CN104250850A - 一种石英坩埚、其制备方法及专用模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石英坩埚，包括敞口的坩埚本体，所述坩埚本体的内底面均匀设置有多个用于在多晶硅铸锭工艺中作为形核点的盲孔。本发明的石英坩埚，在石英坩埚的内底面上形成若干在多晶硅铸锭工艺中作为形核点的盲孔，通过热场与工艺的配合，控制长晶初期的过冷度，从而可以得到均匀的具有一定尺寸大小的小晶粒。本发明的石英坩埚制备成本低且形核点均匀、适宜。本发明还公开了制备石英坩埚的方法以及用于制备石英坩埚的专用模具。

Description

一种石英坩埚、其制备方法及专用模具

技术领域

本发明涉及用于多晶硅铸锭工艺中的坩埚设备，特别是一种石英坩埚。本发明还涉及该石英坩埚的制备方法以及用于制备该石英坩埚的专用模具。

背景技术

晶体硅太阳能电池是在晶体硅片的基材上，制作PN结等一系列工艺而成。晶体硅片是太阳能电池的基础材料。晶体硅片分为多晶硅片和单晶硅片，它们分别是由多晶硅锭晶体和单晶硅锭晶体切割而成。其中多晶硅锭晶体是由多晶铸锭炉进行铸造的，具体步骤是：首先将多晶硅原料装入内表面涂有脱模剂（氮化硅粉）的石英坩埚内，再置于多晶炉内，通过加热、熔化、长晶、退火和冷却一系列过程得到具有一定要求的多晶硅锭晶体。

现阶段，提高多晶硅电池的电池转换效率是行业内主要研发方向之一，多晶硅电池的基体材料是多晶硅片，多晶硅片内在质量对最终的电池转换效率有直接影响，提高多晶硅片的内在质量是提高电池转换效率的重要手段。多晶硅片的内在质量取决于其切割成型之前的多晶硅锭晶体的质量。早期的常规多晶硅铸锭方法，初始的形核是随机的、自由的，并不是优化的晶粒和晶向，而且不均匀性比较大，“短板”效应使整个硅片的效率拉低。多晶硅铸锭技术通过近几年的发展，已经取得了长足的进展。相对于最初的多晶硅铸锭，现在提高多晶锭内在质量的主要手段是通过控制晶体的初始形核、及后期的生长，来实现降低晶体位错密度、优化晶粒晶向的目的，从而实现做成的多晶硅电池效率有明显的提升。近期行业里面普遍采用多种方法以实现初始形核时形成均匀的小颗粒晶粒。虽然行业里各大公司都有自己的方法以实现均匀的小晶粒，但思路基本是一致的，在石英坩埚底部人为地制造具有一定尺寸与形状的形核点（过冷点），并通过热场与工艺的配合，控制长晶初期的过冷度，从而得到均匀的具有一定尺寸大小的小晶粒。

如上所述，人为地在石英坩埚底部制造形核点是各大公司重点关注事项，而如何低成本地制造均匀的、适宜的形核点也是一个难题。现阶段常用的做法是石英坩埚烧结后，用石英坩埚原浆或其他粘合剂把具有特定尺寸的高纯石英砂固定在坩埚底部，使石英砂成为形核点。控制石英砂的粒径就可以实现控制形核点的大小，但如何精确实现石英砂的均匀分布及密度控制仍然是个难题。

发明内容

鉴于现有技术存在的上述问题，本发明的一个目的在于提供一种具有均匀且适宜的形核点的石英坩埚。

为了实现上述目的，本发明提供的一种石英坩埚，包括具有一敞口端的坩埚本体，其中，所述坩埚本体内底面均匀设置有多个用于在多晶硅铸锭工艺中作为形核点的盲孔。

作为优选，所述石英坩埚的内底面为矩形，所述盲孔在所述石英坩埚的内底面上成矩阵排列。

作为优选，所述石英坩埚的内底面上设置有一石英砂层，所述盲孔形成于所述石英砂层上，所述石英砂层的厚度为0.5-5mm。

本发明的另一个目的是提供一种上述的石英坩埚的制备方法，其包括以下步骤：

1）制备常规石英坩埚作为基材；

2）在步骤1）制得的常规石英坩埚的内底面上均匀涂布石英砂原浆形成石英砂原浆涂层，涂覆厚度为0.5-5mm；所述石英砂原浆为微米级石英砂与水的混合溶液、纳米级硅溶胶或者两者的混合物；

3）快速将与所述石英坩埚的内底面形状相同的一模具扣置在所述石英砂原浆涂层上，所述模具与所述石英砂原浆涂层接触的一侧表面设有多个凸起，所述凸起压入所述石英砂原浆涂层；

4）待所述石英砂原浆涂层中的水分蒸发形成固体的石英砂涂层时，移去所述模具；

5）将步骤4）中具有土体石英砂涂层的石英坩埚移入烧结炉加热烘干，烧结温度为50-1000摄氏度，持续烧结时间为1小时以使固体石英砂涂层形成石英砂层。

作为优选，所述步骤3）中还包括在所述模具上设有所述凸起一侧均匀涂覆脱模剂的步骤。

作为优选，所述脱模剂为微米级的氮化硅粉末或者微米级的二氧化硅粉末。

作为优选，所述脱模剂的涂覆厚度为0.03-2mm。

本发明的再一目的是提供一种上述用于制备石英坩埚的制备方法的模具，包括一板状本体，所述板状本体的一侧表面设有多个凸起。

作为优选，所述凸起在所述板状本体上成矩阵排列。

作为优选，所述凸起的顶部截面面积小于底部截面面积。

本发明的一种石英坩埚，在石英坩埚内底面上形成若干在多晶硅铸锭工艺中作为形核点的盲孔，通过热场与工艺的配合，控制长晶初期的过冷度，从而可以得到均匀的具有一定尺寸大小的小晶粒。本发明的石英坩埚制备成本低且形核点均匀、适宜。

附图说明

图1为本发明的石英坩埚的立体结构示意图。

图2为本发明的石英坩埚的剖视图。

图3为图2中a部分的放大图。

图4为制备本发明的石英坩埚的模具的立体结构示意图。

图5为制备本发明的石英坩埚的模具的底部结构示意图。

图6为用模具制备本发明的石英坩埚的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构做进一步详细的说明。

如图1、图2和图3所示，本发明提供的一种石英坩埚，包括敞口的坩埚本体1，其中，所述坩埚本体1内底面均匀设置有多个用于在多晶硅铸锭工艺中作为形核点的盲孔12。盲孔12呈“小坑”状，可以作为多晶硅铸锭时的形核点。而且它的形态和分布可以通过专用模具精确控制。

太阳能电池的硅片一般为矩形，因此用于切割形成硅片的多晶硅锭晶体在铸锭时需要加工成截面为矩形的块状。用于多晶硅铸锭工艺的石英坩埚的内底面也设置为矩形，所述盲孔12优选在所述石英坩埚的内底面上成矩形排列。当以盲孔12作为初始形核，通过控制盲孔12的密度可以达到控制晶体的初始形核、及后期的生长的密度，来实现降低晶体位错密度、优化晶粒晶向的目的，从而实现做成的多晶硅电池效率有明显的提升。

为了便于加工，所述盲孔12可实际并不成型在所述石英坩埚上，如图2和图3所示。在加工时，可在传统的石英坩埚的内底面上设置一石英砂层11，而盲孔12实际成型在石英砂层11上。通常的，石英砂层的厚度为0.5-5mm，优选为1.5mm。实际加工时，所盲孔12一般加工成的截面为圆形或方形的形状。本文将在如下的石英坩埚的制备方法中予以详细介绍。

图4和图5示出了制备本发明的石英坩埚的专用模具，如图4和图5所示，该模具包括一板状本体2，所述板状本体2的一侧面设有多个凸起21。

如图5所示，为了能够使石英坩埚的底部表面的盲孔12分布均匀且密度可控，所述凸起21即需要在所述板状本体2上均匀排列，优选地，所述凸起21在所述板状本体2上成矩阵排列，以此可以对应在坩埚本体1的内底面形成矩阵排列的盲孔12，凸起21之间需要设置一定间距，尺寸通常为2-10mm，优选为3mm。凸起21的截面一般为圆形或者方形，以形成圆形或者方形的盲孔12，凸起21的高度为1-10mm，通常比石英砂层高1-5mm。

另外，在凸起21的截面为圆形或方形这样的规则形状下，凸起21的底部截面的半径或边长一般为1-10mm，优选为3mm；凸起21的顶部截面的半径或边长一般也为1-10mm，但优选为1.5mm。由此可以看出，在优选的技术方案中，所述凸起21形成的是顶部截面面积小于底部面积的大致呈“锥形”的形状。

再进一步地，在制备本发明的石英坩埚时，如图6所示，模具需要以设有凸起21的一侧面扣置在石英坩埚的内底面上，为了便于在盲孔12成型后方便将模具取出，如图4所示，所述板状本体2上与设有所述凸起21的表面相对的另一个侧面上设有把手22。

模具本身可以通过与制作石英坩埚的基本相同的制造方法制造，这样它具有一定空隙度，可以更好地吸附脱模剂。

以下对本发明中的石英坩埚的制备方法做详细的说明，其包括以下步骤：

1）首先按照常规的石英坩埚制备方法制备的石英坩埚作为本发明的石英坩埚的基材；

2）在步骤1）制得的常规石英坩埚的内底面上均匀涂布石英砂原浆形成石英砂原浆涂层，涂覆厚度为0.5-5mm，优选的为1.5mm；所述石英砂原浆为微米级石英砂与水的混合溶液、纳米级硅溶胶或者两者的混合物；

3）图6示出的为在步骤2）形成石英砂原浆涂层后，将模具快速扣置在所述石英坩埚的内底面的石英砂原浆涂层上的操作示意图，模具与所述石英砂原浆涂层接触的一侧表面设有多个凸起21，所述凸起21压入所述石英砂原浆涂层；为了脱模方便，在执行此操作前，优选可以在所述模具上设有凸起21的一侧均匀涂覆脱模剂的步骤，涂覆厚度一般为0.03-2mm。另外，对于脱模剂的选择，一般地所述脱模剂为微米级的氮化硅粉末或者微米级的二氧化硅粉末。

4）待所述石英砂原浆涂层中的水分蒸发形成固体的石英砂涂层时，移去所述模具，此时固体的石英砂涂层上已经形成有矩阵分布的盲孔12；

5）将步骤4）中具有土体石英砂涂层的石英坩埚移入烧结炉加热烘干，使固体石英砂涂层形成石英砂层。作为优选，所述步骤5）的烧结温度为50-1000摄氏度，优选温度为1000摄氏度，持续烧结时间为1小时。

当然，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种石英坩埚，包括敞口的坩埚本体，其特征在于，所述坩埚本体的内底面均匀设置有多个用于在多晶硅铸锭工艺中作为形核点的盲孔。

2.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚的内底面为矩形，所述盲孔在所述石英坩埚的内底面上成矩阵排列。

3.如权利要求2所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚的内底面上设置有一石英砂层，所述盲孔形成于所述石英砂层上，所述石英砂层的厚度为0.5-5mm。

4.一种石英坩埚的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）制备石英坩埚作为基材；

2）在步骤1）制得的石英坩埚的内底面上均匀涂布石英砂原浆形成石英砂原浆涂层，所述石英砂原浆涂层的涂覆厚度为0.5-5mm；所述石英砂原浆为微米级石英砂与水的混合溶液、纳米级硅溶胶或者两者的混合物；

3）快速将与所述石英坩埚的内底面形状相匹配的模具扣置在所述石英砂原浆涂层上，所述模具与所述石英砂原浆涂层接触的一侧面设有多个凸起，所述凸起压入所述石英砂原浆涂层；

4）待所述石英砂原浆涂层中的水分蒸发形成固体的石英砂涂层时，移去所述模具；

5）将步骤4）中具有固体石英砂涂层的石英坩埚移入烧结炉加热烘干，烧结温度为50-1000摄氏度，持续烧结时间为1小时以使固体石英砂涂层形成石英砂层。

5.如权利要求4所述的石英坩埚的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中还包括在所述模具上设有所述凸起一侧均匀涂覆脱模剂的步骤。

6.如权利要求5所述的石英坩埚的制备方法，其特征在于，所述脱模剂为微米级的氮化硅粉末或者微米级的二氧化硅粉末。

7.如权利要求5或6所述的石英坩埚的制备方法，其特征在于，所述脱模剂的涂覆厚度为0.03-2mm。

8.用于权利要求4所述的制备方法中的模具，其特征在于，包括一板状本体，所述板状本体的一侧面设有多个凸起。

9.如权利要求8所述的模具，其特征在于，所述凸起在所述板状本体上成矩阵排列。

10.如权利要求8所述的模具，其特征在于，所述凸起的顶部截面面积小于底部截面面积。