一种多晶硅铸锭用坩埚的制作方法

本实用新型涉及一种太阳能多晶硅铸锭设备，特别涉及一种多晶硅铸锭用坩埚。

背景技术：

近年来，多晶硅片的成本在不断降低，整个太阳能行业的竞争也越来越激烈。在这个大环境下，对铸锭环节的要求也越来越高，而对于多晶硅铸锭而言，寻找降低成本、提高光电转换效率的引晶方法以及如何降低多晶硅铸锭中粘埚、裂锭等不良现象是最先需要解决的问题。

为了能够获得更好的引晶效果以及有效的减少底部粘埚现象、降低杂质元素引入量来保证更高的太阳能光电转换效率，如何使底部引晶涂层更均匀、更紧密是国内外众多专家更关心的一个问题。

粘埚是指在铸锭过程中硅锭与坩埚直接接触，坩埚中的氧及其他杂质进入到硅锭中，使得硅锭降低，光电转换效率在一定程度上也大幅降低。同时，粘埚轻则会使坩埚粘附在硅锭上，影响回收料后段的处理；重则会使硅锭掉角甚至开裂。底部粘埚尤为重要，即使轻微粘锅，也极易产生裂纹甚至使整个硅锭破裂，严重影响硅料利用率。

为了解决上述技术问题，现有技术公开具有防粘埚涂层的石英坩埚，即，依次涂覆在石英坩埚本体内壁的碳化硅涂层与氮化硅涂层。该石英坩埚一定程度上阻止了坩埚杂质对硅锭的污染，又具有良好的脱模作用，但其仍存在引晶涂层不均匀，制备得到各向异性硅锭，使得电池片光电转换效率低的不足。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种有效提高硅料利用率，减少杂质元素的引入，进而提高电池光转换效率的多晶硅铸锭用坩埚。

本实用新型提供的一种多晶硅铸锭用坩埚，包括坩埚本体，其中，坩埚本体的内表面设有第一粘结层，所述第一粘结层的表面设有碳化硅层，所述碳化硅层的表面设有第一氮化硅层，所述第一氮化硅层的表面设有第二粘结层，所述第二粘结层的表面设有硅层，所述硅层的表面设有第二氮化硅层。

优选的，碳化硅层的厚度为500μm-600μm。

优选的，硅层的厚度为100μm-300μm。

优选的，第一氮化硅层的厚度为40μm-60μm。

优选的，第二氮化硅层的厚度为40μm-60μm。

优选的，第一粘结层的厚度为1μm-2μm。

优选的，第二粘结层的厚度为1μm-2μm。

优选的，第一氮化硅层中颗粒的平均粒径为3~4μm；所述第二氮化硅层中颗粒的平均粒径为3~4μm。

优选的，硅层中颗粒的平均粒径为150μm-158μm；所述碳化硅层中颗粒的平均粒径为520μm-525μm。

优选的，碳化硅层中颗粒的平均粒径大于所述硅层中颗粒的平均粒径；所述硅层中颗粒的平均粒径大于所述第一氮化硅层中颗粒的平均粒径。

优选的，坩埚本体的内底设有第一粘结层。

本申请中坩埚本体内表面上的第一粘结层、碳化硅层、第一氮化硅层、第二粘结层、硅层和第二氮化硅层共同构成引晶涂层。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

（1）本实用新型在坩埚本体内表面引晶涂层中采用同质形核和异质形核结合两种引晶方式叠加引晶；氮化硅颗粒、碳化硅颗粒和硅颗粒采用不同颗粒大小的错落堆叠，使底部涂层引晶颗粒铺设更均匀。

（2）采用本实用新型提供的坩埚制备获得的硅料利用率高，说明坩埚本体内表面引晶涂层纯度高：通过引晶涂层种各原料的合理搭配，制备的引晶涂层具有耐高温且化学性能稳定，不向硅锭中扩散杂质，即降低了粘锅率。

（3）本实用新型提供的坩埚本体内表面上的引晶涂层附着力强，可抵抗硅液对引晶涂层的不断冲刷，防止碳化硅、氮化硅和硅颗粒脱离坩埚本体。

本实用新型提供的坩埚本体内表面上的引晶涂层无需重复喷涂。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

附图说明：

1、坩埚本体，2、第一粘结层，3、碳化硅层，4、第一氮化硅层，5、第二粘结层，6、硅层，7、第二氮化硅层。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“横向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步描述。

如图1所示，本实用新型提供了一种多晶硅铸锭用坩埚，在坩埚本体1的内表面设有引晶涂层，所述引晶涂层包括依次叠置的第一粘结层2、碳化硅层3、第一氮化硅层4、第二粘结层5、硅层6和第二氮化硅层7。其中，第一粘结层2铺设在坩埚本体1的内表面。

将第一粘结层2铺设在坩埚本体1和碳化硅层3之间，增强了碳化硅颗粒在坩埚本体内表面上的附着力，防止碳化硅颗粒从坩埚本体脱落，从而降低了粘埚率。同时，第一粘结层将坩埚本体1紧密包覆，进一步防止坩埚本体1中杂质向硅锭扩散，减少硅锭底部红区，提高了硅锭利用率。碳化硅层3与硅层6采用同质形核和异质形核结合两种引晶方式叠加引晶，使引晶效果更好；第一氮化硅层4、第二氮化硅层7两层氮化硅层（熔点高）可以保护引晶颗粒不被熔化，同时将硅熔体与坩埚底隔绝开来，起到防粘埚作用。优选的，坩埚本体1的内表面设有的引晶涂层的厚度为680μm-800μm。其中，碳化硅层的厚度为550μm-600μm，所述硅层的厚度为100μm-300μm；进一步优选碳化硅层的厚度为580μm-590μm，所述硅层的厚度为150μm-200μm。为了控制底部形核，获得均匀的晶粒，厚度过厚会造成原材料浪费，同时由于厚度过厚，碳化硅层、硅层与坩埚的粘附效果会变差，容易脱落，给硅锭中引入杂质；厚度过薄，引晶效果不明显，达不到提高光电转化效率的效果。

优选的，第一氮化硅层的厚度为40μm-60μm，所述第二氮化硅层的厚度为40μm-60μm；进一步优选第一氮化硅层的厚度为50μm-55μm，所述第二氮化硅层的厚度为50μm-55μm。为了有效降低粘埚率，提高硅锭的成品率，氮化硅层厚度过厚容易被硅液侵蚀掉，使得氮化硅层提前脱落，给硅锭中带来杂质；氮化硅层厚度过薄起不到隔绝硅液与坩埚的效果，易使硅液与坩埚直接接触，造成粘埚。

优选的，第一粘结层的厚度为1μm-2μm，所述第二粘结层的厚度为1μm-2μm；进一步优选第一粘结层的厚度为1.5μm-2μm，所述第二粘结层的厚度为1.5μm-2μm。为了保证引晶颗粒粘附在坩埚上的紧密度，粘结层厚度过厚，易将碳化硅颗粒及硅颗粒覆盖，使二者达不到引晶效果，粘结层厚度过薄，不能将碳化硅颗粒及硅颗粒粘附牢固，使二者在铸锭过程中提前脱落，成为硅锭中的杂质。

优选的，碳化硅层中颗粒的平均粒径大于所述硅层中颗粒的平均粒径；硅层中颗粒的平均粒径大于所述第一氮化硅层和/或第二氮化硅层中颗粒的平均粒径。碳化硅层、硅层和氮化硅层中的颗粒粒径大小不一，使引晶涂层铺设更均匀，增强了引晶效果，降低粘锅率，从而获得高的光电转换效率。

优选的，第一氮化硅层中颗粒的平均粒径为3~4μm；所述第二氮化硅层中颗粒的平均粒径为3~4μm。为了进一步防止粘埚，氮化硅层中的氮化硅颗粒粒径越小越好粒径小喷涂时不易堵枪，也更容易包覆碳化硅颗粒及硅颗粒，防止硅液与坩埚接触。

优选的，硅层中颗粒的平均粒径为150μm-158μm；所述碳化硅层中颗粒的平均粒径为520μm-525μm，碳化硅层中的碳化硅颗粒为一级碳化硅，纯度需在99%以上。硅层中的硅颗粒与碳化硅颗粒粒径大小不同 ，使引晶颗粒铺设均匀，增强引晶效果。硅层中颗粒的粒径过大不易被氮化硅层完全包裹，使得硅液通过未被氮化硅层包裹的缝隙渗透到坩埚表面，造成粘埚；过小硅颗粒易被熔化，达不到引晶的目的；碳化硅层中颗粒的粒径过大在引晶过程中使得晶界过大，从而使应力过大，容易造成裂锭。粒径过小，则引晶效果不明显。

优选的，以引晶涂层的总质量为基准，第一粘结层的含量为4~4.5wt%，碳化硅层的含量为7~8wt%，第一氮化硅层的含量为37.5~38.5wt%，第二粘结层的含量为4~4.5%，硅层的含量为6.5~8wt%，第二氮化硅层的含量为37.5~38.5wt%。

上述引晶涂层的原料配方合理，能保证引晶涂层中的致密性及均匀性，可有效提高硅料利用率，降低底部粘埚率，减少杂质元素的引入，进而提高电池的光转换效率。

优选的，第一氮化硅层包括氮化硅颗粒、无机硅溶胶和去离子水的混合物，具体的，氮化硅颗粒、无机硅溶胶和去离子水的质量比为10~10.5：6~6.5：22.5~23。

优选的，硅层包括硅颗粒、粘结剂和去离子水的混合物，具体的，硅颗粒、粘结剂和去离子水的质量比为3~5：3~3.5：2.5~4。所述粘结剂选自三氧化二硼、二氧化硅、磷酸铝中的一种或几种；所述硅颗粒要求纯度在99.9999%以上。

优选的，第二氮化硅层包括氮化硅颗粒、无机硅溶胶和去离子水的混合物，具体的，氮化硅颗粒、无机硅溶胶和去离子水的质量比为10~10.5：6~6.5：22.5~23。

优选的，铺设于坩埚本体的内底。根据长晶过程原理合理设置引晶涂层，一方面降低了粘锅率，另一方面，引晶涂层的用量减少，降低了成本。

本实用新型中的“铺设”可以为刷涂、喷涂、旋涂、打印、印刷等本领域常见技术手段。

本实用新型还提供一种硅柱，其中，该硅柱为采用上述多晶硅铸锭用坩埚制备的硅柱。硅柱的制备工艺为本领域常用技术手段，在此不再赘述。

本实用新型还提供一种硅片，其中，由上述硅柱制得的硅片。硅柱制备硅片工艺为本领域常用技术手段，在此不再赘述。

本实用新型还提供一种太阳能电池，其中，包括上述硅片。采用上述硅片制备太阳能电池的工艺为本领域常用技术手段，在此不再赘述。

实施例1

本实施例以多晶硅铸锭为对象，此坩埚底部涂层由以下重量的原料制成：碳化硅颗粒200g、粘结剂500g、硅颗粒200g、氮化硅粉1500g、无机硅溶胶900g、去离子水4200g。

上述多晶硅铸锭用的底部引晶涂层可通过如下方法制备获得：

（1）按上述重量称重后将去离子水与250g粘结剂充分混合均匀，刷涂在坩埚底部使第一粘结层厚度在1.5μm-2μm，然后均匀撒上碳化硅颗粒，使碳化硅层厚度在520-525μm；

（2）在空气和氮气的混合反应气氛中将坩埚底部涂层烘干。烘干温度为20℃，烘干时间为30min；

（3）将750g氮化硅粉、450g无机硅溶胶及2100g去离子水充分搅拌后刷涂于碳化硅上层使第一氮化硅层厚度在3μm-4μm；

（4）在空气和氮气的混合反应气氛中将坩埚底部涂层烘干。烘干温度为20℃，烘干时间为30min；

（5）称取去离子水及250g粘结剂充分搅拌均匀，喷涂于氮化硅涂层，使第二粘结层厚度在1.5μm-2μm并均匀撒上200g硅颗粒，使硅层厚度在150μm-158μm。

（6）在空气和氮气的混合反应气氛中将坩埚底部涂层烘干。烘干温度为20℃，烘干时间为30min；

（7）将剩余的750g氮化硅粉、450g无机硅溶胶及2100g去离子水充分搅拌后喷涂于硅颗粒上层，使第二氮化硅层厚度在3μm-4μm；

（8）在空气中将坩埚进行烘干、预烧、烧结、保温和降温。烘干时间为30min，烘干温度为20℃；预烧的温度为100℃，预烧时间为100min；烧结时的温度为300℃，烧结的时间为120min；保温时的温度为300℃，保温时间为20min；降温至20℃，降温时间为120min。

实施例2

按照实施例1的方法和温度进行实施例2，不同的是碳化硅颗粒用量增加为250g碳化硅层厚度在550-580μm，硅颗粒用量增加至250g硅层厚度在170μm-200μm。

实施例3

按照实施例1的方法和温度进行实施例3，不同的是碳化硅用量增加至300g碳化硅层厚度在590-600μm，硅颗粒用量增加至300g硅层厚度在220μm-240μm。

对比例1

该对比例为行业内公知方法。

仅为将碳化硅颗粒粘附于坩埚上。采用氮化硅粉、硅溶胶及去离子水混合后喷涂于其表面。

测试方法

采用本实用新型提供的多晶硅铸锭用坩埚制备硅锭，对硅锭开方后得到的硅柱进行少子寿命测试和红外探伤测试。

（1）硅柱少子寿命测试

使用semilab WT-2000少子寿命测试仪，对100块硅柱进行少子寿命测试，并求取平均值，得到100块硅柱的平均少子寿命为5.75μs。

（2）硅料利用率测试

使用semilab IRB-50红外探伤测试仪对硅柱进行硬质点测试。

可切片重量是指，可用于切片的硅锭的重量（即，去除硬质点的硅锭的重量）；装料重量是指，制备硅锭的原料重量。

硅料利用率=可切片重量/装料重量

（3）电池片的光转化效率测试

采用硅柱制备硅片，由硅片制备得到的太阳能电池片。使用halm测试机对10万片电池片进行光转化效率测试，求取平均值，得到10万片电池片的平均光转化效率为18.71%。

表1

经测试，如表1所示，硅料利用率直接反应坩埚的引晶效果，硅料利用率在72.00%以上，说明本申请提供的坩埚粘埚率低；可切片重量高，硅锭中的硬质点少，说明引晶涂层可有效阻止坩埚中杂质向硅锭扩散。硅柱的平均少子寿命在5.7μs以上，电池片的光电转换效率提高至18.68%以上，说明本申请提供的坩埚上的引晶涂层的致密性及均匀性，可有效提高硅料利用率，降低底部粘埚率，减少杂质元素的引入，进而提高电池的光转换效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。