一种多晶硅铸锭用坩埚的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种多晶硅铸锭用坩祸。
【背景技术】
[0002]太阳能作为可再生清洁能源，具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便、资源广阔等其他常规能源所不具备的优点。单晶硅电池具有最高的太阳能转化效率，但单晶硅的生产耗时、耗电，成本相对较高。多晶硅可通过铸锭方式制备而易于实现规模化生产。然而，由于具有较多的晶界成为电子-空穴复合中心，多晶硅的效率低于单晶硅。为此，目前多晶硅锭的制备方法主要采用GT Solar所提供的定向凝固系统法(简称DSS)炉晶体生长技术，通过控制多晶硅的定向生长，使多晶硅片具有尽可能大的单晶区域，以提高电池性能。该技术通常包括加热、熔化、凝固长晶、退火和冷却等步骤，其中存在着以下技术问题:
[0003]1、现有的铸锭炉主要依靠提升隔热笼来降低底部温度，但是单纯的提升隔热笼，定向助凝块四边的散热速率高于中央的散热速率，这种降温模式会形成水平方向上的温度梯度，从而影响了硅锭晶粒的垂直度，最终导致晶粒尺寸不均匀。
[0004]2、在凝固长晶的过程中，伴随着坩祸底部的持续冷却，熔融状态的硅料自发形成随机形核、并且随机形核逐渐生长。但现有技术中初始形核不能得到很好的控制，形核过程中容易产生位错，易于导致晶向无规律、晶界不规则、晶粒不均匀(从微米级到十几厘米)，影响了多晶硅锭的产品质量和转换效率。
[0005]针对上述问题，为减少降温模式所带来的温度梯度，在熔化过程中通过搅拌或超声波的处理可以有一定的改善作用。但是，现有的铸锭炉无法增加搅拌设施，并且搅拌器的加入会带来杂质的引入;而超声波的处理可以达到细化晶粒的效果，但这种方法既增加了设备复杂度，也无法在线控制超声作用，实际应用效果不佳。
[0006]为控制硅晶体的均匀形核，目前主要采用了以下两种方式:一、提供成核物质，SP在坩祸底部首先铺一层高纯硅料作为籽晶，或者制备一层形核源层。然而，由于现有铸锭炉主要采用钟罩式加热，坩祸周围的温度较高，从而导致坩祸底部外沿部分的籽晶首先熔化，致使坩祸底层结晶不均匀，影响了结晶效果。此外，由于现有的铸锭技术中，均已采用喷涂法制备了氮化硅涂层，因此制备形核源层的方式在实际使用过程中效果并不好。二、利用特定的形状引发硅晶体规则成核，即在石英坩祸底部均匀分布高纯颗粒，或者，在坩祸内的底部设置多个凹坑，以形成凹凸起伏的底部，实现底部熔硅定点快速优先成核。但是，优先成核的晶粒依然是随机形成的，其促进晶粒定向生长的效果依旧有限。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有助于减少水平方向温度梯度的多晶娃铸徒用樹祸，以利于获得尺寸均勾细小的晶粒，有效提尚多晶娃徒的广品质量。
[0008]本实用新型的目的通过以下技术方案予以实现:
[0009]本实用新型提供的一种多晶硅铸锭用坩祸，具有呈平面的底面和与底面垂直的侧壁;此外，所述坩祸内的底面上、与侧壁结合的边沿处为呈周向设置的凹槽，所述凹槽其截面形状为连贯弧形。
[0010]在熔化过程中，由于现有的铸锭炉采用钟罩式加热，坩祸中处于顶部和侧壁上部的硅料会首先熔化。这样，首先熔化的液态硅在重力作用下，沿内壁自上而下流动。如果坩祸的底部是平面的，则硅液直接汇集在坩祸的底部，不会产生明显的扰动作用。本实用新型采用上述弧形凹槽，利用硅液重力及惯性作用，在凹槽的引导下可使硅液向高处冲击而进入到坩祸的内部，从而起到自搅拌作用，有助于减少水平方向上的温度梯度、并产生热交换作用，实现均匀成核并减少了熔化时间。
[0011]上述方案中，为提高凹槽的引导作用，以利于硅液进入到坩祸的内部，本实用新型所述凹槽的截面由二段相连的弧形组成，与侧壁相邻的一侧弧形的弧度大于或等于另一侧弧形的弧度。
[0012]进一步地，本实用新型所述凹槽的深度为10?50mm、宽度为20?100mm;所述凹槽与侧壁相邻的一侧弧形其弧度为90°。
[0013]进一步地，本实用新型所述凹槽处的坩祸厚度与所述底面处的坩祸厚度相同，使得凹槽与坩祸底部具有相同的过冷度，有助于均匀成核。
[0014]根据晶体生长理论，晶体的成核过程是一个凝固-溶解的过程，当晶粒尺寸超过临界尺寸后，晶粒才能进一步长大形成晶体。在凝固生长过程中，为提供更多的晶体原子聚集点，以促进晶粒的顺利成核，并更好地控制晶粒定向生长，本实用新型所述底面上和凹槽的表面设置有尖锐状凸起，所述尖锐状凸起的中心轴与底面垂直。
[0015]进一步地，本实用新型所述尖锐状凸起的高度为I?5mm，顶部尖角处最大外形轮廓所形成的角度< 30°。所述尖锐状凸起呈紧密排列，或者呈规则有序排列。
[0016]本实用新型具有以下有益效果:
[0017](I)本实用新型结构简单合理，通过在坩祸内的底面上、与侧壁结合的边沿处设置弧形凹槽，使得顶部及侧壁上部首先熔化的液态硅在其重力惯性作用下，沿侧壁向下流动，并利用弧形凹槽的引导使得硅液冲击进入到坩祸中部。硅液的冲击能够产生搅动，从而起到自搅拌作用，不仅有助于减少水平方向上的温度梯度，获得尺寸均匀细小的晶粒，而且有助于提高热交换过程，可促进坩祸内部硅料的熔化，减少了熔化时间。
[0018](2)本实用新型底部设置的凸起呈尖锐状而具有较高的曲率，从而能够为晶体原子的聚集提供更多的汇集点，有助于提高晶粒原子凝聚的概率，促进晶粒尺寸超过临界尺寸而顺利成核。此外，尖锐状凸起容易形成晶体生长点，从而能够有效避免晶粒的散乱生长，达到控制晶粒定向生长的目的。
[0019](3)本实用新型弧形凹槽与坩祸底部具有相同的过冷度，有助于同时形成晶核。并且，弧形凹槽及尖锐状凸起可以减少硅晶体成核所需过冷度，有助于均匀成核，使得在现有的铸锭工艺中，无需采用过度提高隔热笼来获得较低的温度，减少了过大的温度梯度对坩祸及涂层的影响，避免了粘祸甚至泄露等生产事故。
[0020](4)本实用新型适用面广，由于坩祸底部外沿部分为弧形凹槽而具有相对较低的温度，对于采用坩祸底部铺设籽晶的生产工艺，则有助于保持该处籽晶不被溶解，从而获得均匀成核。
【附图说明】
[0021]下面将结合实施例和附图对本实用新型作进一步的详细描述:
[0022]图1是本实用新型实施例一种多晶硅铸锭用坩祸的结构示意图；
[0023]图2是图1所示实施例中弧形凹槽的截面形状之一；
[0024]图3是图1所示实施例中弧形凹槽的截面形状之二；
[°°25]图4是图1所示实施例的原理示意图。
[0026]图中:底面I，侧壁2，凹槽3，弧形3a、3b，凹槽深度H，凹槽宽度W，弧形3a的弧度α，尖锐状凸起4
【具体实施方式】
[0027]图1?图4所示为本实用新型一种多晶硅铸锭用坩祸的实施例。
[0028]如图1所示，本实施例坩祸具有呈平面的底面I和与底面I垂直的侧壁2。坩祸内的底面I上、与侧壁2结合的边沿处为呈周向设置、截面形状为连贯弧形的凹槽3，凹槽3的与侧壁相邻一侧的弧形3a其弧度α为90°，另一侧的弧形3b其弧度小于或等于90° (见图2和图3);凹槽处的坩祸厚度与底面处的坩祸厚度相同。在坩祸内的底面I上和凹槽3的表面设置有尖锐状凸起4，其形状可以是三棱锥性、金字塔形或者其他多棱形状，其中心轴与底面I垂直。尖锐状凸起4呈紧密排列(或呈规则有序排列)。
[0029 ] 为适合于无籽晶添加的工艺，凹槽3的深度H为I Omm、宽度W为90mm(见图2)，尖锐状凸起4的形状为三棱锥形，高度为5mm，顶部尖角处最大外形轮廓所形成的角度为20°。或者，为适合于添加籽晶为晶核的工艺，凹槽3的深度H为50mm、宽度W为10mm(见图3)，尖锐状凸起4的形状为金字塔形，高度为1mm，顶部尖角处最大外形轮廓所形成的角度为30°。
[0030]本实施例工作原理如下:
[0031]现有的多晶硅铸锭炉采用钟罩式加热，坩祸顶部和侧壁2上部的硅料首先融化，如图4所示，融化的硅液会在重力的作用下，自上而下沿侧壁2流入到坩祸底部的弧形凹槽3处。而下落的硅液在重力作用及惯性作用下，沿着凹槽3弧面冲刺到更高的位置，从而与坩祸内部尚未融化的硅料相接触并产生搅动，从而起到自搅拌作用，不仅有助于减少水平方向上的温度梯度，获得尺寸均匀细小的晶粒，而且产生热交换作用，提高了硅料内部的融化速率，减少了熔化时间。
[0032]尖锐状凸起4则为晶体原子的聚集提供汇集点，有助于提高晶粒原子凝聚的概率，促进晶粒尺寸超过临界尺寸而顺利成核。并且，尖锐状凸起4有利于形成晶体生长点，从而避免晶粒的散乱生长，达到控制晶粒定向生长的目的。
【主权项】
1.一种多晶硅铸锭用坩祸，具有呈平面的底面(I)和与底面(I)垂直的侧壁(2);其特征在于:所述坩祸内的底面(I)上、与侧壁(2)结合的边沿处为呈周向设置的凹槽(3)，所述凹槽(3)其截面形状为连贯弧形。2.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭用坩祸，其特征在于:所述凹槽(3)的截面由二段相连的弧形(3a、3b)组成，与侧壁相邻的一侧弧形(3a)的弧度(α)大于或等于另一侧弧形(3b)的弧度。3.根据权利要求2所述的多晶硅铸锭用坩祸，其特征在于:所述凹槽(3)的深度(H)为10?50mm、宽度(W)为20?100mm;所述凹槽(3)与侧壁相邻的一侧弧形(3a)的弧度(α)为90°。4.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭用坩祸，其特征在于:所述凹槽(3)处的坩祸厚度与所述底面(I)处的坩祸厚度相同。5.根据权利要求1或2或3或4所述的多晶硅铸锭用坩祸，其特征在于:所述底面(I)上和凹槽(3)的表面设置有尖锐状凸起(4)，所述尖锐状凸起(4)的中心轴与底面(I)垂直。6.根据根据权利要求5所述的多晶硅铸锭用坩祸，其特征在于:所述尖锐状凸起(4)的高度为I?5mm，顶部尖角处最大外形轮廓所形成的角度< 30°。7.根据根据权利要求5所述的多晶硅铸锭用坩祸，其特征在于:所述尖锐状凸起(4)呈紧密排列。8.根据根据权利要求5所述的多晶硅铸锭用坩祸，其特征在于:所述尖锐状凸起(4)呈规则有序排列。
【专利摘要】本实用新型公开了一种多晶硅铸锭用坩埚，具有呈平面的底面和与底面垂直的侧壁；此外，所述坩埚内的底面上、与侧壁结合的边沿处为呈周向设置的凹槽，所述凹槽其截面形状为连贯弧形。本实用新型采用上述弧形凹槽，利用硅液重力及惯性作用，在凹槽的引导下使硅液向高处冲击而进入到坩埚的内部，从而起到自搅拌作用，有助于减少水平方向上的温度梯度，从而获得尺寸均匀细小的晶粒，有效提高了多晶硅锭的产品质量。
【IPC分类】C30B29/06, C30B28/06
【公开号】CN205171015
【申请号】CN201520977445
【发明人】常启兵, 王霞, 汪永清, 周健儿
【申请人】景德镇陶瓷学院
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年11月30日