CN107699946A

CN107699946A - 一种多晶铸锭用功能性g8石英坩埚及其制备方法

Info

Publication number: CN107699946A
Application number: CN201711160079.4A
Authority: CN
Inventors: 刘明权; 路景刚
Original assignee: Jiangsu High New Energy Developments Ltd
Current assignee: Jiangsu High New Energy Developments Ltd
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2018-02-16

Abstract

本发明是一种多晶铸锭用功能性G8石英坩埚，包括主体以及主体一端的底部，所述主体以及一端的底部为一体化成型结构，呈正方形结构，所述主体侧壁内上设置有高纯涂层，在所述高纯涂层中下段设有侧壁形核源层，在所述主体一端的底部涂有一层高效形核源层；本发明能够有效抑制了坩埚母体中的杂质扩散到过大内部，同时也能够减低整体位错，提升光电转换效率的目标。

Description

一种多晶铸锭用功能性G8石英坩埚及其制备方法

技术领域

本发明涉及多晶硅铸锭领域，具体地说是一种多晶铸锭用功能性G8石英坩埚及其制备方法。

背景技术

目前，多晶硅锭的制备方法主要是利用GT Solar提供的定向凝固系统进行制备，该方法通常包括加热、熔化、长晶、退火和冷却等步骤。在凝固长晶过程中，通过对顶部温度和侧边保温罩开度进行控制，使得熔融硅液在坩埚底部获得足够的过冷度凝固结晶。在多晶铸锭过程中使用的一个重要辅材，多晶铸锭用石英坩埚，由于普通坩埚底部呈现各向同性的特点，硅液在结晶初期形核不能得到有效控制，存在晶粒尺寸分布不均匀（从几十微米到十几厘米）、位错密度高的问题，大大影响了多晶硅片转换效率的提升；与此同时，由于多晶铸锭用坩埚自身的纯度较低一般纯度（仅3N~4N），导致在铸锭过程中有大量的杂质扩散到硅锭中形成杂质富集区（简称“黑边），造成硅片低效和漏电比例大幅提升，越来越难以满足市场对于高效硅片的需求；针对常规铸锭方式产生的多晶硅锭存在形核无法控制、硅锭内部错密度高、晶界多且无规则分布的问题，多晶技术人员基于控制形核的考虑推出了两种不同类型的多晶铸锭方式：其中一种为利用单晶引晶生长的原理、在坩埚底部铺设单晶板或块作为生长籽晶，控制形核形成类单晶硅片，其代表厂家如协鑫、凤凰光伏和昱辉等；另一种方式为在坩埚底部铺设碎硅料作为生长用籽晶，控制形核形成表面具有细小晶粒结构的高效多晶硅片，其典型产品如台湾中美矽晶的A4+硅片、赛维的M3硅片、协鑫的S2、S3硅片等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是普通铸锭形核控制难、黑边宽度宽、效率低，类单晶或高效多晶工艺控制难度高、制造成本高和用增大坩埚导致铸锭成本高的问题，本发明克服现有技术的缺点，提供一种多晶铸锭用功能性G8石英坩埚及其制备方法。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：提供一种多晶铸锭用功能性G8石英坩埚，包括主体以及主体一端的底部，主体以及一端的底部为一体化成型结构，呈正方形结构，主体侧壁内上设置有高纯涂层，在所述高纯涂层中下段设有侧壁形核源层，在所述主体一端的底部涂有一层高效形核源层；

该石英钳锅制备方法，具体包括以下步骤：

a、将99.99%以上纯度的熔融石英砂送至刚玉球作为磨球的球磨机中进行研磨；

b、将研磨好的浆料灌入浆料桶中陈化7天，后将不同粒径的高纯石英砂按比例加入到混料桶中，以350-400r/min的转速搅拌4-6h，确保浆料混合均匀；

c、然后将上述混合均匀的浆料由模框上部的加料口注入石膏模具中，该模具由模框和模芯两部分组成，通过浆料注入口将浆料注入到模框与模芯的间距中，接着将经过浸渍处理后的带有气孔的发泡材料铺在模芯顶部，利用石膏的吸水特性将浆料中的水分吸收干净，得到坩埚毛坯，在模框内部及模芯外表面需喷涂一层高纯石墨粉作为脱模剂；

d、将成型后的坯体在隧道窑中干燥 5-6h，控制干燥温度为50-60℃ ，制得具有一定强度的毛坯；

e、将干燥后的毛坯放入坩埚烧结隧道窑中进行最终烧结，整个烧结流程工艺时间在35-40h h之间，坩埚最高烧结温度为1060-1100℃；

f、将坩埚取出，进行打磨，然后清洗烘干；

g、在坩埚底部先刷涂一层粘结涂层，并在粘结涂层上表面植入高纯石英砂颗粒作为底部高效形核源层，并烘干；

h、在做好底部高效形核源层的G8坩埚侧壁，涂刷一层高纯石英浆料，作为杂质扩散阻隔层，其厚度大于1.8mm，并烘干；

i、在制备好高纯涂层的坩埚侧壁，由底向上20-30cm区域，利用高纯石英浆料作为粘结剂，刷涂后在表面植入高纯石英砂颗粒，作为侧壁形核源层。

本发明的进一步限定技术方案：

前述的步骤g中粘结涂层，其主要由石英浆料（固相含量≥90%，杂质含量＜10ppm）和高纯硅溶胶（固相含量≥30%，杂质含量＜1ppm）按照7:3-8:2比例混合而成，通过刷涂或者喷涂的方法刷涂在坩埚底部。

前述的步骤g中高纯石英砂颗粒的粒径在30-80目，金属含量≤5ppm，通过手工撒涂或者喷涂的方式将石英砂植在坩埚底部。

前述的步骤g中植入高纯石英砂颗粒后烘干，具体烘干条件为80~100℃，烘干时间在30~50min。

前述的步骤h中刷涂一层高纯石英浆料作为杂质阻隔层，高纯石英砂浆料是由石英砂与粘结剂按1：2-1：4的重量比混合、搅拌均匀后得得到，然后通过刷涂或喷涂的方式在坩埚四壁刷涂一层高纯涂层，而其中石英砂是由粒度在100~250目、纯度≥99.995%的单晶坩埚用高纯石英砂和粒度为300~500目、纯度≥99.99%的多晶坩埚用高纯石英砂以1：1~1：5的重量比混合均匀得制得，并且使用的单晶坩埚用高纯砂与多晶坩埚用高纯砂的金属离子总含量在20ppm以内。

前述的步骤h的烘干温度在100~200℃，烘干时间在20~30min。

前述的步骤i中高纯石英浆料作为粘结剂，具体是由目数在100~300目的多晶石英粉溶于硅溶胶与纯水的混合溶液中并搅拌均匀，混合后石英粉固相含量在50~60%之间，所述的硅溶胶与纯水的配比在1:1~1:3之间,利用刷涂的方式刷涂在高纯涂层上表面，然后将粒径在60~80目的高纯石英砂植入上述粘结涂层上，高效石英砂金属含量≤10ppm。

前述的该坩埚外径为1370-1375mm，内径为1320-1325，高度为540mm。

本发明的有益效果是：本发明结构简单，主体以及一端的底部为一体化成型结构，降低了制作成本，且整体都采用高纯度的熔融石英砂制成，具有良好的耐高温性，在高温使用过程中，热膨胀系数小，耐腐蚀，具有优良的化学稳定性；在制备时添加带有气孔的发泡材料，使得坩埚底部形成的孔洞大小均一，且分布均匀，从而能够使得本发明进行晶硅铸锭时，能够在底部均匀生产出小颗粒晶体，通过均匀的晶界限制位错，提高多晶硅铸锭的质量，同时也提升底部散热速率；

本发明在坩埚底部喷涂凹凸感显著的高纯石英砂颗粒作为形核源，通过合理的工艺控制形成晶粒均匀分布的高效多晶硅锭，并通过晶界的限位作用抑制了垂直方向的位错产生和增殖，并且由于高效形核源为刷涂在坩埚底部，在熔化硅料时，硅料完全熔化，相较半熔高效多晶硅料一次利用率大幅提升，由半熔高效的63%左右大幅提升到70%；

本发明在坩埚侧壁喷涂高纯石英浆料涂层，作为杂质扩展的隔离层，有效抑制了坩埚母体中的杂质扩散到过大内部，G8硅锭的晶砖黑边宽度由20mm左右大幅降低到2mm以内；

本发明在高纯石英浆料涂层表面，增加了具有显著凹凸感的石英砂形核源层，通过G8坩埚侧壁中下部的形核作用，抑制了侧边位错的产生和增殖，最终达到减低整体位错，提升光电转换效率的目标；

通过本发明制得的硅片光电转换效率相较普通硅片大幅提升，在电池工艺相同的情况下电池光电转换效率相较普通多晶硅片光电转换效率提升0.8%-1%，相较普通半熔高效多晶硅片效率提升0.1%-0.2%，平均光电转换效率达到19.6%-19.8%之间，低效漏电比例降低0.5%以上。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种多晶铸锭用功能性G8石英坩埚，该坩埚外径为1370mm，内径为1320mm，高度为540mm，其结构如图1所示，包括主体1以及主体一端的底部2，主体1以及一端的底部2为一体化成型结构，呈正方形结构，主体1侧壁内上设置有高纯涂层3，在高纯涂层3中下段设有侧壁形核源层4，在主体一端的底部涂有一层高效形核源层5；

该石英钳锅制备方法，具体包括以下步骤：

b、将研磨好的浆料灌入浆料桶中陈化7天，后将不同粒径的高纯石英砂按比例加入到混料桶中，以380r/min的转速搅拌5h，确保浆料混合均匀；

d、将成型后的坯体在隧道窑中干燥5.5h，控制干燥温度为54℃ ，制得具有一定强度的毛坯；

e、将干燥后的毛坯放入坩埚烧结隧道窑中进行最终烧结，整个烧结流程工艺时间在38h之间，坩埚最高烧结温度为1080℃；

f、将坩埚取出，进行打磨，然后清洗烘干；

g、在坩埚底部先刷涂一层粘结涂层，该粘结涂层主要由石英浆料（固相含量≥90%，杂质含量＜10ppm）和高纯硅溶胶（固相含量≥30%，杂质含量＜1ppm）按照7:3比例混合而成，并在粘结涂层上表面喷涂高纯石英砂颗粒作为底部高效形核源层，该高纯石英砂颗粒的粒径在50目，金属含量≤5ppm，并烘干，温度为90℃，烘干时间在40min；

h、在做好底部高效形核源层的G8坩埚侧壁，涂刷一层高纯石英浆料，作为杂质扩散阻隔层，其厚度大于1.8mm，该高纯石英砂浆料是由石英砂与粘结剂按1：2的重量比混合、搅拌均匀后得得到，而其中石英砂是由粒度在200目、纯度≥99.995%的单晶坩埚用高纯石英砂和粒度为400目、纯度≥99.99%的多晶坩埚用高纯石英砂以1：3的重量比混合均匀得制得，并且使用的单晶坩埚用高纯砂与多晶坩埚用高纯砂的金属离子总含量在20ppm以内，并烘干，烘干温度130℃，烘干时间在28min；

i、在制备好高纯涂层的坩埚侧壁，由底向上25cm区域，利用高纯石英浆料作为粘结剂，该粘结剂由目数在200目的多晶石英粉溶于硅溶胶与纯水的混合溶液中并搅拌均匀，混合后石英粉固相含量在55%，其中硅溶胶与纯水的配比在1:1.5之间，通过刷涂的方式刷涂在高纯涂层上表面，作为侧壁形核源层，然后将粒径在70目的高纯石英砂植入上述粘结涂层上，该高效石英砂金属含量≤10ppm。

实施例2

本实施例提供一种多晶铸锭用功能性G8石英坩埚，该坩埚外径为1375mm，内径为1325mm，高度为540mm，其结构如图1所示，包括主体1以及主体一端的底部2，主体1以及一端的底部2为一体化成型结构，呈正方形结构，主体1侧壁内上设置有高纯涂层3，在高纯涂层3中下段设有侧壁形核源层4，在主体一端的底部涂有一层高效形核源层5；

该石英钳锅制备方法，具体包括以下步骤：

b、将研磨好的浆料灌入浆料桶中陈化7天，后将不同粒径的高纯石英砂按比例加入到混料桶中，以400r/min的转速搅拌4.5h，确保浆料混合均匀；

d、将成型后的坯体在隧道窑中干燥6h，控制干燥温度为50℃ ，制得具有一定强度的毛坯；

e、将干燥后的毛坯放入坩埚烧结隧道窑中进行最终烧结，整个烧结流程工艺时间在35h之间，坩埚最高烧结温度为1090℃；

f、将坩埚取出，进行打磨，然后清洗烘干；

g、在坩埚底部先刷涂一层粘结涂层，该粘结涂层主要由石英浆料（固相含量≥93%，杂质含量＜8ppm）和高纯硅溶胶（固相含量≥33%，杂质含量＜0.8ppm）按照7.4:3.6比例混合而成，并在粘结涂层上表面喷涂高纯石英砂颗粒作为底部高效形核源层，该高纯石英砂颗粒的粒径在60目，金属含量≤4.8ppm，并烘干，温度为93℃，烘干时间在36min；

h、在做好底部高效形核源层的G8坩埚侧壁，涂刷一层高纯石英浆料，作为杂质扩散阻隔层，其厚度大于1.8mm，该高纯石英砂浆料是由石英砂与粘结剂按1：3的重量比混合、搅拌均匀后得得到，而其中石英砂是由粒度在220目、纯度≥99.999%的单晶坩埚用高纯石英砂和粒度为450目、纯度≥99.995%的多晶坩埚用高纯石英砂以1：2的重量比混合均匀得制得，并且使用的单晶坩埚用高纯砂与多晶坩埚用高纯砂的金属离子总含量在18ppm以内，并烘干，烘干温度150℃，烘干时间在25min；

i、在制备好高纯涂层的坩埚侧壁，由底向上28cm区域，利用高纯石英浆料作为粘结剂，该粘结剂由目数在200目的多晶石英粉溶于硅溶胶与纯水的混合溶液中并搅拌均匀，混合后石英粉固相含量在57%，其中硅溶胶与纯水的配比在1：2之间，通过刷涂的方式刷涂在高纯涂层上表面，作为侧壁形核源层，然后将粒径在80目的高纯石英砂植入上述粘结涂层上，该高效石英砂金属含量≤9.5ppm。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种多晶铸锭用功能性G8石英坩埚，包括主体（1）以及主体一端的底部（2），其特征在于：所述主体（1）以及一端的底部（2）为一体化成型结构，呈正方形结构，所述主体（1）侧壁内上设置有高纯涂层（3），在所述高纯涂层（3）中下段设有侧壁形核源层（4），在所述主体一端的底部涂有一层高效形核源层（5）；

该石英钳锅制备方法，具体包括以下步骤：

e、将干燥后的毛坯放入坩埚烧结隧道窑中进行最终烧结，整个烧结流程工艺时间在35-40h之间，坩埚最高烧结温度为1060-1100℃；

f、将坩埚取出，进行打磨，然后清洗烘干；

2.根据权利要求1所述的多晶铸锭用功能性G8石英坩埚，其特征在于：所述步骤g中粘结涂层，其主要由石英浆料（固相含量≥90%，杂质含量＜10ppm）和高纯硅溶胶（固相含量≥30%，杂质含量＜1ppm）按照7:3-8:2比例混合而成，通过刷涂或者喷涂的方法刷涂在坩埚底部。

3.根据权利要求1所述的多晶铸锭用功能性G8石英坩埚，其特征在于：所述步骤g中高纯石英砂颗粒的粒径在30-80目，金属含量≤5ppm，通过手工撒涂或者喷涂的方式将石英砂植在坩埚底部。

4.根据权利要求4所述的多晶铸锭用功能性G8石英坩埚，其特征在于：所述步骤g中植入高纯石英砂颗粒后烘干，具体烘干条件为80~100℃，烘干时间在30~50min。

5.根据权利要求1所述的多晶铸锭用功能性G8石英坩埚，其特征在于：所述步骤h中刷涂一层高纯石英浆料作为杂质阻隔层，高纯石英砂浆料是由石英砂与粘结剂按1：2-1：4的重量比混合、搅拌均匀后得得到，然后通过刷涂或喷涂的方式在坩埚四壁刷涂一层高纯涂层，而其中石英砂是由粒度在100~250目、纯度≥99.995%的单晶坩埚用高纯石英砂和粒度为300~500目、纯度≥99.99%的多晶坩埚用高纯石英砂以1：1~1：5的重量比混合均匀得制得，并且使用的单晶坩埚用高纯砂与多晶坩埚用高纯砂的金属离子总含量在20ppm以内。

6.根据权利要求1所述的多晶铸锭用功能性G8石英坩埚，其特征在于：所述步骤h的烘干温度在100~200℃，烘干时间在20~30min。

7.根据权利要求1所述的多晶铸锭用功能性G8石英坩埚，其特征在于：所述步骤i中高纯石英浆料作为粘结剂，具体是由目数在100~300目的多晶石英粉溶于硅溶胶与纯水的混合溶液中并搅拌均匀，混合后石英粉固相含量在50~60%之间，所述的硅溶胶与纯水的配比在1:1~1:3之间,利用刷涂的方式刷涂在高纯涂层上表面，然后将粒径在60~80目的高纯石英砂植入上述粘结涂层上，高效石英砂金属含量≤10ppm。

8.根据权利要求1所述的多晶铸锭用功能性G8石英坩埚，其特征在于：所述该坩埚外径为1370-1375mm，内径为1320-1325，高度为540mm。