[发明专利]一种可重复利用的多晶硅铸锭用石英陶瓷坩埚及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石英陶瓷坩埚,尤其涉及一种多晶硅铸锭用的、上沿口可重复使用的石英陶瓷坩埚。

 

背景技术

随着常规能源危机问题日益突出，传统的化石能源已经无法满足现代化工业的发展需求。太阳能作为一种绿色可再生能源日益得到世界范围内的广泛重视。伴随着太阳能发电技术的日益成熟，太阳能电池目前已在工业、农业、航天及日常生活等诸多领域取得广泛的应用。

根据材料的不同太阳能电池主要分成两类，即硅系太阳能电池和化合物半导体系太阳能电池。其中硅系太阳能电池约占其中的95%，占据主导地位。结晶系硅系太阳能电池又可分成单晶硅与多晶硅太阳能电池。相对于单晶硅太阳能电池，多晶硅的转化效率及产量高，而且对原料要求相对较低，因此是产业化比率最高的材料。

多晶硅铸锭工艺主要有定向凝固法和浇铸法两种方法。石英陶瓷坩埚具有导热性差、抗热震性好等诸多优点，广泛的应用于多晶硅的铸锭生产中。在多晶硅铸锭过程中，由于石英坩埚在高温下会发生析晶析出方石英晶体，在冷却过程中，方石英发生相转变(高温相β方石英转变为低温相α方石英)，同时带来约5.2%的体积膨胀，使得坩埚内部的内应力增加，与此同时在铸锭过程中，硅液的比重为2.5， 硅晶体的比重2.33，硅料熔化后带来大约9%的体积膨胀，综合两方面因素，多晶硅铸锭完成后甚至铸锭过程中，石英坩埚容易发生裂纹，成为多晶硅铸锭过程中的一次性的消耗品，严重制约着多晶硅的生产成本及质量。

在铸锭时, 为了抑制硅与石英陶瓷坩埚的反应,同时还可以起到脱模作用，行业内普遍在石英陶瓷坩埚内表面喷涂氮化硅涂层,这无疑又增加了多晶硅的生产成本。而且氮化硅涂层的质量及喷涂厚度等人为因素对硅锭的质量也有明显的影响。

为了降低多晶硅的生产成本，硅装载量逐渐增大，有的甚至略高于坩埚的高度，但是铸锭完成后硅锭的高度明显降低。经统计国内数家大型铸锭厂如天合、昱辉、海润、高佳、优创等，铸锭完成后，对于G5和G6坩埚，铸锭高度占坩埚高度的比例约为62%-78%，，也就是坩埚上沿口22%-38%的高度范围在硅料溶化后不需要起到装载作用。

目前在铸锭行业内，常用的多晶硅铸锭炉温场大体可以分为两种，一种是四周加热，辅以顶面加热；这种炉型的代表厂商是GT-Solar，国内的厂商则是精功科技、京运通、48所、无锡开日、上海汉虹等；一种是顶面和底面加热，这种炉型的典型厂商为德国的ALD。目前广泛采用的炉温场为第一种，现就四周辅以顶面加热炉温场进行分析：坩埚熔炼硅主要依靠四周和顶部同时加热，在结晶时，顶部加热体保持硅液上部温度，保温体提升，由四周加热体保持垂直温度梯度。测温则通过装在炉顶的红外测温仪测量坩埚中央的硅液顶温，通过热电偶测量坩埚底部温度。这种结构下，由于硅液温度是靠顶部和四周加热体同时保持，石英坩埚为热的不良导体，因此，坩埚的中央和坩埚四周必然存在温差。

为了解决现有技术中的问题，专利号为201120071418.3的专利公开了一种多晶硅铸锭用石英坩埚加高装置，呈规则方形结构，包括前后左右四个侧壁，上下部敞开，前后左右四个侧壁的下边沿分别设有连接卡套，四个侧壁的内表面涂有一层氮化硅涂层。该加高装置可与目前业内的石英坩埚精确的配合，降低石英坩埚的高度，而不减少单次装料量；或者直接于目前的石英坩埚上进行加高，使单次装料量增加；可重复使用多次，减少铸锭过程中石英坩埚的消耗，显著降低多晶硅铸锭的制造成本。

光伏行业竞争激烈，如何降低多晶硅的生产成本，同时不影响或者能够提高铸锭的质量，对石英坩埚提出了更多的要求与挑战。因此，旨在研究上沿口可重复利用且具有较好的导热性的石英坩埚对于降低多晶硅的生产成本同时提高硅锭的质量具有非常重要的实际意义。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题有:一, 多晶硅铸锭用石英坩埚要求原料纯度高、尺寸大，生产成本相对较高，铸锭过程中，传统石英坩埚为一次性的消耗品，铸锭完成后即完全报废传统石英坩埚在铸锭之前，整个内壁需要喷涂氮化硅涂层，工艺繁琐，进一步增加了多晶硅的生产成本内壁氮化硅涂层的质量、厚度等均会影响到多晶硅铸锭的质量；二，传统多晶硅铸锭用石英坩埚的整体导热性能较差，长晶过程中垂直方向的温度梯度很难控制。 

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种可重复利用的多晶硅铸锭用石英陶瓷坩埚，包括坩埚本体，坩埚本体的上部设有上沿口，上沿口设置在石英坩埚本体上并可拆卸，上沿口为方形，与坩埚本体形状尺寸相适应，坩埚上沿口可重复利用。