CN103774215A - 硅铸锭用坩埚及其涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种硅铸锭用坩埚及其涂层制备方法。所述坩埚包括坩埚本体以及覆盖在所述坩埚本体内表面上的由纯水、氮化硅粉体和铝微粉制成的含铝涂层。所述制备方法包括以下步骤：S1，量取一定量纯水，并将该纯水置于一超声水浴容器内的烧杯中，同时调整水浴温度为35℃至40℃；S2，称取一定量的氮化硅粉体和铝微粉并加入所述烧杯中，然后开启超声水浴容器进行搅拌；S3，待搅拌30分钟后将搅拌好的浆料喷涂至一坩埚本体的内表面上；S4，将喷涂完成的坩埚置于温度为200℃的烧结炉内进行烘干烧结。本发明含铝涂层中的铝原子填充在氮化硅粉体颗粒之间的缝隙内以增加涂层的密度，同时该铝原子还可吸杂，进而有效显著减少坩埚向硅锭中的杂质扩散量。

Description

硅铸锭用坩埚及其涂层制备方法
技术领域
本发明涉及一种坩埚，尤其涉及一种具有涂层结构的硅铸锭用坩埚及其涂层制备方法。
背景技术
太阳能发电是人类利用太阳能的重要手段，而太阳能电池则是实现光电转换的主要装置，太阳能电池的光电转换效率决定了太阳能源的利用转化率。近年来，世界太阳能电池的产量和装机容量每年都在以约30%的速度快速发展。2010年，全球累计装机容量为25.4GW，预计到2020年全球装机容量将达到278GW。
目前，太阳能电池的种类不断增多，其中晶体硅太阳能电池尤其是多晶硅太阳能电池以较低的成本和较高的转换效率，在未来一段时期内仍将占据主导地位。但是，相对于传统能源，多晶硅太阳能发电成本相对较高，市场化率相对较低。从目前全球形势及整个行业的发展来看，提高多晶硅太阳能电池的转换效率、降低光伏组件的发电成本是光伏产业的必然趋势。太阳能电池转换效率每提高1%，成本可降低7%。2011年末，市场上用多晶硅太阳能电池转换效率约为16.8％，2012年将达到17%。高效率光伏组件越来越受市场的青睐，低于17％的光伏组件将逐渐被市场淘汰。发展高功率光伏组件的关键在于提升太阳能电池的转换效率。
目前，提升太阳能电池效率的研究多集中在电池制作工艺的改良及高效电池结构的设计，前者如BSF技术，后者如三洋的HIT（Heterojunction with intrinsic Thinlayer结构，即在P型氢化非晶硅和n型氢化非晶硅与n型硅衬底之间增加一层非掺杂(本征)氢化非晶硅薄膜）结构电池，尽管可以制作出效率高出一般商用化产品的电池，但因制程过于复杂、成本过高，而难以大规模推广。如何以较低的成本制备出高效率的太阳能电池成为行业研究的热点。
除电池工艺因素外，多晶硅片的杂质含量过高是限制多晶硅电池转换效率的主要因素之一。多晶硅片内的杂质来源一方面是原料中的引入，另一方面是定向凝固过程中的引入，后者占主要地位。硅的定向凝固在1400℃以上的高温下进行，因坩埚的金属杂质含量是硅锭中金属杂质含量的上万倍，过大的浓度差和本身金属杂质的活性较高，大量的金属杂质会通过固态扩散的方式进入铸锭中，生产出的多晶硅片具有金属杂质高，少子寿命低等特点，使用此类硅片制作的太阳能电池性能严重恶化。传统的定向凝固工艺在铸锭石英坩埚内壁制备一层高纯氮化硅涂层，避免坩埚与硅锭的直接接触，利用氮化硅自扩散系数小的特点，减少坩埚中杂质向硅锭的扩散。但是传统涂层使用喷涂法制备属疏松涂层，其杂质隔离效果较差，与坩埚接触的区域依然有较大的程度的污染。如何改善涂层，避免坩埚的杂质向硅锭内扩散是获得高质量多晶硅片的关键技术之一。
因此，有必要提供一种改进的硅铸锭用坩埚及其涂层制备方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可显著减少坩埚向硅锭中的杂质扩散量的硅铸锭坩埚及其涂层制备方法。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种硅铸锭用坩埚，包括坩埚本体，所述坩埚还包括覆盖在所述坩埚本体内表面上的由纯水、氮化硅粉体和铝微粉制成的含铝涂层。
作为本发明的进一步改进，所述含铝涂层中所述铝微粉与氮化硅粉体的比例为1:8至1:15。
作为本发明的进一步改进，所述铝微粉的粒径为0.1um至0.3um。
作为本发明的进一步改进，所述氮化硅粉体的纯度大于99.9%。
作为本发明的进一步改进，所述铝微粉的纯度大于99.99%。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种硅铸锭用坩埚涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1，量取一定量纯水，并将该纯水置于一超声水浴容器内的烧杯中，同时调整水浴温度为35℃至40℃；
S2，称取一定量的氮化硅粉体和铝微粉并加入所述烧杯中，然后开启超声水浴容器进行搅拌；
S3，待搅拌30分钟后将搅拌好的浆料喷涂至一坩埚本体的内表面上；
S4，将喷涂完成的坩埚置于温度为200℃的烧结炉内进行烘干烧结。
作为本发明的进一步改进，所述S1步骤中的纯水的电阻率大于12MΩ·cm。
作为本发明的进一步改进，所述称取的铝微粉与氮化硅粉体的比例为1:8至1:15。
作为本发明的进一步改进，所述氮化硅粉体与S1步骤中量取的纯水的比例为1:4至1:5。
作为本发明的进一步改进，所述铝微粉的粒径为0.1um至0.3um。
作为本发明的进一步改进，所述氮化硅粉体的纯度大于99.9%，所述铝微粉的纯度大于99.99%。
本发明的有益效果是：本发明通过在现有的氮化硅内添加铝来代替目前广泛使用的单层氮化硅涂层工艺，使得铝微粉填充在氮化硅粉体颗粒之间的缝隙内，从而增加涂层的密度，进而增加杂质的隔离效果。另外，因铁在铝中的溶解度比在硅中的溶解度高1000倍，因此铝在铸造多晶硅中还起到吸杂的作用，使得坩埚本体或氮化硅中的铁优先溶解在添加的铝原子中，从而大大减少坩埚本体向坩埚内的硅锭中扩散的铁杂质，进而获得杂质含量较低的硅锭。此外，本发明坩埚的含铝涂层制备方法简单，且显著降低硅锭内的铁金属杂质含量，从而提升多晶硅电池的转换效率，进而可较快推广而为企业创造较大的利益。 
附图说明
图1是本发明硅铸锭用坩埚的结构示意图；
图2是本发明硅铸锭用坩埚涂层的制备方法的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、算法或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
请参照图1所示为本发明硅铸锭用坩埚的一具体实施方式。所述硅铸锭用坩埚包括坩埚本体1，以及覆盖在所述坩埚本体1内表面上的由纯水、氮化硅粉体21和铝微粉22制成的含铝涂层2。所述坩埚本体1设有底壁以及自底壁向上延伸的侧壁，所述含铝涂层2覆盖所述底壁和侧壁的内表面。其中所述铝微粉22的粒径为0.1um至0.3um。所述氮化硅粉体21的纯度大于99.9%。所述铝微粉22的纯度大于99.99%。所述含铝涂层2中所述铝微粉22与氮化硅粉体21的比例为1:8至1:15。所述坩埚内部装有铸锭硅料3。在本发明中，所述坩埚本体1为高纯石英坩埚。
请结合图1及图2所示，本发明硅铸锭用坩埚涂层（即所述含铝涂层2）的制备方法包括以下步骤：
S1，量取一定量纯水，并将该纯水置于一超声水浴容器内的烧杯中，同时调整水浴温度为35℃至40℃；其中所述纯水的电阻率大于12MΩ·cm；
S2，称取一定量的氮化硅粉体21和铝微粉22并加入所述烧杯中，然后开启超声水浴容器进行搅拌；其中，称取的铝微粉22与氮化硅粉体21的比例为1:8至1:15，所述氮化硅粉体21与步骤1中量取的纯水的比例为1:4至1:5，所述铝微粉的粒径为0.1um至0.3um；此外，所述氮化硅粉体的纯度大于99.9%，所述铝微粉的纯度大于99.99%；
S3，待搅拌30分钟后将搅拌好的浆料喷涂至一坩埚本体1的内表面上；
S4，将喷涂完成的坩埚置于温度为200℃的烧结炉内进行烘干烧结。
下面再结合具体实施例对上述含铝涂层2的制备方法进行进一步描述。
实施例一
首先，使用量筒量取电阻率大于12MΩ·cm的纯水2200ml，并将该纯水置于超声水浴容器内的烧杯中，同时调整水浴温度为35℃；其次，使用精度为0.01g的电子天平称取纯度在99.99%以上的超纯铝微粉45g和高纯氮化硅粉体500g，并将该铝微粉和氮化硅粉体缓慢加入上述烧杯中，然后开启超声水浴容器进行搅拌；然后，待搅拌30分钟后，使用喷涂的方法将搅拌好的氮化硅浆料喷涂至一坩埚本体的内表面上；最后将喷涂完成的坩埚放置入温度为200℃的烧结炉内，烘干表面的水分和吸附物，进而使得烧结完成后的坩埚本体内壁上生成用于铸锭多晶硅生产的涂层。
实施例二
首先，使用量筒量取电阻率大于12MΩ·cm的纯水2400ml，并将该纯水置于超声水浴容器内的烧杯中，同时调整水浴温度为35℃；其次，使用精度为0.01g的电子天平称取纯度在99.99%以上的超纯铝微粉60g和高纯氮化硅粉体500g，并将该铝微粉和氮化硅粉体缓慢加入上述烧杯中，然后开启超声水浴容器进行搅拌；然后，待搅拌30分钟后，使用喷涂的方法将搅拌好的氮化硅浆料喷涂至一坩埚本体的内表面上；最后将喷涂完成的坩埚放置入温度为200℃的烧结炉内，烘干表面的水分和吸附物，进而使得烧结完成后的坩埚本体内壁上生成用于铸锭多晶硅生产的涂层。
综上所述，本发明主要是通过在现有的氮化硅内添加铝来代替目前广泛使用的单层氮化硅涂层工艺，并且在本发明中，含有高纯铝微粉的氮化硅涂层，即所述含铝涂层2中，铝微粉22的粒径为氮化硅粉体21粒径的三分之一，可有效填充在氮化硅粉体21颗粒之间的缝隙内，起到填隙粒子的作用，从而增加涂层2的密度，进而增加杂质的隔离效果。另外，因铁在铝中的溶解度比在硅中的溶解度高1000倍，因此铝在铸造多晶硅中还起到吸杂的作用，使得坩埚本体或氮化硅中的铁优先溶解在添加的铝中，从而大大减少坩埚本体1向硅锭内扩散的铁杂质，进而获得杂质含量较低的硅锭。此外，本发明坩埚的含铝涂层2制备方法简单，不需引入其他设备，显著降低硅锭内的铁金属杂质含量，从而提升多晶硅电池的转换效率，进而可较快推广而为企业创造较大的利益。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种硅铸锭用坩埚，包括坩埚本体，其特征在于：所述坩埚还包括覆盖在所述坩埚本体内表面上的由纯水、氮化硅粉体和铝微粉制成的含铝涂层。
2.根据权利要求1所述的硅铸锭用坩埚，其特征在于：含铝涂层中所述铝微粉与氮化硅粉体的比例为1:8至1:15。
3.根据权利要求1所述的硅铸锭用坩埚，其特征在于：所述铝微粉的粒径为0.1um至0.3um。
4.根据权利要求1所述的硅铸锭用坩埚，其特征在于：所述氮化硅粉体的纯度大于99.9%。
5.根据权利要求1所述的硅铸锭用坩埚，其特征在于：所述铝微粉的纯度大于99.99%。
6.一种硅铸锭用坩埚涂层的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
S1，量取一定量纯水，并将该纯水置于一超声水浴容器内的烧杯中，同时调整水浴温度为35℃至40℃；
S2，称取一定量的氮化硅粉体和铝微粉并加入所述烧杯中，然后开启超声水浴容器进行搅拌；
S3，待搅拌30分钟后将搅拌好的浆料喷涂至一坩埚本体的内表面上；
S4，将喷涂完成的坩埚置于温度为200℃的烧结炉内进行烘干烧结。
7.根据权利要求6所述的硅铸锭用坩埚涂层的制备方法，其特征在于：所述S1步骤中的纯水的电阻率大于12MΩ·cm。
8.根据权利要求6所述的硅铸锭用坩埚涂层的制备方法，其特征在于：所述称取的铝微粉与氮化硅粉体的比例为1:8至1:15。
9.根据权利要求8所述的硅铸锭用坩埚涂层的制备方法，其特征在于：所述氮化硅粉体与S1步骤中量取的纯水的比例为1:4至1:5。
10.根据权利要求6所述的硅铸锭用坩埚涂层的制备方法，其特征在于：所述铝微粉的粒径为0.1um至0.3um。
11.根据权利要求6所述的硅铸锭用坩埚涂层的制备方法，其特征在于：所述氮化硅粉体的纯度大于99.9%，所述铝微粉的纯度大于99.99%。
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