[发明专利]一种多晶铸锭用高效坩埚及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及多晶铸锭领域，尤其涉及一种多晶铸锭用高效坩埚及其制备方法。

背景技术

在晶体硅太阳能电池中，由于多晶硅制造工艺较简单，且其制造成本较单晶硅低，因而多晶硅在整个光伏行业中占有80% 份额。在多晶硅片制造过程中，多晶硅锭铸造时需使用坩埚作为容器。多晶铸锭采用的是定向凝固的方法，将硅料装入坩埚投炉后，通常包括加热、融化、长晶、退火、冷却等过程。硅料加热融化为液态后，通过工艺控制使其从底部开始形核长晶从而铸成多晶硅锭。

目前的多晶铸锭用坩埚内底多为水平结构，在硅晶体的形核过程中，熔融状态的硅料会在坩埚底部自发随机形核并生长，形成的晶核均匀性较差。在后期长晶过程中容易产生晶粒相互吞并和倾轧，形成较多的位错及其他缺陷。从而导致硅片晶粒分布不均匀，电池片光电转化效率普遍偏低，进而影响了多晶硅电池片的制造成本和产品品质。

随着光伏行业的不断发展，市场对电池片的品质要求也越来越严苛，高效率电池片（光电转换效率大于17.6%）的市场需求量也与日俱增。目前，高效多晶硅锭的生产主要有两种工艺。第一种是使用以石英砂为形核物质的高效坩埚配合全熔铸锭工艺，主要是通过高效坩埚底部的石英砂颗粒制造出凹凸起伏的形貌，引导硅晶体在此基础上诱导晶核优先生长均，保证晶粒大小均匀，而不出现相互吞并和倾轧，从而减少后期长晶过程中晶体缺陷的形成，提高硅片制成电池片后的光电转化效率。但是由于此种高效坩埚的形核物质为石英砂，与硅晶体的物理化学性能相差较大，所以此种工艺形核机理为异质形核，形核的几率和质量较低，使用此种工艺生产出的电池片光电转化效率一般为17.6-17.8%；第二种是使用底部水平结构的普通坩埚配合半熔铸锭工艺，主要是通过控制多晶铸锭环节加热阶段的温度，使底部硅料不完全熔化保留一定厚度的固态硅籽晶，在籽晶的基础上诱导已经熔化的硅液优先形核，提高多晶硅晶体的生长质量。由于硅籽晶与硅液为同种物质，此种工艺的形核机理为同质形核，形核的的几率和质量较高，使用此种工艺生产出的电池片光电转换效率一般可达17.8%以上。但是由于半熔工艺底部需要保留一定厚度的硅籽晶，对工艺控制的精度要求较高，工艺推广难度较大，而且生产出的多晶硅锭的利用率偏低，通常较全熔工艺生产的硅锭利用率低5%左右，所以导致生产成本偏高。

为了适应市场的要求，如何制造出质量更优异成本更低廉的多晶硅锭对铸锭用的石英坩埚提出了更为严格的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多晶铸锭用高效坩埚及其制备方法，通过对坩埚底部的特殊设计与处理，以同质形核或近似同质形核为机理引导硅晶体的均匀形核，并通过控制铸锭工艺，保证晶粒大小均匀且竖直生长，而不出现相互吞并和倾轧，减少位错密度，从而减少后期长晶过程中晶体缺陷的形成，提高硅片制成电池片后的光电转化效率。同时，坩埚底部无需保留固态籽晶，工艺实施难度较低，而且硅锭利用率可以提高5%左右，大幅度降低了高效多晶电池片的生产成本。

为了达到上述目的，本发明提供了一种多晶铸锭用高效坩埚，包括常规的石英坩埚，所述石英坩埚的内侧有氮化硅复合层，所述氮化硅复合层上方阵列镶嵌有高纯形核颗粒。

其中，所述高纯形核颗粒的成分为粒径为5-15mm的单晶硅和多晶硅，其质量份数比为：1-2:1-3。

其中，所述高纯形核颗粒间距为1-4mm，高纯形核颗粒的分布密度为4-100/cm²。

其中，所述高纯形核颗粒均匀地镶嵌在氮化硅复合层中，上半部分裸露在氮化硅复合层之上，上半部分高度为5-10mm。

其中，所述氮化硅复合层的厚度为1-5mm；所述氮化硅复合层的组分质量份数为：10-20份的高纯氮化硅颗粒、10-50份的高纯水和10-20份的硅溶胶。

其中，所述氮化硅复合层的组分还包括聚氨酯、羧基丁腈胶乳、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚酰胺-酰亚胺、邻苯二甲酸二丁酯和聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯，所述氮化硅复合层的组分质量份数为：高纯氮化硅颗粒10-20份、高纯水10-50份、硅溶胶10-20份、聚氨酯1-3份、羧基丁腈胶乳1-4份、聚对苯二甲酸丁二醇酯3-5份、聚酰胺-酰亚胺4-6份、邻苯二甲酸二丁酯1-2份和聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯1-2份。

其中，所述高纯氮化硅颗粒由20-30份粒径小于20μm、30-50份粒径位于30-40μm之间、30-40份粒径大于50μm的高纯氮化硅颗粒混合而成。

为了达到上述目的，本发明还提供了所述的多晶铸锭用新型免喷涂高效坩埚的制备方法，其中，制备过程为：