一种多晶硅铸锭用坩埚及其制备方法
【专利摘要】本发明实施例提供了一种多晶硅铸锭用坩埚，包括坩埚本体，所述坩埚本体包括底座及由底座向上延伸的侧壁，所述底座和所述侧壁共同围成一收容空间，所述底座朝向所述收容空间的内表面上设置有改性层，所述改性层包括依次设置在底座内表面上的粘结层和引晶层，所述粘结层的材料包括石英料浆和粘结剂，所述引晶层的材料包括熔融石英、结晶石英、碳化硅或硅。该多晶硅铸锭用坩埚通过增设改性层来改变坩埚底部结构，从而可有效降低形核能，控制铸锭过程中形成的晶体大小，减少位错，提高多晶硅锭整体质量。本发明实施例还提供了一种该多晶硅铸锭用坩埚的制备方法。
【专利说明】
一种多晶硅铸锭用坩埚及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及多晶硅铸锭领域，尤其涉及一种多晶硅铸锭用坩祸及其制备方法。
【背景技术】
[0002]传统铸锭多晶硅制备技术主要采用定向凝固法，即在硅料完全融化后，再重新凝固结晶形成多晶硅。此方法实质是熔融硅料在坩祸底部随机形核，然后逐渐向上生长形成多晶硅锭，因此形核过程中容易产生位错并且导致晶向无规律、晶界不规则、晶粒不均匀等问题，严重影响其光电转换效率，增加制备成本，制约了光伏发电的进一步大规模应用。
[0003]而根据结晶学原理，对结晶初始阶段形核方式予以控制，有利于减少晶体缺陷，控制形成晶体结构，从而提高铸锭多晶硅转换效率和质量。然而此过程主要发生在坩祸底部，因此如何实现这一技术需要坩祸技术和晶体技术双方面的突破。
[0004]为了改善初始形核状态，现有技术一般都采用对坩祸底部结构进行凸起或打孔的异型设计，来增加形核点，形成异质或同质的非自发形核，而非平底祸的自发形核。且石英陶瓷坩祸作为多晶硅铸锭时的容器，有着较为复杂的制备过程。对石英陶瓷坩祸的结构直接改造，不仅会导致制备难度大幅增加，而且容易产生多晶硅铸锭时的安全问题。同时，较小的改造不能实现非自发形核的目的;较大的凸起或打孔，虽能实现异质形核的效果，但易导致硅锭出锭不良率增加，出现硅锭粘裂锭导致得率大幅下降，不具有实际意义。
【发明内容】
[0005]为解决上述问题，本发明旨在提供一种多晶硅铸锭用坩祸，通过在坩祸本体底部内表面增设改性层来改变坩祸底部结构，既避免了增加坩祸制备难度，又易于控制铸锭过程中晶体大小，出锭效果好。
[0006]第一方面，本发明实施例提供一种多晶硅铸锭用坩祸，包括坩祸本体，所述坩祸本体包括底座及由底座向上延伸的侧壁，所述底座和所述侧壁共同围成一收容空间，所述底座朝向所述收容空间的内表面上设置有改性层，所述改性层包括依次设置在所述底座内表面上的粘结层和引晶层，所述粘结层的材料包括石英料浆和粘结剂，所述引晶层的材料包括熔融石英、结晶石英、碳化硅或硅。
[0007]优选地，所述粘结层的厚度小于0.5mm。更优选地，所述粘结层的厚度为0.2-
0.5mm。合适的粘结层厚度既可保证与坩祸良好的结合，同时能防止粘结层开裂的情况出现。
[0008]优选地，所述粘结剂为硅酸钠水溶液、二氧化硅溶胶、聚乙二醇、聚乙烯醇中的一种或多种。优选地，所述粘结层中，所述粘结剂的质量百分比为2-98%。粘结层的设置可使引晶层牢固结合在所述坩祸的底部，粘结层中加入一定量的石英料浆，可以增强粘结层的强度，使引晶材料更稳定地固定在粘结层上。
[0009]优选地，所述引晶层的引晶材料为颗粒、片状或块状，尺寸在0.1-lmm。具体地，例如可以是硅粉、硅颗粒、硅片或硅块。
[0010]优选地，所述引晶层的材料均匀分布，材料之间的间隙小于等于1_。
[0011]优选地，所述引晶层的材料之间的间隙为0.5-1_。
[0012]优选地，所述引晶层的材料紧密堆积，形成一致密层。致密的引晶层，材料趋近于无缝隙重叠，引晶效果好。
[0013]所述引晶层的厚度依所用引晶材料的大小而定，优选地，所述引晶层的厚度为
0.02-2mmo
[0014]优选地，所述引晶层的材料进一步包括所述粘结层的材料。
[0015]多晶硅铸锭时，一般硅料底部先熔融结晶，再自下而上全部结晶成锭。因此底部初始形核结晶极为重要，直接影响整锭的位错密度、少子寿命。在平底坩祸上熔融结晶，属非自发形核结晶过程，晶粒大位错密度高;而通过设置引晶层改变坩祸底部结构，引晶材料有利于降低形核能，多晶硅熔融铸锭时引晶材料处会首先形核长晶；于是可通过引晶材料的密度及分布控制形成晶体的大小，形成较大的晶界，抑制位错的形成，从而提高出锭整体质量。以上四种材料与硅的晶体结构相近，形核能低，容易起到引晶的作用，且不引入额外污染。
[0016]本发明所述的坩祸本体指目前行业内的普通成品坩祸，其形状和种类不限。
[0017]第二方面，本发明实施例提供了一种多晶硅铸锭用坩祸的制备方法，包括以下步骤:
[0018]取坩祸本体，所述坩祸本体包括底座及由底座向上延伸的侧壁，所述底座和所述侧壁共同围成一收容空间；
[0019]采用涂覆的方式在所述底座朝向所述收容空间的内表面上制备改性层，得到多晶硅铸锭用坩祸，所述改性层包括依次制备在所述底座内表面上的粘结层和引晶层，所述粘结层的材料包括石英料浆和粘结剂，所述引晶层的材料为熔融石英、结晶石英、碳化硅或娃。
[0020]具体地，改性层的制备过程为:先将高纯石英粉加入到水中研磨制备成石英料浆，再向其中加入粘结剂得到混合料浆，将所述混合料浆涂覆在坩祸底座内表面上，干燥后得到粘结层;再在所述粘结层上涂覆制备引晶层，干燥后，得到改性层。
[0021 ]所述干燥过程为自然干燥。
[0022]优选地，所述粘结层的厚度小于0.5mm。更优选地，所述粘结层的厚度为0.2-
0.5mm。合适的粘结层厚度既可保证与坩祸良好的结合，同时能防止粘结层开裂的情况出现。
[0023]优选地，所述粘结剂为硅酸钠水溶液、二氧化硅溶胶、聚乙二醇、聚乙烯醇中的一种或多种。优选地，所述粘结层中，所述粘结剂的质量百分比为2%_98%。
[0024]优选地，所述引晶层的材料为颗粒、片状或块状，尺寸在0.1-lmm。具体地，例如可以是娃粉、娃颗粒、娃片或娃块O
[0025]优选地，所述引晶层的材料均匀分布，材料之间的间隙小于等于1_。
[0026]优选地，所述引晶层的材料之间的间隙为0.5-1_。
[0027]优选地，所述引晶层的材料紧密堆积，形成一致密层。
[0028]所述引晶层的厚度依所用引晶材料的大小而定，优选地，所述引晶层的厚度为
0.02-2mmo
[0029]优选地，所述涂覆的方式包括喷涂、刷涂、刮涂、旋涂、浸渍、植砂。
[0030]优选地，所述引晶层的材料进一步包括所述粘结层的材料，制备过程中，将引晶材料熔融石英、结晶石英、碳化硅或硅分散于石英料浆和粘结剂形成的混合浆料中。
[0031 ] 优选地，所述坩祸底部内表面的粗糙度控制在lum-25um，吸水率控制在0.05%-
[0032]本发明提供的多晶硅铸锭用坩祸及其制备方法，具有以下有益效果:
[0033](I)本发明提供的多晶硅铸锭用坩祸，其底座内表面设置有改性层，所述改性层包括粘结层和引晶层，在多晶硅铸锭过程中，该改性层可有效降低形核能，控制形成的晶体大小，减少位错，提高多晶硅锭整体质量；
[0034](2)本发明提供的多晶硅铸锭用坩祸的制备方法简单方便，易于操作，无需烧结或其他后处理即可满足多晶硅铸锭使用，适于大规模生产。
[0035](3)本发明提供的多晶硅铸锭用坩祸适用范围广，对铸锭工艺要求低，可适用于全融、半融铸锭工艺，出锭质量好，得率高。
【附图说明】
[0036]图1为本发明实施例提供的多晶硅铸锭用坩祸的示意图；
[0037]图2为图1多晶硅铸锭用坩祸的剖视图；
[0038]图3为图1多晶硅铸锭用坩祸的俯视图；
[0039]图4为本发明实施例一中制备的多晶硅锭的少子寿命图。
【具体实施方式】
[0040]以下所述是本发明的优选实施方式，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的保护范围。
[0041]请参阅图1-3，本发明实施例提供一种多晶硅铸锭用坩祸，包括坩祸本体10，所述坩祸本体10包括底座及由底座向上延伸的侧壁，所述底座和所述侧壁共同围成一收容空间，所述底座朝向所述收容空间的内表面上设置有改性层，所述改性层包括依次设置在所述底座内表面上的粘结层11和引晶层12，所述粘结层的材料包括石英料浆和粘结剂，所述引晶层的材料为熔融石英、结晶石英、碳化硅或硅。
[0042]本发明实施方式中，所述粘结层的厚度小于0.5mm。在本发明一优选实施方式中，所述粘结层的厚度为0.2-0.5mm。本实施例中，所述粘结层的厚度为0.3mm。
[0043]本发明实施方式中，粘结剂可以是硅酸钠水溶液、二氧化硅溶胶、聚乙二醇、聚乙烯醇中的一种或多种。所述粘结层中，粘结剂的质量百分比为2-98%。
[0044]本发明实施方式中，引晶层的材料可以为颗粒、片状或块状，尺寸在0.1-lmm。具体地，例如可以是硅粉、硅颗粒、硅片或硅块。
[0045]本发明一实施方式中，所述引晶层的材料均匀分布，材料之间的间隙小于等于Imm0
[0046]本发明一实施方式中，所述引晶层的材料之间的间隙为0.5-lmm。
[0047]本发明另一实施方式中，所述引晶层的材料紧密堆积，形成一致密层。
[0048]本发明实施方式中，所述引晶层的厚度依所用引晶材料的大小而定，本发明一优选实施方式中，所述引晶层的厚度为0.02-2mm。
[0049]实施例一
[0050]—种多晶硅铸锭用坩祸的制备方法，包括以下步骤:
[0051]取坩祸本体，所述坩祸本体包括底座及由底座向上延伸的侧壁，所述底座和所述侧壁共同围成一收容空间；采用喷涂+植砂的方式在所述底座朝向所述收容空间的内表面上制备改性层，所述改性层包括厚度为0.5mm的粘结层和厚度为0.6mm的引晶层:先将高纯石英粉加入到水中研磨制备成石英料浆，再向其中加入20% 二氧化硅溶胶得到混合料浆，将所述混合料浆喷涂在坩祸底座内表面上得到粘结层;再在所述粘结层上植砂(撒上引晶材料)制备引晶层，所述引晶层的材料为熔融石英，室温自然干燥后，得到改性层，即得多晶娃铸锭用;t甘祸。
[0052]将本实施例制备得到的多晶硅铸锭用坩祸用于多晶硅铸锭，对所得多晶硅锭进行检测，测定结果如图4所示，多晶硅锭的平均位错密度为9.5 X 13Cnf2，典型少子寿命7us。
[0053]实施例二
[0054]一种多晶硅铸锭用坩祸的制备方法，包括以下步骤:
[0055]取坩祸本体，所述坩祸本体包括底座及由底座向上延伸的侧壁，所述底座和所述侧壁共同围成一收容空间；采用刷涂的方式在所述底座朝向所述收容空间的内表面上制备改性层，所述改性层包括厚度为0.5mm的粘结层和厚度为0.5mm的引晶层:先将石英粉加入到水中搅拌制备成石英料浆，再向其中加入5%的聚乙烯醇得到混合料浆，将所述混合料浆刷涂在坩祸底座内表面上得到粘结层;再将引晶层材料加入至混合料浆中搅拌均匀，然后在上述粘结层上刷涂制备引晶层，所述引晶层的材料为结晶石英，干燥后，得到改性层，即得多晶硅铸锭用坩祸。
[0056]实施例三
[0057]一种多晶硅铸锭用坩祸的制备方法，包括以下步骤:
[0058]取坩祸本体，所述坩祸本体包括底座及由底座向上延伸的侧壁，所述底座和所述侧壁共同围成一收容空间；采用浸渍+刷涂+植砂的方式在所述底座朝向所述收容空间的内表面上制备改性层，所述改性层包括厚度为0.3mm的粘结层和厚度为0.5mm的引晶层:先配置I %聚乙二醇的水溶液，浸渍石英陶瓷坩祸I小时。将高纯石英粉加入到水中研磨制备成石英料浆，再向其中加入3%聚乙二醇得到混合料浆，将所述混合料浆喷涂在坩祸底座内表面上得到粘结层;再在所述粘结层上植砂制备引晶层，所述引晶层的材料为碳化硅颗粒，干燥后，得到改性层，即得多晶硅铸锭用坩祸。
[0059]实施例四
[0060]一种多晶硅铸锭用坩祸的制备方法，包括以下步骤:
[0061]取坩祸本体，所述坩祸本体包括底座及由底座向上延伸的侧壁，所述底座和所述侧壁共同围成一收容空间；采用刷涂+刮涂的方式在所述底座朝向所述收容空间的内表面上制备改性层，所述改性层包括厚度为0.3mm的粘结层和厚度为Imm的引晶层:先将石英加入到水中研磨制备成石英料浆，再向其中加入10%的硅酸钠溶液得到混合料浆，将所述混合料浆刷涂在坩祸底座内表面上得到粘结层;再将引晶层材料加至上述配比的混合料浆中刷涂在所述粘结层上，采用聚氨酯刮刀刮掉表面层0.5mm露出引晶层，所述引晶层的材料为最大长度尺寸为Imm的硅片，干燥后，得到改性层，即得多晶硅铸锭用坩祸。
[0062]以上所述是本发明的优选实施方式，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的保护范围。
【主权项】
1.一种多晶硅铸锭用坩祸，包括坩祸本体，所述坩祸本体包括底座及由底座向上延伸的侧壁，所述底座和所述侧壁共同围成一收容空间，其特征在于，所述底座朝向所述收容空间的内表面上设置有改性层，所述改性层包括依次设置在所述底座内表面上的粘结层和引晶层，所述粘结层的材料包括石英料浆和粘结剂，所述引晶层的材料包括熔融石英、结晶石英、碳化硅或硅。2.如权利要求1所述的多晶硅铸锭用坩祸，其特征在于，所述粘结层的厚度小于0.5_。3.如权利要求1所述的多晶硅铸锭用坩祸，其特征在于，所述粘结剂为硅酸钠水溶液、二氧化硅溶胶、聚乙二醇、聚乙烯醇中的一种或多种。4.如权利要求1所述的多晶硅铸锭用坩祸，其特征在于，所述引晶层的厚度为0.02-2mm ο5.如权利要求1所述的多晶硅铸锭用坩祸，其特征在于，所述引晶层的材料为颗粒、片状或块状，尺寸在0.1-1mm。6.如权利要求1所述的多晶硅铸锭用坩祸，其特征在于，所述引晶层的材料均匀分布，材料之间的间隙小于等于1_。7.如权利要求6所述的多晶硅铸锭用坩祸，其特征在于，所述引晶层的材料紧密堆积，形成一致密层。8.如权利要求1所述的多晶硅铸锭用坩祸，其特征在于，所述引晶层的材料进一步包括所述粘结层的材料。9.一种多晶硅铸锭用坩祸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 取坩祸本体，所述坩祸本体包括底座及由底座向上延伸的侧壁，所述底座和所述侧壁共同围成一收容空间； 采用涂覆的方式在所述底座朝向所述收容空间的内表面上制备改性层，得到多晶硅铸锭用坩祸，所述改性层包括依次制备在所述底座内表面上的粘结层和引晶层，所述粘结层的材料包括石英料浆和粘结剂，所述引晶层的材料包括熔融石英、结晶石英、碳化硅或硅。10.如权利要求9所述的多晶硅铸锭用坩祸的制备方法，其特征在于，所述涂覆的方式包括嗔涂、刷涂、刮涂、旋涂、浸溃、植砂。
【文档编号】C30B29/06GK105887191SQ201610305016
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】孔令珂, 周华, 贾建广, 赵子豪, 曹伟
【申请人】江西中材太阳能新材料有限公司, 中材江苏太阳能新材料有限公司, 中材高新材料股份有限公司