专利名称：用于制备准单晶硅铸锭的坩埚及准单晶硅铸锭的生长方法
用于制备准单晶硅铸锭的坩埚及准单晶硅铸锭的生长方法技术领域
本发明属于硅晶体生长领域，特别涉及一种用于制备准单晶硅铸锭的坩埚。本发明还涉及一种利用所述坩埚制备准单晶硅铸锭的生长方法。
背景技术：
现有的太阳能级多晶硅铸锭，均采用石英陶瓷坩埚。坩埚的外形通常为底面呈正方形的长方体。例如，现有的450公斤载硅量的坩埚，底面外壁边长为870毫米，内壁为840 毫米，高度为420毫米到480毫米。现有坩埚底部是平坦的，但有陶瓷烧结所特有的微粒结构。
现有坩埚底部表面上的这些微粒结构会形成不平整的底部表面，在多晶硅铸锭时，使得硅液在冷却时沿硅液底部产生的温度有高有低，在温度逐渐降低至接近硅熔点时， 较冷部分先形核，然后随着温度降低，这些晶核逐渐长大形成晶粒。晶粒在长大的过程中， 先沿坩埚底面横向生长，然后，当与另外的晶核长大形成的晶粒相遇时发生顶触，形成晶界，待底面全部布满晶粒后，则开始随着温度随时间的下降以及垂直温度梯度，向上生长， 直到从底部到硅液的顶部全部结晶。这就是多晶硅的铸锭过程，即多晶硅的定向凝固过程。
这样的多晶硅铸锭过程由于产量高，因此，逐渐代替直拉法生产单晶硅，获得大量应用。但是，这种晶体生长方法也有不少弊端，一是晶体形核时晶核的空间分布不均匀，造成生长出的晶体晶粒大小不均匀；二是晶粒与晶粒相遇发生顶触时形成晶界，因此，刚开始形成的晶粒越多，最后得到的晶界数量也越多，形成的晶粒尺寸就越小，不利于最后制备出的电池的性 能；三是由于坩埚底面的不平整使晶核生长的晶向不一定是垂直向上的，造成晶体在生长时不是垂直生长而是斜向生长；四是在晶核形成并进行横向生长时，邻近的晶粒发生顶触，很容易造成刚形成的晶体从底部脱落，进入硅液重新熔化，因此，导致晶体生长效率降低和晶粒的大小差异进一步加大。
现有坩埚的上述弊端导致制成的太阳能电池的转换效率降低，硅片应力加大。另外，现有坩埚较易形成枝状晶和羽状晶，并在枝状晶或羽状晶的间隙形成微晶甚至非晶，导致光电转换效率的进一步下降。发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于制备准单晶硅铸锭的坩埚，能够提高铸锭的质量，增大晶粒的尺寸，促进晶粒垂直生长，提高晶粒的均匀性和电池片的效率，降低光伏发电的成本。为此，本发明还提供一种利用所述坩埚生长准单晶硅铸锭的方法。
为解决上述技术问题，本发明的用于制备准单晶硅铸锭的坩埚，所述坩埚底部的内壁具有规则的空间分布的三维几何形状，所述规则的空间分布的三维几何形状由同一形状的凹坑在二维空间复制排列而形成；所述凹坑由空心的倒立棱锥、空心的第一倒立棱台和空心的第二倒立棱台组成，所述第二倒立棱台、第一倒立棱台和倒立棱锥自上而下相互连通。所述凹坑的分布方式为直角行列分布。所述坩埚的材质为石英陶瓷。
所述倒立棱锥的顶点向下，开口向上；所述第一倒立棱台的小开口与倒立棱锥的开口重合，大开口与第二倒立棱台的小开口重合；所述第二倒立棱台的大开口向上。
所述倒立棱锥为正四棱锥；两个倒立棱台均为正四棱台。
所述第二倒立棱台的侧面与水平面的夹角为45°，第一倒立棱台的侧面与水平面的夹角为2° 10°，倒立棱锥的侧面与水平面的夹角为45°。所述第二倒立棱台的侧棱长度为3mm 15mm,倒立棱锥的侧棱长度为Imm 8mm。所述第二倒立棱台的顶部开口边长为156mm 157mm。或者，所述第二倒立棱台的顶部开口边长为125mm 126mm。
本发明还提供的利用所述坩埚制备准单晶硅铸锭的生长方法，熔化的硅料在底部内壁具有规则空间分布的三维几何形状的坩埚中进行生长，所述规则的空间分布的三维几何形状由同一形状的凹坑在二维空间复制排列而形成，所述凹坑由空心的倒立棱锥、空心的第一倒立棱台和空心的第二倒立棱台组成，所述第二倒立棱台、第一倒立棱台和倒立棱锥自上而下相互连通；生长方法包括以下步骤
I)熔化的硅料在温度降低时，从坩埚内壁的凹坑底部顶点处开始生长晶核；
2)晶核沿凹坑由下至上立体生长；
3)部分晶核生长到达凹坑的上顶面时，停止温度下降的趋势并保持温场的等温面水平，使所有晶核同时生长到上顶面；
4)继续降低温度，凹坑内形成的晶粒以柱状晶的方式垂直向上生长，形成准单晶硅铸锭。
本发明的有益效果在于，能够提闻铸淀的质量，增大晶粒的尺寸，提闻晶粒的均勻度，同时促进晶粒垂直生长，减少晶界的数量和晶界处的杂质，使硅锭晶粒的尺寸增大至与硅电池片的尺寸一致，硅锭切片后得到的单个电池的晶体接近于单晶体，实现采用较低成本的铸造方式制备出准单晶结构的硅电池片，大大降低电池片的成本，提高了电池片的效率。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明
图1是本发明实施例坩埚底部内壁的剖视图2是本发明实施例坩埚底部内壁的俯视图。
具体实施方式
本发明提供的用于制备准单晶硅铸锭的坩埚，底部的内壁具有规则的空间分布的三维几何形状，所述规则的空间分布的三维几何形状由同一形状的凹坑在二维空间复制排列而形成；所述凹坑由空心的倒立棱锥、空心的第一倒立棱台和空心的第二倒立棱台组成， 所述第二倒立棱台、第一倒立棱台和倒立棱锥自上而下相互连通。
所述凹坑的分布方式为直角行列分布。所述坩埚的材质为石英陶瓷。
所述倒立棱锥的顶点向下，开口向上；所述第一倒立棱台的小开口与倒立棱锥的开口重合，大开口与第二倒立棱台的小开口重合；所述第二倒立棱台的大开口向上。
所述倒立棱锥为正四棱锥；两个倒立棱台均为正四棱台。
所述第二倒立棱台的侧面与水平面的夹角为45°，第一倒立棱台的侧面与水平面的夹角为2° 10°，倒立棱锥的侧面与水平面的夹角为45°。所述第二倒立棱台的侧棱长度为3mm 15mm,倒立棱锥的侧棱长度为Imm 8mm。所述第二倒立棱台的顶部开口边长为156mm 157mm。或者，也可为其它规格的硅片的边长，如顶部开口边长为125mm 126mm0
每个倒立棱锥的底部顶点在降温时，由于垂直的温度梯度，成为晶核的形成点，这样就确定了晶核的空间分布。同时，在生长过程中，晶核不再沿平坦的底面横向生长，而是沿凹坑空间从下到上逐渐成为立体生长，而且生长的速度受温度场的垂直温度梯度控制， 这样，即使由于石英陶瓷表面的微结构以及加工误差形成的所有的倒立棱锥空间顶点可能不在一个平面上，导致开始结晶时各凹坑空间的晶核形成的时间不同，也能够保证所有的凹坑空间的晶核以接近同一个时刻生长到凹坑的上顶面，只要在晶体到达上底面时将温度下降的趋势停止足够一段时间，并保持温场的等温面水平，就能够保证所有的晶体同时生长到顶面，然后再继续降低温度，就使得各凹坑内形成的晶粒开始以柱状晶的方式垂直向上生长，最终得到一个以相同颗粒和相同形状的等轴柱状晶所构成的均匀的多晶硅锭，该柱状晶的横截面尺寸与所要加工的太阳能电池尺寸相同，因而得到的每一片硅电池为准单晶结构。
成型时，由于有一个锥体的二维平面阵列，因此，加工精度要求比较高。另外，由于底部有几何结构，因此，会产生许多应力集中点，这样，在坩埚的加工时的烧结过程中，较易产生裂纹，因此，底部的厚度和强度要加大。
本发明坩埚的一个实施例，第二倒立棱台的侧面a与水平面的夹角为45°，其侧棱长度为3mm,第一倒立棱台的侧面b与水平面的夹角为2° 10° ,倒立棱锥的侧面c与水平面的夹角为45°，其侧棱长度为1mm。第二倒立棱台的顶面正方形边长为156mm。 甘祸的边长为600mm，高度为420mm。应用该坩埚进行硅锭的生长，装料173公斤后，在上海普罗新能源的RDS1. 02型多晶硅提纯铸锭炉熔化后，将硅液降温到1673K，保温两小时，开始按照标准的多晶硅结晶曲线进行结晶，结晶时间为32小时。
最后得到的多晶硅硅锭的高度为230mm，整个硅锭由均匀的截面为等边长的正方形的柱体组成，晶粒均匀，经测量晶粒的边长为156_，误差小于1. 5_。
本发明坩埚的另一个实施例，第二倒立棱台的侧面a与水平面的夹角为45°，其侧棱长度为15mm,第一倒立棱台的侧面b与水平面的夹角为2° 10° ,倒立棱锥的侧面c 与水平面的夹角为45° ,其侧棱长度为8mm。第二倒立棱台的顶面正方形边长为157mm。 甘埚的边长为600mm，高度为420mm。应用该坩埚进行硅锭的生长，装料173公斤后，在上海普罗新能源的RDS1. 02型多晶硅提纯铸锭炉熔化后，将硅液降温到1673K，保温两小时，开始按照标准的多晶硅结晶曲线进行结晶，结晶时间为32小时。
最后得到的多晶硅硅锭的高度为230mm，整个硅锭由均匀的截面为等边长的正方形的柱体组成，晶粒均匀，经测量晶粒的边长为157mm，误差小于2mm。
本发明能够提闻铸淀的质量，增大晶粒的尺寸，提闻晶粒的均勻度，同时促进晶粒垂直生长，减少晶界的数量和晶界处的杂质，使硅锭晶粒的尺寸增大至与硅电池片的尺寸一致，超大晶粒的多晶硅硅锭切片后，得到的单个电池的晶体接近于单晶体(即为准单晶硅)，实现采用较低成本的铸造方式制备出准单晶结构的硅电池片，大大降低电池片的成本，提闻了电池片的效率。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员对坩埚底部结构所做的等效置换和改进，这 些也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种用于制备准单晶硅铸锭的坩埚，其特征在于所述坩埚底部的内壁具有规则的空间分布的三维几何形状，所述规则的空间分布的三维几何形状由同一形状的凹坑在二维空间复制排列而形成；所述凹坑由空心的倒立棱锥、空心的第一倒立棱台和空心的第二倒立棱台组成，所述第二倒立棱台、第一倒立棱台和倒立棱锥自上而下相互连通。
2.根据权利要求1所述的用于制备准单晶硅铸锭的坩埚，其特征在于所述倒立棱锥的顶点向下，开口向上；所述第一倒立棱台的小开口与倒立棱锥的开口重合，大开口与第二倒立棱台的小开口重合；所述第二倒立棱台的大开口向上。
3.根据权利要求2所述的用于制备准单晶硅铸锭的坩埚，其特征在于所述倒立棱锥为正四棱锥；两个倒立棱台均为正四棱台。
4.根据权利要求3所述的用于制备准单晶硅铸锭的坩埚，其特征在于所述第二倒立棱台的侧面与水平面的夹角为45°，第一倒立棱台的侧面与水平面的夹角为2° 10°， 倒立棱锥的侧面与水平面的夹角为45°。
5.根据权利要求3所述的用于制备准单晶硅铸锭的坩埚，其特征在于所述第二倒立棱台的侧棱长度为3mm 15mm,倒立棱锥的侧棱长度为Imm 8mm。
6.根据权利要求3所述的用于制备准单晶硅铸锭的坩埚，其特征在于所述第二倒立棱台的顶部开口边长为156mm 157mm。
7.根据权利要求3所述的用于制备准单晶硅铸锭的坩埚，其特征在于所述第二倒立棱台的顶部开口边长为125mm 126mm。
8.根据权利要求1所述的用于制备准单晶硅铸锭的坩埚，其特征在于所述凹坑的分布方式为直角行列分布。
9.根据权利要求1所述的用于制备准单晶硅铸锭的坩埚，其特征在于所述坩埚的材质为石英陶瓷。
10.如权利要求1至9中任意一项所述的利用制备铸锭的坩埚生长准单晶硅铸锭的方法，其特征在于，熔化的硅料在底部内壁具有规则空间分布的三维几何形状的坩埚中进行生长，所述规则的空间分布的三维几何形状由同一形状的凹坑在二维空间复制排列而形成，所述凹坑由空心的倒立棱锥、空心的第一倒立棱台和空心的第二倒立棱台组成，所述第二倒立棱台、第一倒立棱台和倒立棱锥自上而下相互连通；生长方法包括以下步骤1)熔化的硅料在温度降低时，从坩埚内壁的凹坑底部顶点处开始生长晶核；2)晶核沿凹坑由下至上立体生长；3)部分晶核生长到达凹坑的上顶面时，停止温度下降的趋势并保持温场的等温面水平，使所有晶核同时生长到上顶面；4)继续降低温度，凹坑内形成的晶粒以柱状晶的方式垂直向上生长，形成准单晶硅铸锭。
全文摘要
本发明公开了一种用于制备准单晶硅铸锭的坩埚，其底部内壁具有规则的空间分布的三维几何形状，规则的空间分布的三维几何形状由同一形状的凹坑在二维空间复制排列而形成；凹坑由空心的倒立棱锥、空心的第一倒立棱台和空心的第二倒立棱台组成，第二倒立棱台、第一倒立棱台和倒立棱锥自上而下相互连通。本发明还公开了一种利用所述坩埚生长准单晶硅铸锭的方法。本发明能够提高铸锭质量，增大晶粒尺寸，提高晶粒均匀度，促进晶粒垂直生长，减少晶界数量和晶界处杂质，使硅锭晶粒的尺寸增大至与硅电池片尺寸一致，切片后得到的单个电池晶体为准单晶体，实现采用低成本方式制备准单晶结构的硅电池片，降低了电池片的成本，提高了电池片的效率。
文档编号C30B28/06GK102995103SQ20111026504
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月8日 优先权日2011年9月8日
发明者史珺, 宗卫峰, 程素玲 申请人:上海普罗新能源有限公司