CN206204475U - 一种多晶硅铸锭用坩埚 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多晶硅铸锭用坩埚，坩埚的内壁上设有涂层结构，所述涂层结构从内到外包括至少2层氮化硅涂层，且各层氮化硅涂层层叠设置；内层氮化硅涂层的厚度为0.1~0.5 mm，其表面粗糙度为1~10微米；外层氮化硅涂层的厚度大于等于1 mm。本实用新型在坩埚的内壁上设有涂层结构，该涂层结构中，与坩埚内壁直接相接触的内层氮化硅涂层的致密性较大，可以有效地隔离氧杂质，同时在内层氮化硅涂层上设置外层氮化硅涂层，由于外层氮化硅涂层的厚度较大，可以防止硅液侵蚀坩埚，从而同时实现了防止硅液侵蚀坩埚和隔离氧杂质。

Description

一种多晶硅铸锭用坩埚

技术领域

本实用新型涉及一种多晶硅铸锭用坩埚，涉及多晶硅生产设备，属于太阳能光伏领域。

背景技术

太阳能发电是人类利用太阳能的重要手段，而太阳能电池是实现太阳能从光能转化成电能的主要装置，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。目前，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光电转换效率，在未来一段时期内仍将占据主导地位。

然而，相比于单晶硅电池，多晶硅太阳能电池的转换效率仍然偏低，晶界、位错及晶粒内的微缺陷等被认为是降低铸造多晶硅太阳电池转换效率的主要原因。研究发现，氧是铸造多晶硅中的主要杂质，对硅材料和器件的电学和机械性能均有影响，氧容易在晶界和位错处产生沉淀，并呈现不同的电学性能，直接降低了电池片的转换效率。因此，降低氧含量是多晶铸锭领域面临的重要课题之一。

现有技术中，在多晶硅铸锭的制备过程中，石英陶瓷坩埚是其必备的容器，硅料在坩埚内熔化、晶体生长、退火冷却，铸成多晶硅锭。目前，多晶铸锭主要采用在陶瓷石英坩埚内壁喷涂一层氮化硅涂层来阻挡硅液与坩埚反应，通过这种方式可以实现硅锭和坩埚脱离开来，防止硅液侵蚀坩埚。

然而，实际应用发现，上述氮化硅涂层比较疏松、杂质隔离效果较差，坩埚内的氧等杂质仍然较多的进入硅锭内，对硅锭性能产生影响。

因此，如何改善坩埚的氮化硅涂层，使其在防止硅液侵蚀坩埚的同时能起到更有效地隔离氧杂质，从而获得高质量多晶硅片，显然具有积极的现实意义。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种多晶硅铸锭用坩埚。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种多晶硅铸锭用坩埚，坩埚的内壁上设有涂层结构，所述涂层结构从内到外包括至少2层氮化硅涂层，且各层氮化硅涂层层叠设置；内层氮化硅涂层的厚度为0.1~0.5 mm，其表面粗糙度为1~10微米；外层氮化硅涂层的厚度大于等于1 mm。

上文中，坩埚的内壁是指位于坩埚容器内的底面以及四周侧面。

上文中，所述内层氮化硅涂层是指与坩埚内壁直接相接触的一层，外层氮化硅涂层是指设于内层氮化硅涂层上的一层。

所述涂层结构从内到外包括至少2层氮化硅涂层，即涂层结构最少为2层，也可以是3层或多层结构。

优选的，所述涂层结构从内到外包括2层氮化硅涂层。

优选的，所述内层氮化硅涂层的厚度为0.1~0.3 mm，其表面粗糙度为4~8微米。

进一步优选的，所述内层氮化硅涂层的厚度为0.1~0.2 mm，其表面粗糙度为4~6微米。

优选的，所述外层氮化硅涂层至少填补内层氮化硅涂层的空隙。由于坩埚本体与涂层的热膨胀系数不一样，内层涂层越致密，涂层开裂的几率就越大，外层氮化硅涂层能够弥补致密涂层可能的开裂对粘埚的影响，因此外层氮化硅涂层至少填补最内层氮化硅涂层的空隙。而致密涂层开裂只是概率问题，并不一定会发生，为了生产的稳定性，设置外层涂层会更好。

优选的，所述外层氮化硅涂层的厚度为1~2 mm。所述外层氮化硅涂层的表面粗糙度为30~40微米。

发明人发现：铸造多晶硅中的氧主要来源于石英坩埚，为隔绝石英坩埚与硅在高温下的化学反应，避免坩埚与硅锭的直接接触，因而在坩埚内壁上形成涂层结构，以有效地隔离氧杂质。上述技术方案中，如果仅仅是涂层厚度达到要求，不控制粗糙度的话，气孔率较高，对氧的阻挡程度严重下降。本实用新型正是通过同时控制涂层的厚度和表面粗糙度得到致密性高的坩埚涂层。

发明人研究发现：氮化硅涂层的致密性与粘结剂的使用量有一定关系，粘结剂使用量较多时，涂层的致密性、硬度较大。当然，粘结剂使用量大就意味着涂层中的二氧化硅含量高。内层涂层如果粘结剂较少时，涂层的致密性较差，但是粘结剂较多时，即涂层中的二氧化硅较多时，涂层的氧含量会增多，对氧含量有影响。因此此处对内层氮化硅涂层中二氧化硅的含量进行了限定，使其在致密性和氧含量之间达到平衡。

上述技术方案中，以质量计，所述内层氮化硅涂层中二氧化硅的含量为8~11%。所述外层氮化硅涂层中二氧化硅的含量为5~8%。

上文中，所述二氧化硅为纳米级的二氧化硅。

本实用新型的涂层结构可以采用如下制备方法，包括如下步骤：

（1）量取一定量的纯水（去离子水）；

（2）量取一定量的氮化硅粉体和一定量的粘结剂加入纯水中，然后开启超声并进行搅拌；

（3）将搅拌好的氮化硅浆料涂覆在室温下的坩埚本体内壁上，待氮化硅浆料完全干燥后形成致密氮化硅涂层（即为内层氮化硅涂层）；

（4）再量取一定量的纯水；

（5）再次量取一定量的氮化硅粉体和一定量的上述粘结剂加入纯水中，开启超声水浴容器进行搅拌；

（6）将搅拌好的氮化硅浆料涂至前述氮化硅涂层上；

（7）将喷涂完毕的坩埚烘干即可制成低氧铸锭坩埚。

本实用新型中，外层氮化硅涂层优选采用喷涂的方式，而内层氮化硅涂层采用辊涂、流延或刷涂的方式，这是因为使用喷涂与辊涂、流延、刷涂的得到的涂层致密性不一样；如果只考虑方法，涂层致密性由大到小的是：流延法>刷涂法>辊涂法。这里优选刷涂法。

上述技术方案中，超声的作用是为了防止氮化硅粉体团聚，搅拌是为了使体系更好地分散，防止发生沉降。

上述粘结剂优选自硅溶胶，也可选硅溶胶与聚乙烯醇（PVA）的混合液。

优选的，所述氮化硅的粒径为0.05~3微米。所述制备内层氮化硅涂层的浆料中的氮化硅粉、纯水、粘结剂的比例为（1.5~3）：（7~9）：1。所述喷涂的氮化硅涂层（即外层氮化硅涂层）的浆料中的氮化硅粉、纯水、粘结剂的比例为（2~3）：（7~9）：1。

由于上述技术方案运用，本实用新型具有下列优点：

1、本实用新型设计了一种多晶硅铸锭用坩埚，在坩埚的内壁上设有涂层结构，该涂层结构中，与坩埚内壁直接相接触的内层氮化硅涂层的致密性较大，可以有效地隔离氧杂质，同时在内层氮化硅涂层上设置外层氮化硅涂层，由于外层氮化硅涂层的厚度较大，可以防止硅液侵蚀坩埚，从而同时实现了防止硅液侵蚀坩埚和隔离氧杂质，可以获得高质量多晶硅片，显然具有积极的现实意义；

2、实验证明，应用本实用新型的坩埚之后，能够降低硅锭中氧含量20%~50%，取得了显著的效果；

3、本实用新型的制备效率高，适合大规模生产，适于推广应用。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的结构示意图。

图2是使用本实用新型之后的多晶硅锭表面的白斑情况图。

图3是使用对比例一的普通坩埚之后的多晶硅锭表面的白斑情况图。

其中：1、坩埚本体；2、内层氮化硅涂层；3、外层氮化硅涂层；4、铸锭硅料。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例一

参见附图1~2所示，一种多晶硅铸锭用坩埚，坩埚的内壁上设有涂层结构，所述涂层结构从内到外包括2层氮化硅涂层，且各层氮化硅涂层层叠设置；内层氮化硅涂层的厚度为0.1 mm，其表面粗糙度为6~8微米；外层氮化硅涂层的厚度为1 mm，其表面粗糙度为30~35微米。

以质量计，所述内层氮化硅涂层中二氧化硅的含量为8~11%。以质量计，所述外层氮化硅涂层中二氧化硅的含量为5~8%。

图1中，多晶硅铸锭用坩埚包括坩埚本体1、覆盖在所述坩埚内壁上的内层氮化硅涂层2和覆盖于内层氮化硅涂层上的外层氮化硅涂层3；所述坩埚内部用以放置铸锭硅料4以制造硅锭。

在本申请中，所述坩埚本体为高纯石英坩埚，并且所述坩埚本体设有底壁以及自底壁向上延伸的侧壁，所述致密的内层氮化硅涂层覆盖所述底壁和侧壁的内壁面上；其中所述氮化硅粉体的纯度大于99.9%，粒径为0.05~3微米。所述制备内层氮化硅浆料中的氮化硅粉、纯水、粘结剂的比例为（1.5~3）：（7~9）：1。所述喷涂的氮化硅浆料中的氮化硅粉、纯水、粘结剂的比例为（2~3）：（7~9）：1。

上述涂层结构可以采用如下制备方法，包括如下步骤：

（1）量取一定量的纯水（去离子水）；

（2）量取一定量的氮化硅粉体和一定量的粘结剂加入纯水中，然后开启超声并进行搅拌；

（3）将搅拌好的氮化硅浆料涂覆在室温下的坩埚本体内壁上，待氮化硅浆料完全干燥后形成致密氮化硅涂层（即为内层氮化硅涂层）；

（4）再量取一定量的纯水；

（5）再次量取一定量的氮化硅粉体和一定量的上述粘结剂加入纯水中，开启超声水浴容器进行搅拌；

（6）将搅拌好的氮化硅浆料涂至前述氮化硅涂层上；

（7）将喷涂完毕的坩埚烘干即可制成低氧铸锭坩埚。

如附图2，铸锭使用本实施例的坩埚之后，硅锭侧面因氧含量高而导致的白斑明显降低，甚至消失。经过检测，使用此方法，硅锭中的氧含量可降低20%~40%左右。

对比例一

一种多晶硅铸锭用坩埚，坩埚的内壁上设有一层氮化硅涂层，该涂层是采用喷涂的方式制备的，其厚度为1 mm，其表面粗糙度为30~40微米。

铸锭使用本对比例的坩埚之后，硅锭侧面因氧含量高而导致的白斑非常明显，参见图3所示。

Claims (10)

1.一种多晶硅铸锭用坩埚，坩埚的内壁上设有涂层结构，其特征在于：所述涂层结构从内到外包括至少2层氮化硅涂层，且各层氮化硅涂层层叠设置；内层氮化硅涂层的厚度为0.1~0.5 mm，其表面粗糙度为1~10微米；外层氮化硅涂层的厚度大于等于1 mm。

2.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭用坩埚，其特征在于：所述涂层结构从内到外包括2层氮化硅涂层。

3.根据权利要求2所述的多晶硅铸锭用坩埚，其特征在于：所述外层氮化硅涂层至少填补内层氮化硅涂层的空隙。

4.根据权利要求1或2或3所述的多晶硅铸锭用坩埚，其特征在于：所述内层氮化硅涂层的厚度为0.1~0.3 mm，其表面粗糙度为4~8微米。

5.根据权利要求4所述的多晶硅铸锭用坩埚，其特征在于：所述内层氮化硅涂层的厚度为0.1~0.2 mm，其表面粗糙度为4~6微米。

6.根据权利要求1或2或3所述的多晶硅铸锭用坩埚，其特征在于：所述外层氮化硅涂层的厚度为1~2 mm。

7.根据权利要求1或2或3所述的多晶硅铸锭用坩埚，其特征在于：所述外层氮化硅涂层的表面粗糙度为20~50微米。

8.根据权利要求7所述的多晶硅铸锭用坩埚，其特征在于：所述外层氮化硅涂层的表面粗糙度为30~40微米。

9.根据权利要求1或2或3所述的多晶硅铸锭用坩埚，其特征在于：以质量计，所述内层氮化硅涂层中二氧化硅的含量为8~11%。

10.根据权利要求1或2或3所述的多晶硅铸锭用坩埚，其特征在于：以质量计，所述外层氮化硅涂层中二氧化硅的含量为5~8%。