一种全熔高效坩埚的制备方法、全熔高效坩埚和应用与流程

本发明涉及喷涂工艺技术领域，特别是涉及全熔高效坩埚的制备方法、全熔高效坩埚和应用。

背景技术：

在当前激烈竞争的光伏市场环境下，对高质量低成本光伏产品的需求越来越大，其中，全熔高效多晶相比于半熔高效多晶在成本方面具有较大优势。

现在行业内，用于制备全熔高效多晶的全熔高效坩埚通常采用较多的氮化硅使用量及大气压大流量模式的喷涂，以此增强氮化硅在硅颗粒或者高纯石英砂上的堆积效果，使得坩埚底部物理粗糙的提升，从而利用凹凸不平的表面形态造成的过冷度差异来形核。然而，现有采用上述方法实现的全熔高效坩埚喷涂涂层，一方面存在坩埚侧壁涂层表面粗糙，氮化硅蓬松易脱离，造成铸锭过程氮化硅杂质引入的缺点；另一方面存在坩埚底部喷涂氮化硅用量较大，涂层较厚，导致对温度要求更高，形核晶粒较大的缺点。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种全熔高效坩埚的制备方法、全熔高效坩埚和应用，该全熔高效坩埚的制备方法能够有效改善氮化硅层易脱离和坩埚对温度要求高，形核晶粒较大的缺点。

第一方面，本发明提供了一种全熔高效坩埚的制备方法，包括：

提供坩埚基体；将所述坩埚基体预热至70－90℃；

配置浆料，所述浆料包括氮化硅颗粒、硅溶胶和水，其中，所述氮化硅颗粒包括α相氮化硅晶粒和β相氮化硅晶粒，所述β相氮化硅晶粒的质量占所述氮化硅颗粒总质量的60％－90％，所述氮化硅颗粒、所述水和所述硅溶胶的质量比为(13－15)：(40－55)：(3－5)；

采用喷涂法将所述浆料喷涂至所述预热后的坩埚基体内壁表面以形成氮化硅层；所述坩埚基体内壁包括底部和侧壁，喷涂完成后，冷却至常温。

其中，所述β相氮化硅晶粒具有高强度、高弹性模量、低热膨胀率，以及优良的耐热性、电绝缘性、化学稳定性等特性。本发明优先比例的含α相氮化硅晶粒和β相氮化硅晶粒的氮化硅颗粒在形成的氮化硅层结构中颗粒与颗粒之间结合更加牢固、稳定，有利于提高氮化硅层的致密性。

可选地，所述水为去离子水。

可选地，所述喷涂过程中，通过喷枪进行喷涂；所述喷枪与所述坩埚基体的底部之间的距离保持在22－28cm，所述喷枪与所述坩埚基体的侧壁之间的距离保持在18－22cm。

可选地，所述浆料通过所述喷枪呈扇形喷射面喷出至所述坩埚基体上，所述扇形喷射面正投影在所述坩埚基体上的长度为20－28cm，宽度为5－8cm。

可选地，所述喷枪的移动速度为700－750mm/s，所述喷枪的喷涂流量为5g/s。

可选地，所述喷涂过程中的喷涂压力为0.2－0.3mpa。

可选地，所述全熔高效坩埚侧壁的所述氮化硅层的厚度为0.1－0.15mm，所述全熔高效坩埚底部的所述氮化硅层厚度为0.05－0.08mm。

可选地，所述全熔高效坩埚侧壁的所述氮化硅层的厚度大于所述底部的所述氮化硅层的厚度。

可选地，所述全熔高效坩埚侧壁的所述氮化硅层与所述底部的所述氮化硅层的厚度比为(1.2－2.3)：1

可选地，所述坩埚基体的底部设置有一石英砂层。

本发明第一方面所述的全熔高效坩埚的制备方法，该制备方法通过喷涂方式在坩埚基体内壁形成氮化硅层，得到全熔高效坩埚相比于传统坩埚，侧壁涂层表面更加致密，氮化硅层与坩埚基体结合更加紧密，避免氮化硅层的脱落；并且坩埚底部的氮化硅分布均匀，涂层厚度适中；在多晶硅铸锭过程中，具有形核晶粒小的优势，有利于提高多晶硅锭，特别是全熔高效多晶硅锭的质量，大大降低生产成本，提高生产效率。

第二方面，本发明提供了一种由本发明第一方面所述的全熔高效坩埚的制备方法制得的全熔高效坩埚。

可选地，所述全熔高效坩埚包括氮化硅层，所述全熔高效坩埚侧壁的所述氮化硅层的厚度为0.1－0.15mm，所述全熔高效坩埚底部的所述氮化硅层厚度为0.05－0.08mm。所述全熔高效坩埚侧壁的所述氮化硅层的厚度大于所述底部的所述氮化硅层的厚度。

本发明第二方面所述的全熔高效坩埚，通过利用本发明第一方面所述全熔高效坩埚的制备方法，该全熔高效坩埚在加热过程中热量分布均匀，全熔高效坩埚的底部传热效果好，石英砂层上均匀铺设有氮化硅层，侧壁的氮化硅层结构致密、牢固。所述全熔高效坩埚可以用于制备全熔高效多晶硅锭，相比于传统坩埚，本发明所述全熔高效坩埚的形核晶粒小、对温度要求较低，制备的高效多晶硅锭杂质比例低，转换效率明显提升。

第三方面，本发明提供了一种由本发明第一方面所述全熔高效坩埚的制备方法制得的全熔高效坩埚在光伏领域的应用。例如，太阳能电池、在多晶硅铸锭等方面，尤其是全熔高效多晶硅的制备。

本发明的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。

附图说明

为更清楚地阐述本发明的内容，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

图1为本发明一实施例提供的全熔高效坩埚的制备方法工艺流程图。

图2为本发明一实施例提供的全熔高效坩埚的底部显微成像图。

图3为本发明一实施例提供的坩埚的侧壁显微成像图，图3中(a)为常规全熔高效坩埚的侧壁显微成像图，图3中(b)为本发明的全熔高效坩埚的侧壁显微成像图。

图4为本发明一实施例提供的多晶硅锭尾部晶粒分布图，图4中(a)为常规全熔半熔高效多晶尾部晶粒分布图，图4中(b)为本发明的全熔高效坩埚的制备的全熔高效多晶尾部晶粒分布图。

具体实施方式

以下所述是本发明实施例的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实施例原理的前提下，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实施例的保护范围。

本申请说明书、权利要求书和附图中出现的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

若无特别说明，本发明实施例所采用的原料及其它化学试剂皆为市售商品。

如图1所示，本发明一实施例提供了一种全熔高效坩埚的制备方法，包括：

s10、提供坩埚基体；将所述坩埚基体预热至70℃－90℃；

s20、配置浆料，所述浆料包括氮化硅颗粒、硅溶胶和水，其中，所述氮化硅颗粒包括α相氮化硅晶粒和β相氮化硅晶粒，所述β相氮化硅晶粒的质量占所述氮化硅颗粒总质量的60％－90％，所述氮化硅颗粒、所述水和所述硅溶胶的质量比为(13－15)：(40－55)：(3－5)；

s30、采用喷涂法将所述浆料喷涂至所述预热后的坩埚基体内壁表面以形成氮化硅层；所述坩埚基体内壁包括底部和侧壁，喷涂完成后，冷却至常温。

可选地，所述s10中，所述坩埚基体在预热之前还可以进行前处理，包括进行清洁处理，使坩埚基体表面洁净。所述坩埚基体可以包括其他处理。本实施方式中，所述坩埚基体可以但不限于包括石英坩埚或石墨坩埚。本发明所述坩埚基体的底部设置有一石英砂层。所述石英砂层表面凹凸不平；所述石英砂层中的石英砂颗粒的粒径分布为50－60目。所述坩埚基体在整个喷涂过程中，温度一直维持在70－90℃之间。

可选地，所述坩埚基体的规格可以但不限于为包括现有g5－g8型的坩埚基体。例如，所述坩埚基体可以为g6(1040＊1040＊540mm)型的坩埚。

可选地，所述s20中，将所述氮化硅颗粒、硅溶胶和水混合均匀得到浆料。本实施方式中，所述β相氮化硅晶粒的质量占所述氮化硅颗粒总质量的60％－90％。例如，所述β相氮化硅晶粒的质量占所述氮化硅颗粒总质量的60％，或为65％，或为70％，或为75％，或为80％，或为85％，或为90％。所述β相氮化硅晶粒具有高强度、高弹性模量、低热膨胀率，以及优良的耐热性、电绝缘性、化学稳定性等特性。β相氮化硅晶粒比α相氮化硅晶粒在高温条件下硬度更大、稳定性更高。本实施方式中，通过使用β相氮化硅晶粒的质量占所述氮化硅颗粒总质量的60％以上的氮化硅颗粒，可以进一步增加整个氮化硅层的稳定性和耐热性。

可选地，所述氮化硅颗粒、所述水和所述硅溶胶的质量比还可以为(13－15)：(40－52)：(3－5)。例如，所述氮化硅颗粒、所述水和所述硅溶胶的质量比为14：50：4。

可选地，所述s30过程中，采用人工喷涂方式或机械化喷涂方式，通过喷枪进行喷涂。其中，所述浆料通过所述喷枪呈扇形喷射面喷出在所述坩埚基体上，所述扇形喷射面正投影至所述坩埚基体上的长度为20－28cm，宽度为5－8cm。可选地，所述喷枪与所述坩埚基体的底部之间的距离保持在22－28cm；所述喷枪与所述坩埚基体的侧壁之间的距离保持在18－22cm。本实施方式中，喷枪与坩埚基体的底部之间的距离大于喷枪与坩埚基体的侧壁之间的距离。例如，喷枪与坩埚基体的底部之间的距离为25cm；喷枪与坩埚基体的侧壁之间的距离为20cm。所述喷枪与坩埚基体的底部或侧壁之间的距离是指喷枪的喷嘴与坩埚基体的底部或侧壁之间的最短距离。在喷枪的喷涂压力和喷涂流量一定时，喷枪与坩埚基体的底部或侧壁之间的距离的不同得到的氮化硅层的厚度等参数会存在一定差别。

可选地，所述喷涂过程中的喷涂压力为0.2－0.3mpa。进一步地，可选地，所述喷涂过程中的喷涂压力为0.2－0.25mpa。例如，所述喷涂过程中的喷涂压力为0.2mpa，或为0.22mpa，或为0.25mpa，或为0.28mpa，或为0.3mpa。可选地，所述喷枪的喷涂流量为3－8g/s。进一步地，可选地，所述喷枪的喷涂流量为3－6g/s。例如，所述喷枪的喷涂流量为3g/s，或为4g/s，或为5g/s，或为6g/s，或为7g/s，或为8g/s。可选地，所述喷枪的移动速度为700－750mm/s。进一步地，可选地，所述喷枪的移动速度为700－730mm/s。例如，所述喷枪的移动速度为700mm/s，或为710mm/s，或为720mm/s，或为730mm/s，或为740mm/s，或为750mm/s。

在所述喷涂压力、喷涂流量、喷枪与坩埚基体的底部或侧壁之间的距离等喷涂工艺参数下，得到的氮化硅层的结构更加致密，且与坩埚基体的结合牢固，不易脱落。

本实施方式中，通过所述制备方法值得的全熔高效坩埚侧壁的氮化硅层的厚度为0.1－0.15mm，所述全熔高效坩埚底部的所述氮化硅层厚度为0.05－0.08mm。其中，所述全熔高效坩埚侧壁的所述氮化硅层的厚度大于所述底部的所述氮化硅层的厚度。例如，所述全熔高效坩埚侧壁的氮化硅层的厚度为0.12mm，所述全熔高效坩埚底部的所述氮化硅层厚度为0.06mm。本实施方式提供的制备方法制得的全熔高效坩埚的底部设有的石英砂层上均匀铺设有氮化硅层，且侧壁的氮化硅层结构致密、牢固。相比于传统全熔高效坩埚，本实施方式提供的制备方法值得的全熔高效坩埚的底部氮化硅层更薄，形核晶粒小、对温度要求较低。

可选地，针对不同的规格的坩埚基体，在所述坩埚基体的底部和侧壁的喷涂量会有不同。可选地，本实施方式中所述制备方法，g6型坩埚基体底部的喷涂量与g6型坩埚基体侧壁的喷涂量之比为(2－5)：(10－13)。例如，g6型坩埚基体底部的喷涂量与g6型坩埚基体侧壁的喷涂量之比为3：11。

实施例1

一种全熔高效坩埚的制备方法，包括：

提供g6型坩埚基体，该坩埚基体的底部设有凹凸不平的石英砂层；对坩埚基体预热至75℃；

将氮化硅700g、水2500g和硅溶胶200g混合均匀并配置成浆料，使用喷枪对配置好的浆料进行喷涂；设定喷枪的喷涂流量为5g/s，喷涂压力为0.2mpa，喷枪的移动速度为700－750mm/s；喷枪与坩埚基体侧壁之间的距离为20cm，喷枪与坩埚基体底部之间的距离为25cm，浆料通过喷枪呈扇形喷射面喷出至坩埚基体上，扇形喷射面正投影在坩埚基体上的长度为25cm，喷涂过程中，坩埚基体的维度恒定在75℃；

喷涂完成后，自然冷却至常温，得到g6型全熔高效坩埚。

将制备得到的全熔高效坩埚通过显微镜进行检测表征；如图2，本实施例制得的全熔高效坩埚的底部上的石英砂层的石英砂颗粒上均匀分布有氮化硅层。如图3所示，相比于图3中(a)所示的常规全熔高效坩埚的侧壁，图3中(b)所示的本发明全熔高效坩埚的侧壁更加致密，表面的粗糙度更小；本发明所述全熔高效坩埚的氮化硅层更牢固，不易出现脱落情形。

通过使用由本发明实施例所述制备方法制备的全熔高效坩埚，在正常高效铸锭工艺下，制得的全熔高效多晶尾部形核晶粒大小(图4中(b))与全熔半熔高效多晶(图4中(a))一致，并且高效多晶硅锭杂质比例为0.3％，较传统常规全熔高效坩埚制得的全熔高效多晶硅锭的杂质比例下降0.5％。通过进行全熔高效多晶硅锭的硅片的转换效率进行测定，由本发明全熔高效坩埚制得的全熔高效多晶硅锭的转换效率可以达到18.883％，而传统常规全熔高效坩埚制得的全熔高效多晶硅锭的转换效率为18.832％；由本发明全熔高效坩埚制得的全熔高效多晶硅锭的转换效率提升达到0.05％。

实施例2

一种全熔高效坩埚的制备方法，包括：

提供g6型坩埚基体，对坩埚基体预热至70℃；

将氮化硅700g、水2500g和硅溶胶200g混合均匀并配置成浆料，使用喷枪对配置好的浆料进行喷涂；设定喷枪的喷涂流量为5g/s，喷涂压力为0.25mpa，喷枪的移动速度为700－750mm/s；喷枪与坩埚基体侧壁之间的距离为20cm，喷枪与坩埚基体底部之间的距离为25cm，浆料通过喷枪呈扇形喷射面喷出至坩埚基体上，扇形喷射面正投影在坩埚基体上的长度为25cm，喷涂过程中，坩埚基体的维度恒定在70℃；坩埚基体底部的喷涂量与坩埚基体侧壁的喷涂量之比为1：5；

喷涂完成后，自然冷却至常温，得到g6型全熔高效坩埚。

实施例3

一种全熔高效坩埚的制备方法，包括：

提供g6型坩埚基体，对坩埚基体预热至90℃；

将氮化硅700g、水2500g和硅溶胶200g混合均匀并配置成浆料，使用喷枪对配置好的浆料进行喷涂；设定喷枪的喷涂流量为5.5g/s，喷涂压力为0.2mpa，喷枪的移动速度为700－750mm/s；喷枪与坩埚基体侧壁之间的距离为20cm，喷枪与坩埚基体底部之间的距离为25cm，浆料通过喷枪呈扇形喷射面喷出至坩埚基体上，扇形喷射面正投影在坩埚基体上的长度为25cm，喷涂过程中，坩埚基体的维度恒定在90℃；坩埚基体底部的喷涂量与坩埚基体侧壁的喷涂量之比为3：11.5；

喷涂完成后，自然冷却至常温，得到g6型全熔高效坩埚。

需要说明的是，根据上述说明书的揭示和阐述，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些等同修改和变更也应当在本发明的权利要求的保护范围之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。