一種多晶鑄錠用高效坩堝及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及多晶鑄錠領(lǐng)域，尤其涉及一種多晶鑄錠用高效坩堝及其制備方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004] 在晶體硅太陽能電池中，由于多晶硅制造工藝較簡(jiǎn)單，且其制造成本較單晶硅低， 因而多晶硅在整個(gè)光伏行業(yè)中占有80%份額。在多晶硅片制造過程中，多晶硅錠鑄造時(shí)需 使用坩堝作為容器。多晶鑄錠采用的是定向凝固的方法，將硅料裝入坩堝投爐后，通常包括 加熱、融化、長(zhǎng)晶、退火、冷卻等過程。硅料加熱融化為液態(tài)后，通過工藝控制使其從底部開 始形核長(zhǎng)晶從而鑄成多晶硅錠。
[0005] 目前的多晶鑄錠用坩堝內(nèi)底多為水平結(jié)構(gòu)，在硅晶體的形核過程中，熔融狀態(tài)的 硅料會(huì)在坩堝底部自發(fā)隨機(jī)形核并生長(zhǎng)，形成的晶核均勻性較差。在后期長(zhǎng)晶過程中容易 產(chǎn)生晶粒相互吞并和傾乳，形成較多的位錯(cuò)及其他缺陷。從而導(dǎo)致硅片晶粒分布不均勻，電 池片光電轉(zhuǎn)化效率普遍偏低，進(jìn)而影響了多晶硅電池片的制造成本和產(chǎn)品品質(zhì)。
[0006] 隨著光伏行業(yè)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)電池片的品質(zhì)要求也越來越嚴(yán)苛，高效率電池 片(光電轉(zhuǎn)換效率大于17.6%)的市場(chǎng)需求量也與日倶增。目前，高效多晶硅錠的生產(chǎn)主要 有兩種工藝。第一種是使用以石英砂為形核物質(zhì)的高效坩堝配合全熔鑄錠工藝，主要是通 過高效坩堝底部的石英砂顆粒制造出凹凸起伏的形貌，引導(dǎo)硅晶體在此基礎(chǔ)上誘導(dǎo)晶核優(yōu) 先生長(zhǎng)均，保證晶粒大小均勻，而不出現(xiàn)相互吞并和傾乳，從而減少后期長(zhǎng)晶過程中晶體缺 陷的形成，提高硅片制成電池片后的光電轉(zhuǎn)化效率。但是由于此種高效坩堝的形核物質(zhì)為 石英砂，與硅晶體的物理化學(xué)性能相差較大，所以此種工藝形核機(jī)理為異質(zhì)形核，形核的幾 率和質(zhì)量較低，使用此種工藝生產(chǎn)出的電池片光電轉(zhuǎn)化效率一般為17. 6-17. 8% ;第二種是 使用底部水平結(jié)構(gòu)的普通坩堝配合半熔鑄錠工藝，主要是通過控制多晶鑄錠環(huán)節(jié)加熱階段 的溫度，使底部硅料不完全熔化保留一定厚度的固態(tài)硅籽晶，在籽晶的基礎(chǔ)上誘導(dǎo)已經(jīng)熔 化的硅液優(yōu)先形核，提高多晶硅晶體的生長(zhǎng)質(zhì)量。由于硅籽晶與硅液為同種物質(zhì)，此種工藝 的形核機(jī)理為同質(zhì)形核，形核的的幾率和質(zhì)量較高，使用此種工藝生產(chǎn)出的電池片光電轉(zhuǎn) 換效率一般可達(dá)17. 8%以上。但是由于半熔工藝底部需要保留一定厚度的硅籽晶，對(duì)工藝 控制的精度要求較高，工藝推廣難度較大，而且生產(chǎn)出的多晶硅錠的利用率偏低，通常較全 熔工藝生產(chǎn)的硅錠利用率低5%左右，所以導(dǎo)致生產(chǎn)成本偏高。
[0007] 為了適應(yīng)市場(chǎng)的要求，如何制造出質(zhì)量更優(yōu)異成本更低廉的多晶硅錠對(duì)鑄錠用的 石英坩堝提出了更為嚴(yán)格的要求。
[0008]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種多晶鑄錠用高效坩堝及其制備方法，通過對(duì)坩堝底部 的特殊設(shè)計(jì)與處理，以同質(zhì)形核或近似同質(zhì)形核為機(jī)理引導(dǎo)硅晶體的均勻形核，并通過控 制鑄錠工藝，保證晶粒大小均勻且豎直生長(zhǎng)，而不出現(xiàn)相互吞并和傾乳，減少位錯(cuò)密度，從 而減少后期長(zhǎng)晶過程中晶體缺陷的形成，提高硅片制成電池片后的光電轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)，坩 堝底部無需保留固態(tài)籽晶，工藝實(shí)施難度較低，而且硅錠利用率可以提高5%左右，大幅度 降低了高效多晶電池片的生產(chǎn)成本。
[0010] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種多晶鑄錠用高效坩堝，包括常規(guī)的石英坩 堝，所述石英坩堝的內(nèi)側(cè)有氮化硅復(fù)合層，所述氮化硅復(fù)合層上方陣列鑲嵌有高純形核顆 粒。
[0011] 其中，所述高純形核顆粒的成分為粒徑為5-15_的單晶硅和多晶硅，其質(zhì)量份數(shù) 比為：1 _2:1-3。
[0012] 其中，所述高純形核顆粒間距為1-4_，高純形核顆粒的分布密度為4-100/cm2。
[0013] 其中，所述高純形核顆粒均勻地鑲嵌在氮化硅復(fù)合層中，上半部分裸露在氮化硅 復(fù)合層之上，上半部分高度為5-10mm。
[0014] 其中，所述氮化硅復(fù)合層的厚度為l-5mm;所述氮化硅復(fù)合層的組分質(zhì)量份數(shù)為： 10-20份的高純氮化硅顆粒、10-50份的高純水和10-20份的硅溶膠。
[0015] 其中，所述氮化硅復(fù)合層的組分還包括聚氨酯、羧基丁腈膠乳、聚對(duì)苯二甲酸丁二 醇酯、聚酰胺-酰亞胺、鄰苯二甲酸二丁酯和聚氧乙烯山梨醇酐單硬脂酸酯，所述氮化硅復(fù) 合層的組分質(zhì)量份數(shù)為：高純氮化硅顆粒10-20份、高純水10-50份、硅溶膠10-20份、聚氨 酯1-3份、羧基丁腈膠乳1-4份、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯3-5份、聚酰胺-酰亞胺4-6份、鄰 苯二甲酸二丁酯1-2份和聚氧乙烯山梨醇酐單硬脂酸酯1-2份。
[0016] 其中，所述高純氮化娃顆粒由20-30份粒徑小于20ym、30-50份粒徑位于 30-40ym之間、30-40份粒徑大于50ym的高純氮化娃顆粒混合而成。
[0017] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了所述的多晶鑄錠用新型免噴涂高效坩堝的制 備方法，其中，制備過程為： (1) 按照現(xiàn)有注凝成型工藝制作熔融石英坩堝； (2) 配制氮化硅復(fù)合層料漿：取高純氮化硅顆粒，加入0. 4-0. 45wt%的氫氟酸溶液中進(jìn) 行浸泡5-10小時(shí)，將浸泡后的高純氮化硅顆粒真空烘干，然后與其他組分按照配比混合， 加入相對(duì)于高純氮化硅顆粒〇. 01-0. 1倍量的分散劑，攪拌2-48小時(shí)，得到氮化硅復(fù)合層料 漿； (3) 將步驟（2)配制好的氮化硅復(fù)合層料漿通過噴涂、滾涂、刷涂或流延方式分別復(fù)合 在步驟（1)得到的石英坩堝內(nèi)底與內(nèi)側(cè)壁，形成氮化硅復(fù)合層； (4) 取高純形核顆粒，過800-2500目，使用噴涂方式將高純形核顆粒陣列鑲嵌在步驟 (3)得到的氮化硅復(fù)合層中，使高純形核顆粒下半部分均勻地鑲嵌在氮化硅復(fù)合層中，上半 部分裸露在氮化硅復(fù)合層之上，得到未干的高效坩堝； (5) 將經(jīng)過步驟（4)后得到的未干的高效坩堝，在200-600°C的條件下進(jìn)行燒結(jié)烘干， 得到高效坩堝。
[0018] 其中，所述步驟（2 )中，所述分散劑為有機(jī)分散劑。
[0019] 其中，所述步驟（2)中，所述分散劑為鄰二甲苯、乙二醇、戊二酸、三硬脂酸甘 油酯、氧化聚乙烯蠟和己烯基雙硬脂酰胺，其質(zhì)量份數(shù)比為：〇.l-o. 5:1-1. 5:0. 1-0.2 : 0. 1_0. 2:0. 1_0. 2 :0. 1_0. 4。
[0020] 本發(fā)明高效涂坩堝的形核機(jī)理由原來的以石英顆粒為形核物質(zhì)的異質(zhì)形核優(yōu)化 改進(jìn)為現(xiàn)有的以單晶硅、多晶硅為形核物質(zhì)的同質(zhì)形核或近似同質(zhì)形核，提高了晶核生長(zhǎng) 幾率和質(zhì)量，使用本發(fā)明配合全融工藝生產(chǎn)出的電池片轉(zhuǎn)換效率可提升到使用普通坩堝配 合半熔鑄錠工藝的水平以上，本發(fā)明有助于促進(jìn)多晶鑄錠技術(shù)由全熔工藝替代半熔工藝， 在提尚多晶娃徒品質(zhì)的基礎(chǔ)上，可以將多晶娃徒的利用率提尚5%左右，從而進(jìn)一步降低電 池片的生產(chǎn)成本。
[0021] 由于氮化硅復(fù)合層和石英坩堝基體的結(jié)合性極強(qiáng)，很好地解決了高效坩堝在生產(chǎn) 制作和使用過程中因熱應(yīng)力導(dǎo)致開裂和剝落的問題，基本杜絕了多晶鑄錠環(huán)節(jié)硅錠粘堝和 溢流現(xiàn)象，大大提高了多晶鑄錠的安全性。
[0022] 氮化硅復(fù)合層上的高純形核顆粒鑲嵌更加牢固，所用形核物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)與多 晶硅料相同或相近，利于鑄錠后坩堝的脫模，避免了因熱膨脹系數(shù)差距過大導(dǎo)致形核顆粒 進(jìn)入到硅錠中引發(fā)底部硅料報(bào)廢。
[0023] 鑄錠廠商使用本產(chǎn)品無需再進(jìn)行噴涂操作，可以直接裝載硅料投爐使用，使用更 加簡(jiǎn)便。
[0024] 本發(fā)明帶來的有益效果是：本發(fā)明高效坩堝的形核機(jī)理由原來的以石英顆粒為形 核物質(zhì)的異質(zhì)形核優(yōu)化改進(jìn)為現(xiàn)有的以硅顆粒、硅合金顆粒為形核物質(zhì)的同質(zhì)形核或近似 同質(zhì)形核，提高了晶核生長(zhǎng)幾率和質(zhì)量，使用本發(fā)明配合全融工藝生產(chǎn)出的電池片轉(zhuǎn)換效 率可提升到使用普通坩堝配合半熔鑄錠工藝的水平上來，本發(fā)明有助于促進(jìn)多晶鑄錠技術(shù) 由全熔工藝替代半熔工藝，在提高多晶硅錠品質(zhì)的基礎(chǔ)上，可以將多晶硅錠的利用率提高 5%左右，從而進(jìn)一步降低電池片的生產(chǎn)成本；由于氮化硅復(fù)合層和石英坩堝基體的結(jié)合性 極強(qiáng)，很好地解決了高效坩堝在生產(chǎn)制作和使用過程中因熱應(yīng)力導(dǎo)致開裂和剝落的問題， 基本杜絕了因氮化硅復(fù)合層和石英坩堝本體附合力不強(qiáng)導(dǎo)致的多晶鑄錠環(huán)節(jié)硅錠粘堝和 溢流現(xiàn)象，大大提高了多晶鑄錠的安全性；氮化硅復(fù)合層上的高純形核顆粒鑲嵌更加牢固， 所用形核物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)與多晶硅料相同或相近，利于鑄錠后坩堝的脫模，避免了因熱 膨脹系數(shù)差距過大導(dǎo)致形核顆粒進(jìn)入到硅錠中引發(fā)底部硅料報(bào)廢；再者，通過對(duì)氮化硅復(fù) 合層的材料組分配比，從而提高氮化硅復(fù)合層的強(qiáng)度以及延展性，穩(wěn)定性能更高；鑄錠廠商 使用本產(chǎn)品無需再進(jìn)行噴涂操作，可以直接裝載硅料投爐使用，使用更加簡(jiǎn)便。
[0025] 說明書附圖 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖； 視圖中標(biāo)記為：1、常規(guī)石英坩堝；2、氮化硅復(fù)合層；3、高純形核顆粒。
[0026]
【具體實(shí)施方式】
[0027] 通過以下幾個(gè)實(shí)施例進(jìn)行具體說明。
[0028] 實(shí)施例1 一種多晶鑄錠用高效坩堝，包括常規(guī)的石英坩堝1，石英坩堝1的內(nèi)側(cè)有氮化硅復(fù)合層 2,氮化硅復(fù)合層2上方陣列鑲嵌有高純形核顆粒3。其中，高純形核顆粒3的成分為粒徑 為5mm的單晶娃和多晶娃，其質(zhì)量份數(shù)比為：1:1。其中，高純形核顆粒3間距為1mm，高純形 核顆粒3的分布密度為4/cm2。其中，高純形核顆粒3均勻地鑲嵌在氮化硅復(fù)合層2中，上 半部分裸露在氮化硅復(fù)合層2之上，上半部分高度為5mm。其中，氮化硅復(fù)合層2的厚度為 1_ ;氮化硅復(fù)合層2的組分質(zhì)量份數(shù)為：10份的高純氮化硅顆粒、10份的高純水和10份的 娃溶膠。其中，高純氮化娃顆粒由20份粒徑15ym、30份粒徑位于35ym、30份粒徑60ym 的高純氮化硅顆?；旌隙?。
[0029] 制備過程為： (1) 按照現(xiàn)有注凝成型工藝制作熔融石英坩堝； (2) 配制氮化硅復(fù)合層料漿：取高純氮化硅顆粒，加入0. 4wt%的氫氟酸溶液中進(jìn)行浸 泡5小時(shí)，將浸泡后的高純氮化硅顆粒真空烘干，然后與其他組分按照配比混合，加入0. 1 份分散劑，其中，鄰二甲苯〇.