CN102787349B - 一种铸锭坩埚及铸锭装置 - Google Patents

Abstract

一种铸锭坩埚，包括侧壁和底部，其特征在于：所述侧壁分上部和下部，下部的隔热性能强于上部，铸锭坩埚的侧壁的上部和下部可以采用不同的材料制造，制造下部的材料的隔热系数大于制造上部的材料。也可以采用相同的材料制造，但增大下部的厚度。此外本发明还提供一种铸锭装置，包括上述铸锭坩埚，坩埚护板和底座，坩埚护板包括底板，底座包括上平面部分，所述坩埚护板的底板和底座的上平面部分都是同一种金属材料钨或者钼制成，并且通过焊接或整体铸造的方式连接在一起。采用本发明的铸锭坩埚或者铸锭装置，可以有效的降低坩埚的侧向热传导系数，提高坩埚垂直方向的热传导系数，抑制边角多晶的生成，提高铸锭的收益率。

Description

一种铸锭坩埚及铸锭装置

技术领域

本发明涉及一种铸锭坩埚及铸锭装置。

背景技术

目前晶体硅太阳能电池占据着光伏产业的主导地位。而硅片的成本占到了单/多晶体硅成本的一半以上，因此降低硅片的成本，提高硅片的质量，对于光伏行业的发展有着极其重要的意义。

常规的多晶硅中，晶粒的随机取向使其难以对所得到的晶片表面进行纹饰。纹饰用于通过减少光反射和提高透过电池表面光能的吸收来提高电池效率。此外，多晶硅晶粒之间边界（晶界）上形成的“扭折”倾向于以簇或位错线形式成为结构缺陷的核，这些位错和位错的吸杂效应会引起多晶硅制成的电池中载流子快速复合，从而导致电池效率降低。铸造单晶硅技术是一种新型的单晶生长方式，这种方法采用与多晶铸锭炉类似的设备进行单晶硅的生长。铸造单晶硅的基本工艺过程是将硅熔体从石英坩埚底部开始缓慢冷却生长成一个单晶的方锭，而铸造单晶硅工艺与传统多晶硅铸锭工艺最大的不同在于铸造单晶硅工艺需要在石英坩埚底部排列一层籽晶，这种技术既具有单晶硅材料低缺陷、高转换效率的优点，又具有铸锭技术高产量、低能耗、低光致衰减的优点。简单地说，这种技术就是用多晶硅的成本，生产单晶硅的技术。通过铸锭单晶硅技术，可以使多晶铸锭炉生产出接近直拉单晶硅的准单晶。在不明显增加硅片成本的前提下，使电池效率提高1%以上。

铸造准单晶技术先把籽晶，硅料掺杂元素放置坩埚中，籽晶一般位于坩埚底部。随后加热融化硅料，并且保持籽晶不被完全融掉。最后控制降温，调节固液相的温度梯度，确保单晶从籽晶位置开始生长。这种技术的难点在于确保在第二步融化硅料阶段，籽晶不被完全融化，还有控制好温度梯度的分布，这个是提高晶体生长速度和晶体质量的关键。虽然铸造准单晶技术已经得到了产业化生产，但是目前仍然存在问题，即铸锭的良率目前较低，只有大约在40%~60%之间，主要是由于铸锭边角多晶的产生严重影响了铸锭的利用率。

传统铸造单晶的坩埚由石英制成，四周的壁厚基本相同，铸造单晶的制备过程如下：首先准备好籽晶与坩埚，将籽晶放在坩埚的底部，然后在籽晶的上方放入多晶硅与母合金，然后将石墨护板安装在坩埚的周围与底部，然后将其放入铸锭炉，经过加热、熔化、长晶、退火和冷却5个阶段后，即可取出铸锭。但目前的坩埚壁的保温效果并不好，在铸锭生长过程中坩埚的边角部位存在径向的散热，即径向的温度梯度，从而在铸锭的四周易产生多晶，因此得到的铸锭单晶的良率较低；若能在侧面形成向上温度梯度，则可以抑制侧面成核，形成全单晶。因此如何减少坩埚侧面的热传递系数，或者增大坩埚垂直方向的热传递系数，减小侧面热传递系数与垂直方向热传递系数的比例，提高铸锭的良率，成为一个需要解决的问题。

发明内容

为克服传统坩埚的侧面热传递较强导致铸锭良率降低的问题，本发明提供一种铸锭坩埚。

本发明的技术方案如下:

一种铸锭坩埚，包括侧壁和底部，其特征在于：所述侧壁分上部和下部，下部的隔热性能强于上部。

本发明的一种实施方式：侧壁的下部的厚度大于上部的厚度。

优选的实施例，侧壁的下部的厚度是从上到下向坩埚外部逐渐增加的。这样坩埚离底部越近的地方隔热性能越好，加强了垂直方向的热传导，并且不占用坩埚内部容量。

进一步的，侧壁下部外表面与垂直方向的角度为15度-45度，使用效果较佳。

优选的实施例，侧壁的下部厚度处处相等，以方便加工。

本发明另一种实施方式，侧壁的下部与上部的厚度一样，制作下部的材料的隔热系数大于制作上部的材料的隔热系数。

优选的，制作所述侧壁的上部的材料为石英，制作所述侧壁的下部的材料为氧化锌、氧化锆或者碳化硅制成。氧化锌、氧化锆或者碳化硅这些材料的隔热性能好，并且耐高温。

优选的，所述侧壁下部的高度与铸锭的高度相等，利于抑制径向温度梯度，同时加强垂直方向的散热。

优选的，所述侧壁的上部和下部的高度比为1:1，以适应多数情况下的铸锭与坩埚的高度比例。

本发明还提供一种铸锭装置，包括铸锭坩埚、坩埚护板和底座，坩埚护板包括底板和侧板，所述底座包括上平面部分，所述铸锭坩埚为如前文各实施例或实施方式所述的任意一种铸锭坩埚，坩埚护板的底板和底座的上平面部分都是同一种金属材料钨或者钼制成，并且通过焊接或整体铸造的方式连接在一起。这种铸锭装置大大增强了坩埚护板和底座之间的热传导。

采用本发明所述的铸锭坩埚或铸锭装置，由于下部的隔热性能强于上部，使坩埚内部径向传热被抑制，而更利于垂直方向的传热，可以明显改善铸锭硅料内部传热的效果，抑制横向热流的产生，提高了垂直方向的热传递系数，减小了侧面热传递系数与垂直方向热传递系数的比例，有效地抑制了边角多晶的形成，降低了多晶的生成比例，从而提高铸锭的整个收益率。

附图说明

图1示出传统坩埚的示意图；

图2示出本发明铸锭坩埚第一实施例的示意图；

图3示出本发明铸锭坩埚第二实施例示意图；

图4示出本发明铸锭坩埚第三实施例示意图；

图5示出本发明铸锭装置示意图；

图6示出采用传统坩埚的热传导示意图；

图7示出本发明的铸锭坩埚的热传导示意图；

图8示出传统坩埚与本发明的铸锭坩埚的边角多晶的产生示意图。

各图中附图标记名称为：1.传统坩埚 2.硅熔体 3.侧板 4.底部 5.护板6.底座 31.上部 32.下部 51.底板 61.上平面部分。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

图1为传统坩埚的示意图，传统坩埚1的底壁和侧壁为厚度均一的同种材料制作，例如石英等。图2为本发明的铸锭坩埚第一实施例示意图，第一实施例的铸锭坩埚的侧板分上部和下部，上部和下部采用不同的材料制作。图3为本发明的铸锭坩埚第二实施例示意图，第二实施例的铸锭坩埚的侧板分上部和下部，下部的厚度厚于上部，且下部的厚度处处相等。图4为本发明的铸锭坩埚的第三实施例，第三实施例的铸锭坩埚的侧板分上部和下部，下部的厚度从上到下逐渐增加，并且增加厚度的方向是向坩埚外部的。图6为传统坩埚的热传导示意图，图7为采用本发明的铸锭坩埚的热传导示意图。

铸造单晶的制备过程如下：首先准备好籽晶与坩埚，将籽晶放在坩埚的底部，然后在籽晶的上方放入多晶硅与母合金，然后将坩埚护板安装在坩埚的四周与底部，其中侧板安装在坩埚的四周，底板安装在坩埚的底部，然后将其放入铸锭炉，经过加热、熔化、长晶、退火和冷却5个阶段后，即可取出铸锭。当固体硅料通过加热和熔化以后，坩埚内部的硅熔体2开始长晶，但目前的坩埚壁的保温效果并不好，在铸锭生长过程中坩埚的边角部位存在径向的散热，即径向的温度梯度，如图6所示；坩埚内部的硅熔体2在坩埚从上到下的整个侧壁面都向外散热，径向热流很大，从而在铸锭的四周易产生多晶，因此得到的铸锭单晶的良率较低。

本发明对传统坩埚的侧壁进行了改进，以抑制坩埚内部的径向热传递。图2为本发明的第一实施例，侧壁3的上部31和下部32的厚度一样，但采用的材料不一样，制作下部32的材料的隔热系数大于制作上部31的材料的隔热系数，这两种材料都要能耐受高温，特别是能耐受熔化炉料时的温度。优选的，制造上部31的材料为传统的石英，而制作下部32的材料为氧化锌、氧化锆或者碳化硅中的一种，氧化锌、氧化锆或者碳化硅都能耐受高温，并且隔热系数强于石墨。为了保证铸锭环境不受污染，作为制造材料的氧化锌、氧化锆或者碳化硅的质量百分比要求在99.99%以上，以杜绝杂质在高温条件下气化或挥发污染铸锭。第一实施例使坩埚侧壁下部的隔热系数强于侧壁上部，起到抑制坩埚内部径向热传递的作用。

也可以采用增大侧壁下部厚度的方法增大侧壁下部的隔热系数，侧壁上部和下部可以采用相同的材料制作，例如石英。图3和图4示出采用这种实施方式的两个实施例。

图3为本发明的第二实施例，侧壁3分上部31和下部32，但下部32的厚度厚于上部31的厚度，且下部的厚度处处相等。这样铸锭坩埚下部的隔热性能强于上部，从而抑制了坩埚内部的径向热传递。厚度比例可以根据在铸锭时的实际情况进行调整，以达到最佳的径向热流与垂直热流散热比效果，但是如果厚度相差太大，坩埚侧壁容易断裂，当下部厚度与上部厚度的比例为1.5-2.5时，多数情况下能达到较佳的使用效果。

图4为本发明的第三实施例，坩埚侧壁3分上部31和下部32，下部32的厚度厚于上部31的厚度，但坩埚侧壁下部32的厚度不是处处相等，而是从上到下厚度逐渐增加，并且厚度是向坩埚外部增加，避免了挤占坩埚内部的空间。散热时，出于增加垂直方向热传导强度的考虑，希望越接近坩埚底部，坩埚的径向热传导越弱，第三实施例的这种侧壁下部厚度从上到下增加的实现方式有助于在坩埚内部形成更好的温度梯度，坩埚侧壁下部32外表面与垂直方向的角度可以根据需要取3度-15度，以得到最佳的坩埚内部温度梯度。

本发明所述的铸锭坩埚的侧壁3具备不同隔热性能的上部31和下部32的高度的比例也可以调整，以适应使用时坩埚内部不同的铸锭高度，下部的高度最好与铸锭的高度相当。由于使用坩埚时，铸锭的高度常常是坩埚高度的一半，因此上部和下部的高度比例可以设置成1:1。

第一和第二或三实施例采用对铸锭坩埚侧壁3的改进方式可以单独使用，也可以组合使用，例如侧壁的下部可以既选用隔热系数高于上部材料隔热系数的材料，同时下部的厚度还大于上部厚度的方法，以达到较强的抑制坩埚径向热传递的目的。

采用本发明所述的铸锭坩埚，可以明显改善铸锭硅料内部传热的效果，如图7所示，铸锭坩埚内部的硅熔体2在坩埚下部向侧壁方向的传热被抑制，从而大大削弱了坩埚内部的径向热传递，提高了垂直方向的热传递系数，减小了侧面热传递系数与垂直方向热传递系数的比例，图8给出传统坩埚与本发明的铸锭坩埚的边角多晶的产生示意图，其中图8上半部分为传统坩埚的边角多晶产生比例，图8下半部分为本发明的铸锭坩埚的边角多晶的产生比例，与传统坩埚相比，本发明的铸锭坩埚有效地抑制了边角多晶的形成，从而提高了铸锭的整个收益率。

为验证本发明的实际效果，发明人分别采用下述的各种坩埚进行相同条件下的铸锭生长实验，坩埚均为底面内壁成正方形的方形坩埚。

传统坩埚：坩埚为底面内壁边长780毫米，高度420毫米，壁厚25毫米的石英坩埚。

实施例二：坩埚为底面内壁边长780毫米，高度420毫米的石英坩埚，坩埚侧壁分为上部和下部，上部和下部的高度均为210毫米，上部的厚度为25毫米，下部的厚度为均一的40毫米。

实施例三：坩埚为底面内壁边长780毫米，高度420毫米的石英坩埚，坩埚侧壁分为上部和下部，上部和下部的高度均为210毫米，上部的厚度为25毫米，下部的外表面与垂直方向的角度为5度，下表面厚度沿垂直方向从25毫米均匀增加到最大值44毫米。

实验中坩埚内倒入相同质量和成分的硅料，加热23小时至1550摄氏度，随后恒温保持6小时，经过27.5小时散热后测量铸锭的良率。

最后实测的铸锭良率如表一所示：

	铸锭良率
		传统坩埚	A%
实施例二	(A+2.8)%
		实施例三	(A+3.0)%

表一

实验证明本发明对铸锭坩埚侧壁的改进对铸锭的良率有提高作用，能提升良率2-3个百分点。

本发明还提供一种铸锭装置，对传统的坩埚护板和底座进行了进一步改进，传统的铸锭装置中，坩埚护板包括底板和侧板，都由石墨制成，铸锭坩埚放置在坩埚护板的底板上，底板的四周布置侧板，把铸锭坩埚包围在内，整套护板放置在坩埚的底座的上平面部分上，底座也是由石墨制成，这种护板和底座的底部传热能力不强，并且底座和护板之间容易发生位移，造成坩埚位置偏移，更近一步削弱了底部的传热。

本发明提供一种铸锭装置，包括铸锭坩埚、坩埚护板5和底座6，坩埚护板包括底板51和侧板，所述底座包括上平面部分61，其特征在于：所述铸锭坩埚为如前文所述的各个实施例和优选实施方式所述的任意一种铸锭坩埚，所述坩埚护板5的底板51和底座6的上平面部分61都是同一种金属材料钨或者钼制成，并且通过焊接或整体铸造的方式连接在一起。

选用金属钼或者钨不仅因为钼和钨的耐热性和高温下不挥发性和抗氧化性，而且钨和钼的导热性能都强于石墨，因此选用金属钼或者钨加强了坩埚底部的热传导。为了保证铸锭环境不受污染，作为制造材料的钨或者钼的质量百分比要求在99.99%以上，以杜绝杂质在高温条件下气化或挥发污染铸锭。使用焊接或者整体铸造的方式将底座的上平面部分61和坩埚护板的底板51连接在一起，使得护板底板到底座的传热方式加强，有利于加强坩埚散热时垂直方向的热传递，该结构也彻底解决了使用时由于外界因素使护板相对底座的位移导致坩埚底部热量散发不畅的问题。使用整体铸造的方式，工序简单，传热效果也更好。

本发明对坩埚的隔热性能做了提升，在铸锭开始阶段对硅料的加热熔化过程中，加热器位于坩埚的侧面和顶面，由于硅料的熔化温度高达1500度，因此为了保证硅料的熔化，人们不易于想到增强坩埚的隔热性能，而实际使用过程中，加热器位于坩埚的上半部分位置，与顶部的加热器配合，热量从硅料上部往下部传递，使硅料逐渐熔化，因此本发明对坩埚的隔热性能的加强限于坩埚的下半部分，并且适当增加了加热时间，既不会影响加热过程中坩埚硅料的熔化，在硅料冷却长晶过程中，也利于形成更佳的温度梯度分布。并实际取得了提高良率的效果。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。 

Claims (6)

1.一种铸锭坩埚，包括侧壁（3）和底部（4），其特征在于：所述侧壁（3）分上部（31）和下部（32），下部（32）的隔热性能强于上部；

所述侧壁下部（32）外表面与垂直方向的角度为3度-15度。

2.如权利要求1所述铸锭坩埚，其特征在于：所述侧壁（3）的下部（32）与上部（31）的制作材料不同，制作下部（32）的材料的隔热系数大于制作上部（31）的材料的隔热系数。

3.如权利要求2所述的铸锭坩埚，其特征在于：制作所述侧壁（3）的上部（31）的材料为石英，制作所述侧壁（3）的下部（32）的材料为氧化锌、氧化锆或者碳化硅。

4.如权利要求1所述铸锭坩埚，其特征在于：所述侧壁（3）下部（32）的高度与铸锭的高度相等。

5.如权利要求1所述铸锭坩埚，其特征在于：所述侧壁（3）的上部（31）和下部（32）的高度比为1:1。

6.一种铸锭装置，包括铸锭坩埚、坩埚护板（5）和底座（6），坩埚护板（5）包括底板（51）和侧板，所述底座（6）包括上平面部分（61），其特征在于：所述铸锭坩埚为如权利要求1-5任意一项所述的铸锭坩埚，所述坩埚护板（5）的底板（51）和底座（6）的上平面部分（61）都是同一种金属材料钨或者钼制成，并且通过焊接或整体铸造的方式连接在一起。