應(yīng)用于多晶硅定向凝固提純的組合式坩堝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于多晶硅提純領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于多晶硅定向凝固提純的組合式坩堝，包括石英坩堝壁和石墨坩堝底，石英坩堝壁的下端與石墨坩堝底相互拼接；其中，石英坩堝壁為上下貫通的立體結(jié)構(gòu)，石墨坩堝底的橫截面形狀與石英坩堝壁的橫截面形狀一致。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）采用石墨材質(zhì)作為坩堝底，充分利用石墨導(dǎo)熱系數(shù)大的優(yōu)點(diǎn)，提高了定向凝固效果，大大節(jié)約了能耗；（2）石英坩堝壁和石墨坩堝底采用拼接的方式連接，方便出現(xiàn)破損時(shí)更換，減小了成本；（3）固液界面控制穩(wěn)定，波動(dòng)小，方便雜質(zhì)向硅錠頂端聚集，從而除雜效果好。
【專利說明】應(yīng)用于多晶硅定向凝固提純的組合式坩堝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于多晶硅提純領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于多晶硅定向凝固提純的組合式坩堝。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國(guó)已成為世界能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，但人均能源消費(fèi)水平還很低。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，我國(guó)能源需求將持續(xù)增長(zhǎng)，針對(duì)目前的能源緊張狀況，世界各國(guó)都在進(jìn)行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促進(jìn)可再生能源的開發(fā)和應(yīng)用，減少對(duì)進(jìn)口石油的依賴，加強(qiáng)能源安全。
[0003]作為可再生能源的重要發(fā)展方向之一的太陽(yáng)能光伏發(fā)電近年來(lái)發(fā)展迅猛，其所占比重越來(lái)越大。根據(jù)《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，中國(guó)力爭(zhēng)使太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1.8GW (百萬(wàn)千瓦)，到2050年將達(dá)到600GW。預(yù)計(jì)到2050年，中國(guó)可再生能源的電力裝機(jī)將占全國(guó)電力裝機(jī)的25%，其中光伏發(fā)電裝機(jī)將占到5%。預(yù)計(jì)2030年之前，中國(guó)太陽(yáng)能裝機(jī)容量的復(fù)合增長(zhǎng)率將高達(dá)25%以上。
[0004]多晶硅作為太陽(yáng)能電池的最理想原料，其中的雜質(zhì)主要有鐵、鋁、鈣等金屬雜質(zhì)和硼、磷等非金屬雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)元素會(huì)降低硅晶粒界面處光生載流子的復(fù)合程度，而光生載流子的復(fù)合程度又決定了太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，所以有效的去除這些雜質(zhì)在太陽(yáng)能電池的應(yīng)用方面有著至關(guān)重要的作用。
[0005]太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依賴于對(duì)硅原料的提純。太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依賴于對(duì)多晶硅原料的提純。多晶硅原料的提純工藝目前主要依賴以下幾種工藝:西門子法、硅烷法、氣體流化床法或冶金法。其中，`冶金法具有成本低、工藝簡(jiǎn)單并無(wú)污染的特點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用到多晶硅的提純。冶金法的主要工藝為造渣熔煉、定向凝固、電子束熔煉和鑄錠。在對(duì)硅原料進(jìn)行提純的過程中，存在一個(gè)關(guān)鍵的、必不可少的環(huán)節(jié)，就是對(duì)硅原料進(jìn)行定向凝固提純，所用到的定向凝固技術(shù)廣泛應(yīng)用于冶金提純領(lǐng)域。利用硅原料中硅與雜質(zhì)之間的分凝系數(shù)存在較大差異的這一特點(diǎn)，在凝固過程中，坩堝底端的硅液首先開始凝固，為達(dá)到分凝平衡，分凝系數(shù)小的雜質(zhì)從凝固的硅中向液態(tài)不斷擴(kuò)散分離出來(lái)而聚集在液態(tài)，隨著凝固不斷進(jìn)行，雜質(zhì)在液態(tài)中的濃度越來(lái)越高，最后在鑄錠的頂端凝固下來(lái)，凝固完成后在較高溫度下保溫一段時(shí)間，使各成分充分?jǐn)U散以達(dá)到分凝平衡，最后將雜質(zhì)含量較聞的一端去除，得到提純的多晶娃鑄淀。
[0006]在定向凝固過程中，承載硅料的坩堝為石英坩堝，石英坩堝的自身材料石英的導(dǎo)熱系數(shù)小，不管是單晶結(jié)構(gòu)還是普通結(jié)構(gòu)，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)都在20W/(m -k)以下，即便隨著溫度升高，導(dǎo)熱系數(shù)上升幅度也不大。由于導(dǎo)熱系數(shù)較小，因此熔化形成的硅液在向外傳熱的過程中會(huì)進(jìn)行緩慢，導(dǎo)致定向凝固時(shí)間很長(zhǎng)，從而大大增加了能耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種應(yīng)用于多晶硅定向凝固提純的組合式坩堝，通過改變承載坩堝的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，提高了定向凝固的效果，提高散熱效率，縮短了定向凝固時(shí)間，從而減小能耗。
[0008]本發(fā)明所述的一種應(yīng)用于多晶硅定向凝固提純的組合式坩堝，包括石英坩堝壁和石墨坩堝底，石英坩堝壁的下端與石墨坩堝底相互拼接；其中，石英坩堝壁為上下貫通的立體結(jié)構(gòu)，石墨坩堝底的橫截面形狀與石英坩堝壁的橫截面形狀一致。
[0009]其中，石英坩堝壁優(yōu)選為上下貫通的長(zhǎng)方體或圓柱體。根據(jù)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，多晶硅提純用坩堝一般為圓形坩堝或方形坩堝。
[0010]石墨坩堝底上表面優(yōu)選噴涂有氮化硅涂層或碳化硅涂層。由于石墨自身含有較多雜質(zhì)，防止對(duì)硅液二次污染，最好使用之前噴涂防污染涂層，氮化硅涂層和碳化硅涂層為常用涂層，其它涂層并不做限制。
[0011]本發(fā)明由石英坩堝壁和石墨坩堝底拼接而成，優(yōu)選以下兩種方式:
[0012]石墨坩堝底沿石英坩堝壁下邊沿相對(duì)應(yīng)位置處開設(shè)有限位凹槽，石英坩堝壁下端位于限位凹槽內(nèi)；石墨坩堝底為倒T型，石英坩堝壁下端位于沿倒T型缺口位置處。
[0013]本發(fā)明中，選用石墨材料作為坩堝底，充分考慮到石墨具有高導(dǎo)熱系數(shù)，普通石墨材料在常溫下即有129W/(m -k)，隨著溫度升高還會(huì)更高。由于定向凝固過程中硅液自下而上凝固，石墨坩堝底的存在使得硅液能夠快速的向下傳熱，不斷向上凝固，從而縮短定向凝固的時(shí)間。在本發(fā)明中，仍然保留坩堝壁為石英材質(zhì)，主要有兩方面的原因，一是如果全部采用石墨材料，即便噴涂有涂層，也會(huì)對(duì)硅液造成較大的二次污染，因此在與硅液接觸面積大的坩堝壁部分采用石英材質(zhì)；二是石英坩堝壁相對(duì)于石墨坩堝底導(dǎo)熱系數(shù)小很多，硅液的散熱會(huì)集中為向下傳導(dǎo)散熱，從而硅錠長(zhǎng)晶更加均勻，固液界面趨向于水平，利于雜質(zhì)向娃徒頂端聚集。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在`于:(1)采用石墨材質(zhì)作為坩堝底，充分利用石墨導(dǎo)熱系數(shù)大的優(yōu)點(diǎn)，提高了定向凝固效果，縮短了定向凝固時(shí)間，大大節(jié)約了能耗；(2)石英坩堝壁和石墨坩堝底采用拼接的方式連接，方便出現(xiàn)破損時(shí)更換，減小了成本；(3)固液界面控制穩(wěn)定，波動(dòng)小，方便雜質(zhì)向娃錠頂端聚集，從而除雜效果好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖中:1、石英坩堝壁2、石墨坩堝底。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0019]實(shí)施例1:
[0020]如圖1所示，一種應(yīng)用于多晶硅定向凝固提純的組合式坩堝，包括石英坩堝壁I和石墨坩堝底2，石英坩堝壁I的下端與石墨坩堝底2相互拼接。
[0021]其中，石英坩堝壁I為上下貫通的長(zhǎng)方體，石墨坩堝底2的橫截面形狀與石英坩堝壁I的橫截面形狀一致。石墨坩堝底2為倒T型，石英坩堝壁I下端位于沿倒T型缺口位置處。[0022]石墨坩堝底2上表面噴涂有氮化硅涂層。由于石墨與硅熔體接觸會(huì)污染硅，防止對(duì)硅液二次污染。 [0023]實(shí)施例2:
[0024]如圖1所示，一種應(yīng)用于多晶硅定向凝固提純的組合式坩堝，包括石英坩堝壁I和石墨坩堝底2，石英坩堝壁I的下端與石墨坩堝底2相互拼接。
[0025]其中，石英坩堝壁I為上下貫通的圓柱體，石墨坩堝底2的橫截面形狀與石英坩堝壁I的橫截面形狀一致。石墨坩堝底2沿石英坩堝壁I下邊沿相對(duì)應(yīng)位置處開設(shè)有限位凹槽，石英坩堝壁I下端位于限位凹槽內(nèi)。
[0026]石墨坩堝底2上表面噴涂有碳化硅涂層。由于石墨與硅熔體接觸會(huì)污染硅，防止對(duì)硅液二次污染。
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于多晶硅定向凝固提純的組合式坩堝，其特征在于包括石英坩堝壁和石墨坩堝底，石英坩堝壁的下端與石墨坩堝底相互拼接；其中，石英坩堝壁為上下貫通的立體結(jié)構(gòu)，石墨坩堝底的橫截面形狀與石英坩堝壁的橫截面形狀一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于多晶硅定向凝固提純的組合式坩堝，其特征在于石英坩堝壁為上下貫通的長(zhǎng)方體或圓柱體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于多晶硅定向凝固提純的組合式坩堝，其特征在于石墨坩堝底上表面噴涂有氮化硅涂層或碳化硅涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的應(yīng)用于多晶硅定向凝固提純的組合式坩堝，其特征在于石墨坩堝底沿石英坩堝壁下邊沿相對(duì)應(yīng)位置處開設(shè)有限位凹槽，石英坩堝壁下端位于限位凹槽內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的應(yīng)用于多晶硅定向凝固提純的組合式坩堝，其特征在于石墨坩堝底為倒T型，石 英坩堝壁下端位于沿倒T型缺口位置處。
【文檔編號(hào)】C01B33/037GK103482632SQ201310421117
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】溫書濤, 劉子成, 袁濤, 陳磊, 譚毅 申請(qǐng)人:青島隆盛晶硅科技有限公司