；一用于使所述炉膛获得循环热风的风路机构，设在机架偏下方；一用于控制加热器、动力传动、风路机构工作的电气控制箱，固设在炉体上，该烘干炉虽然体积小、生产效率较高、能保证基板受热均匀，但是烘干过程中金属离子却无法消除而使硅片容易造成二次污染使硅片形成光生载流子复合中心，降低了电池的实际光电转换效率。

发明内容

本发明主要解决普通硅片烘干炉无法消除金属离子对硅片产生二次污染且烘干炉能耗较大、树脂网带容易老化的技术问题，提供了一种能防金属离子污染且节能的硅片烘干炉及硅片烘干方法。

为了解决上述存在的技术问题，本发明主要是采用下述技术方案：

     本发明的一种防金属离子污染的硅片烘干炉，用于太阳能电池硅片的烘干作业，所述烘干炉设在框架上，包括炉体、设在炉体内的加热装置、硅片传送装置和控制单元，其中：

炉体，包括内壁板和炉外板，内壁板和炉外板之间空腔形成隔热层，所述内壁板为石英板，在炉体两侧设有硅片进口和硅片出口，在炉体顶部设有保护气体进气口和排气口，在炉体底部设有与硅片传送机构相对应的开口；

加热装置，包括若干外壁为石英管的远红外加热灯；

传送装置，包括若干平行排列的硅片平置轨道和相应的硅片传送机构，每个所述硅片平置轨道包括设在炉内的两根平行且等高的石英放置条和分别设在炉体硅片进口和硅片出口且处在所述石英放置条延伸线上的若干石英放置块，石英放置条的顶面与石英放置块的顶面等高形成水平的硅片放置面，两根石英放置条之间间距与硅片宽度相吻合；

控制单元连接硅片传送机构各气缸、加热装置红外灯和保护气体流量控制装置，监测并控制硅片传送速度、烘干加热功率、保护气体流量和风帘气体流量。

 烘干炉内所有与硅片接触的零部件如内壁板、加热灯管、硅片搁置面材料等均采用石英材料制成，避免了硅片与金属零件的接触，也避免了金属零件在高温下挥发出金属离子的可能，从而避开了金属离子对硅片的二次污染，同时，在烘干过程中，炉膛内还吹入高纯氮气，使硅片始终处于高纯氮气的保护中并及时排出浆料挥发物，防止散布于空气中的金属离子对硅片表面造成二次污染；炉体的隔热层使烘干炉更节能环保，炉内腔温度更稳定，硅片的加热烘干质量更好，而多条烘干通道的并存设计，节约了炉体空间、降低能耗，使工作效率得到了成倍提升。

作为优选，所述硅片传送机构为往复式步进机构，包括水平状的石英传送杆、水平气缸、升降气缸和水平导轨，所述水平导轨和水平气缸设在所述框架上，水平导轨与所述硅片放置轨道平行，水平导轨上设有可沿水平导轨滑动的可调支架，水平气缸的活塞杆与所述支架连接，所述升降气缸分别设在支架的两端，升降气缸的活塞杆分别与所述石英传送杆的两端部连接，石英传送杆可通过升降气缸的作用垂直升降，石英传送杆设在所述石英放置条之间，石英传送杆的长度大于炉体的长度，上升时石英传送杆的杆身上表面高于石英放置条的顶面高度，下降时石英传送杆的杆身处在石英放置条顶面的下方，传动机构采用往复式步进法，解决了普通链式烘干炉采用的金属网带造成金属离子污染或采用树脂网带在高温下老化快的问题，而水平气缸和升降气缸的使用，则简化了控制和结构，制作方便，成本低廉。

作为优选，所述石英放置条的顶部设有沿石英放置条轴线方向均匀排列的若干凸台，所述两根石英放置条的凸台对称设置，凸台构成若干个硅片加热工位，所述水平气缸的活塞杆行程与所述硅片加热工位的间距相等，均匀排列的凸台形成硅片的平放加热工位，硅片放置平稳且接触面较小，有利于提高硅片的烘干质量。

作为优选，所述石英放置块顶面外沿设有与放置块一体结构且与石英放置条平行的定位条，所述定位条内侧面为斜面，定位条可使硅片在进口处放置时定位精准，烘干过程中不易错位而造成硅片滑落，通道内侧的斜面方便硅片的放置。

作为优选，所述炉体两侧的硅片进口、硅片出口处和炉体底部的开口处均设有风帘，所述风帘为可调流量的石英管风帘，在炉体与外界相通的地方，设计有可调风量的风帘，使炉膛与外界隔绝，防止外界空气中的金属离子对硅片造成二次污染，也可防止炉膛内的浆料挥发物溢出，造成环境污染。

作为优选，所述炉外板为PVDF树脂板，所述隔热层为高纯石英纤维隔热棉，石英纤维隔热棉保温性能良好又不会产生金属离子污染，而PVDF树脂板耐高温且稳定性优良。

作为优选，所述保护气体为高纯氮气，所述进气口设在硅片出口端，所述排气口设在硅片进口端，所述进气口上设有可调式高纯氮气流量调节器，逆流设计的高纯氮气流向，有效地带走烘干过程产生的废气，越接近出口的硅片接触到的高纯氮气越纯净，使硅片始终处于高纯氮气的有效保护中，防止散布于空气中的金属离子对硅片表面造成二次污染，可调式高纯氮气流量调节器能保证炉膛内的保护气体压力始终处于一定压力。

作为优选，在保护气体的进出气管线上设有热交换器，所述热交换器分别与保护气体的进气管道和出气管道连接，在保护气体的进出管道上设计有换热器，可吸收排出的高温废气中的热量来加热进气气体，提高了进气气体的温度，节约了能源，也减小了炉膛内的温度波动，提高硅片的烘干质量。

作为优选，在炉膛内还设有带石英套的热电偶，所述热电偶与控制单元电连接，热电偶检测炉膛内的温度并送至控制单元，可控硅触发器以PID方式调节加热管的功率，使炉膛内的温度达到并保持在100℃～350℃的设定烘干温度。

一种硅片烘干方法，包括如下步骤：

a)    首先将印刷好的硅片通过石英叉放置在炉体硅片进口处的石英放置块上；

b)    打开炉膛内的远红外加热灯加热，炉膛内的热电偶实时检测炉膛温度并与控制单元电连接，可控硅触发器以PID方式调节加热管的功率，使炉膛内的温度达到并保持在100℃～350℃的设定烘干温度，打开进气口的高纯氮气流量调节装置调节进气流量，使炉膛内充满高纯氮气并保持炉膛内正压，硅片进出口端及底部开口的风帘将炉膛与外界隔绝，防止外界带金属离子的空气对炉膛内硅片造成污染；

c)    开启升降气缸，升降气缸的活塞杆向上伸出并带动石英传送杆上升，顶起硅片进口处的待加热硅片并使硅片脱离石英放置块，此时硅片搁置在石英传送杆上；

d)    开启水平气缸，水平气缸活塞杆顶出推动支架沿水平导轨滑动，由于水平气缸活塞杆行程与加热工位的间隔相等，因而使石英传送杆平移一个加热工位，硅片进入烘干炉内相应加热工位开始进行烘干；

e)    关闭升降气缸，升降气缸活塞杆复位缩回，带动石英传送杆下降，石英传送杆上的硅片随之下降落在炉膛内的石英放置条凸台上，石英传送杆继续下降直至顶部低于石英放置条的顶面，硅片脱离石英传送杆并搁置在石英放置条的凸台上继续进行烘干，此时清洁的高纯氮气逆向流过硅片表面并将烘干过程所产生的水分及金属离子带离，最后通过排气口排出；

f)    关闭水平气缸，水平气缸活塞杆复位缩回，带动支架沿水平导轨回位，相应的使石英传送杆反向平移一个加热工位，回到初始位置等待，准备下一个传送周期的开始；

g)    重复c-f步骤，周而往复，使得硅片通过石英传送杆一个工位一个工位从烘干炉进口端移至出口端，完成整个烘干过程，硅片的移动周期为8S～20S；

h）当烘干后的硅片移出至硅片出口处的石英放置块上，则通过真空吸笔将硅片移除放置在扩散用石英舟内。

本发明的有益效果是：烘干炉内所有与硅片接触的零部件均采用石英材料制成，避免了硅片与金属零件的接触，也避免了金属零件在高温下辉发出金属离子的可能；硅片传动机构采用往复式步进法，解决了普通链式烘干炉采用的金属网带产生金属离子污染或采用树脂网带在高温下老化快的难题；在烘干过程中，炉膛内还吹入洁净的高纯氮气，使硅片始终处于高纯氮气的保护中，避免了散布于空气中的金属离子对硅片表面造成二次污染；多条硅片烘干通道的并存设计，节约了炉体空间、降低能耗，使生产效率得到了提升。

附图说明

图1是本发明的硅片顶起状态结构示意图。

图2是图1的侧视示意图。

图3是本发明的硅片放置状态结构示意图。

图4是图3的侧视示意图。

图中 1.硅片，2.框架，3.炉体，4.内壁板，5.炉外板，6.隔热层，7.硅片进口，8.硅片出口，9.保护气体进气口，10.排气口，11.远红外加热灯，12.石英放置条，13.石英放置块，14.石英传送杆，15.水平气缸，16.升降气缸，17.水平导轨，18.支架，19.凸台，20.风帘，21. 热电偶。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种防金属离子污染的硅片烘干炉，用于太阳能电池硅片1的烘干作业，如图1和图2所示，烘干炉放置在框架2上，包括炉体3、安装在炉体内的加热装置、硅片传送装置和控制单元，其中：

炉体，包括内壁板4和炉外板5，内壁板为石英板，炉外板为PVDF树脂板，内壁板与炉外板之间的空腔内填充隔热层6，隔热层为高纯石英纤维隔热棉，在炉体两侧设计有硅片进口7和硅片出口8，在炉体底部设有与硅片传送机构相对应的开口，在硅片进出口处和炉底开口处均安装有可调流量的石英管风帘20；在炉体顶部设计有高纯氮气进气口9和排气口10，进气口设计在硅片的出口侧，排气口设计在硅片进口侧，在进气口上安装有可调式高纯氮气流量调节器，在高纯氮气进出气管道上设计有热交换器，在炉膛内还安装有带石英套的热电偶21，热电偶与控制单元电连接；

加热装置，安装在炉内硅片传送装置的顶部，包括三根外壁为石英管的远红外加热灯；

传送装置，包括硅片平置轨道和硅片传送机构，硅片平置轨道包括安装在炉内的两根平行且等高的石英放置条12和分别安装在炉体硅片进口和硅片出口且处在石英放置条延伸线上的石英放置块13，石英放置条的顶面与石英放置块的顶面等高形成水平的硅片放置面，两根石英放置条之间间距与硅片的宽度相吻合；

控制单元连接硅片传送机构各气缸、加热装置红外灯和保护气体流量控制装置，监测并控制硅片传送速度、炉膛温度、烘干加热功率、保护气体流量和风帘气体流量。

硅片传送机构为往复式步进机构，包括水平的石英传送杆14、水平气缸15、升降气缸16和水平导轨17，水平导轨和水平气缸均安装在框架上，水平导轨与硅片平置轨道平行，水平导轨上设计有可沿水平导轨滑动的可调支架18，水平气缸的活塞杆顶部与支架固定，升降气缸分别固定在支架的两端，升降气缸的活塞杆分别与石英传送杆的两端部固定，石英传送杆可通过升降气缸的活塞杆作用而垂直升降，石英传送杆设计在石英放置条中间并与石英放置条平行，石英传送杆的长度大于炉体的长度，上升时石英传送杆的杆身上表面高于石英放置条的顶面高度，下降时石英传送杆的杆身处在石英放置条顶面的下方；在石英放置条的顶部设计有沿石英放置条轴线方向均匀排列的若干凸台19，两根石英放置条上的凸台对称设置，凸台构成硅片的平放加热工位，石英放置块的纵向间距与硅片相吻合，水平气缸的活塞杆行程等同于加热工位的间距；在石英放置块顶面外沿设计有与石英放置块一体结构且与石英放置条平行的定位条，定位条内侧面为斜面。

使用时，首先将印刷好的硅片通过石英叉放置在炉体硅片进口处的石英放置块上；打开炉膛内的远红外加热灯加热，炉膛内的热电偶实时检测炉膛温度并与控制单元电连接，可控硅触发器以PID方式调节加热管的功率，使炉膛内的温度达到并保持在300℃的设定烘干温度，打开进气口的高纯氮气流量调节装置调节进气流量，使炉膛内充满高纯氮气并保持炉膛内正压，硅片进出口端及底部开口的风帘将炉膛与外界隔绝，防止外界带金属离子的空气对炉膛内硅片造成污染；开启升降气缸，升降气缸的活塞杆向上伸出并带动石英传送杆上升，顶起硅片进口处的待加热硅片并使硅片脱离石英放置块，此时硅片搁置在石英传送杆上；开启水平气缸，水平气缸活塞杆顶出推动支架沿水平导轨滑动，由于水平气缸活塞杆行程与凸台前后间隔相等，因而使石英传送杆平移一个加热工位，硅片进入烘干炉内相应加热工位开始进行烘干；关闭升降气缸，升降气缸活塞杆复位缩回，带动石英传送杆下降，石英传送杆上的硅片随之下降落在炉膛内的石英放置条凸台上，石英传送杆继续下降直至顶部低于石英放置条的顶面，如图3和图4所示，硅片脱离石英传送杆并搁置在石英放置条凸台上继续进行烘干，此时清洁的高纯氮气逆向流过硅片表面并将烘干过程所产生的水分及金属离子带离，最后通过排气口排出；关闭水平气缸，水平气缸活塞杆复位缩回，带动支架沿水平导轨回位，相应的使石英传送杆反向平移一个加热工位，回到初始位置等待，准备下一个传送周期的开始；重复c-f步骤，周而往复，使得硅片通过石英传送杆一个工位一个工位从烘干炉进口端移至出口端，完成整个烘干过程，硅片的移动周期为12秒；当烘干后的硅片移出至硅片出口处的石英放置块上，则通过真空吸笔将硅片移除并放置在扩散用石英舟内。

以上说明并非对本发明作了限制，本发明也不仅限于上述说明的举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所作出的变化、改型、增添或替换，都应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种防金属离子污染的硅片烘干炉，用于太阳能电池硅片（1）的烘干作业，所述烘干炉设在框架（2）上，其特征在于：包括炉体（3）、设在炉体内的加热装置、硅片传送装置和控制单元，其中

炉体，包括内壁板（4）和炉外板（5），内壁板和炉外板之间空腔形成隔热层（6），所述内壁板为石英板，在炉体两侧设有硅片进口（7）和硅片出口（8），在炉体顶部设有保护气体进气口（9）和排气口（10），在炉体底部设有与硅片传送机构相对应的开口；

加热装置，包括若干外壁为石英管的远红外加热灯（11）；

传送装置，包括若干平行排列的硅片平置轨道和相应的硅片传送机构，每个所述硅片平置轨道包括设在炉内的两根平行且等高的石英放置条（12）和分别设在炉体硅片进口和硅片出口且处在所述石英放置条延伸线上的若干石英放置块（13），石英放置条的顶面与石英放置块的顶面等高形成水平的硅片放置面，两根石英放置条之间的间距与硅片的宽度相吻合，硅片传送机构为往复式步进机构，包括水平的石英传送杆（14）、水平气缸（15）、升降气缸（16）和水平导轨（17），所述水平导轨和水平气缸设在所述框架（2）上，水平导轨与所述硅片平置轨道平行，水平导轨上设有可沿水平导轨滑动的可调支架（18），水平气缸的活塞杆与所述支架连接，所述升降气缸分别设在支架的两端，升降气缸的活塞杆分别与所述石英传送杆的两端部连接，石英传送杆可通过升降气缸的作用垂直升降，石英传送杆设在所述石英放置条之间，石英传送杆的长度大于炉体的长度，上升时石英传送杆的杆身上表面高于石英放置条的顶面高度，下降时石英传送杆的杆身处在石英放置条顶面的下方；

控制单元连接硅片传送机构各气缸、加热装置红外灯和保护气体流量控制装置，监测并控制硅片传送速度、烘干加热功率、保护气体流量和风帘气体流量。

2.根据权利要求1所述的一种防金属离子污染的硅片烘干炉，其特征在于：所述石英放置条（12）的顶部设有沿石英放置条轴线方向均匀排列的若干凸台（19），所述两根石英放置条的凸台对称设置，凸台构成若干个硅片加热工位，所述水平气缸（15）的活塞杆行程与所述硅片加热工位的间距相等。

3.根据权利要求1所述的一种防金属离子污染的硅片烘干炉，其特征在于：所述石英放置块（13）顶面外沿设有与石英放置块一体结构且与石英放置条平行的定位条，所述定位条内侧面为斜面。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种防金属离子污染的硅片烘干炉，其特征在于：所述炉体两侧的硅片进口（7）、硅片出口（8）处和炉体底部的开口处均设有风帘（20），所述风帘为可调流量的石英管风帘。

5.根据权利要求1所述的一种防金属离子污染的硅片烘干炉，其特征在于：所述炉外板（5）为PVDF树脂板，所述隔热层（6）为高纯石英纤维隔热棉。

6.根据权利要求1所述的一种防金属离子污染的硅片烘干炉，其特征在于：所述保护气体为高纯氮气，所述进气口（9）设在硅片出口端，所述排气口（10）设在硅片进口端，所述进气口上设有可调式高纯氮气流量调节器。

7.根据权利要求6所述的一种防金属离子污染的硅片烘干炉，其特征在于：在保护气体的进出气管线上设有热交换器，所述热交换器分别与保护气体的进气管道和出气管道连接。

8.根据权利要求1所述的一种防金属离子污染的硅片烘干炉，其特征在于：在炉膛内还设有带石英套的热电偶（21），所述热电偶与控制单元电连接。

9.基于权利要求1的一种防金属离子污染的硅片烘干炉的硅片烘干方法，包括如下步骤：

a) 首先将印刷好的硅片通过石英叉放置在炉体硅片进口处的石英放置块上；

b) 打开炉膛内的远红外加热灯加热，炉膛内的热电偶实时检测炉膛温度并与控制单元电连

  接，可控硅触发器以PID方式调节加热管的功率，使炉膛内的温度达到并保持在100℃～

  350℃的设定烘干温度，打开进气口的高纯氮气流量调节装置调节进气流量，使炉膛内充

  满高纯氮气并保持炉膛内正压，硅片进出口端及底部开口的风帘将炉膛与外界隔绝，防止

  外界带金属离子的空气对炉膛内硅片造成污染；

c) 开启升降气缸，升降气缸的活塞杆向上伸出并带动石英传送杆上升，顶起硅片进口处的

  待加热硅片并使硅片脱离石英放置块，此时硅片搁置在石英传送杆上；

d) 开启水平气缸，水平气缸活塞杆顶出推动支架沿水平导轨滑动，由于水平气缸活塞杆行

  程与加热工位的间隔相等，因而使石英传送杆平移一个加热工位，硅片进入烘干炉内相应

  加热工位开始进行烘干；

e) 关闭升降气缸，升降气缸活塞杆复位缩回，带动石英传送杆下降，石英传送杆上的硅片

  随之下降落在炉膛内的石英放置条凸台上，石英传送杆继续下降直至顶部低于石英放置条

  的顶面，硅片脱离石英传送杆并搁置在石英放置条凸台上继续进行烘干，此时清洁的高纯

  氮气逆向流过硅片表面并将烘干过程所产生水分及金属离子带离，最后通过排气口排出；

f) 关闭水平气缸，活塞杆复位缩回，带动支架沿水平导轨回位，相应的使石英传送杆反向

  平移一个加热工位，回到初始位置等待，准备下一个传送周期的开始；

g) 重复c-f步骤，周而往复，使得硅片通过石英传送杆一个工位一个工位从烘干炉进口端移

  至出口端，完成整个烘干过程，硅片的移动周期为8S～20S；

h) 当烘干后的硅片移出至硅片出口处的石英放置块上，则通过真空吸笔将硅片移除放置在

   扩散用石英舟内。