專利名稱：用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝及準(zhǔn)單晶硅鑄錠的生長(zhǎng)方法
用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝及準(zhǔn)單晶硅鑄錠的生長(zhǎng)方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于硅晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域，特別涉及一種用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝。本發(fā)明還涉及一種利用所述坩堝制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的生長(zhǎng)方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅鑄錠，均采用石英陶瓷坩堝。坩堝的外形通常為底面呈正方形的長(zhǎng)方體。例如，現(xiàn)有的450公斤載硅量的坩堝，底面外壁邊長(zhǎng)為870毫米，內(nèi)壁為840 毫米，高度為420毫米到480毫米?，F(xiàn)有坩堝底部是平坦的，但有陶瓷燒結(jié)所特有的微粒結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)有坩堝底部表面上的這些微粒結(jié)構(gòu)會(huì)形成不平整的底部表面，在多晶硅鑄錠時(shí)，使得硅液在冷卻時(shí)沿硅液底部產(chǎn)生的溫度有高有低，在溫度逐漸降低至接近硅熔點(diǎn)時(shí)， 較冷部分先形核，然后隨著溫度降低，這些晶核逐漸長(zhǎng)大形成晶粒。晶粒在長(zhǎng)大的過(guò)程中， 先沿坩堝底面橫向生長(zhǎng)，然后，當(dāng)與另外的晶核長(zhǎng)大形成的晶粒相遇時(shí)發(fā)生頂觸，形成晶界，待底面全部布滿晶粒后，則開(kāi)始隨著溫度隨時(shí)間的下降以及垂直溫度梯度，向上生長(zhǎng)， 直到從底部到硅液的頂部全部結(jié)晶。這就是多晶硅的鑄錠過(guò)程，即多晶硅的定向凝固過(guò)程。
這樣的多晶硅鑄錠過(guò)程由于產(chǎn)量高，因此，逐漸代替直拉法生產(chǎn)單晶硅，獲得大量應(yīng)用。但是，這種晶體生長(zhǎng)方法也有不少弊端，一是晶體形核時(shí)晶核的空間分布不均勻，造成生長(zhǎng)出的晶體晶粒大小不均勻；二是晶粒與晶粒相遇發(fā)生頂觸時(shí)形成晶界，因此，剛開(kāi)始形成的晶粒越多，最后得到的晶界數(shù)量也越多，形成的晶粒尺寸就越小，不利于最后制備出的電池的性 能；三是由于坩堝底面的不平整使晶核生長(zhǎng)的晶向不一定是垂直向上的，造成晶體在生長(zhǎng)時(shí)不是垂直生長(zhǎng)而是斜向生長(zhǎng)；四是在晶核形成并進(jìn)行橫向生長(zhǎng)時(shí)，鄰近的晶粒發(fā)生頂觸，很容易造成剛形成的晶體從底部脫落，進(jìn)入硅液重新熔化，因此，導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)效率降低和晶粒的大小差異進(jìn)一步加大。
現(xiàn)有坩堝的上述弊端導(dǎo)致制成的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率降低，硅片應(yīng)力加大。另外，現(xiàn)有坩堝較易形成枝狀晶和羽狀晶，并在枝狀晶或羽狀晶的間隙形成微晶甚至非晶，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步下降。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝，能夠提高鑄錠的質(zhì)量，增大晶粒的尺寸，促進(jìn)晶粒垂直生長(zhǎng)，提高晶粒的均勻性和電池片的效率，降低光伏發(fā)電的成本。為此，本發(fā)明還提供一種利用所述坩堝生長(zhǎng)準(zhǔn)單晶硅鑄錠的方法。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝，所述坩堝底部的內(nèi)壁具有規(guī)則的空間分布的三維幾何形狀，所述規(guī)則的空間分布的三維幾何形狀由同一形狀的凹坑在二維空間復(fù)制排列而形成；所述凹坑由空心的倒立棱錐、空心的第一倒立棱臺(tái)和空心的第二倒立棱臺(tái)組成，所述第二倒立棱臺(tái)、第一倒立棱臺(tái)和倒立棱錐自上而下相互連通。所述凹坑的分布方式為直角行列分布。所述坩堝的材質(zhì)為石英陶瓷。
所述倒立棱錐的頂點(diǎn)向下，開(kāi)口向上；所述第一倒立棱臺(tái)的小開(kāi)口與倒立棱錐的開(kāi)口重合，大開(kāi)口與第二倒立棱臺(tái)的小開(kāi)口重合；所述第二倒立棱臺(tái)的大開(kāi)口向上。
所述倒立棱錐為正四棱錐；兩個(gè)倒立棱臺(tái)均為正四棱臺(tái)。
所述第二倒立棱臺(tái)的側(cè)面與水平面的夾角為45°，第一倒立棱臺(tái)的側(cè)面與水平面的夾角為2° 10°，倒立棱錐的側(cè)面與水平面的夾角為45°。所述第二倒立棱臺(tái)的側(cè)棱長(zhǎng)度為3mm 15mm,倒立棱錐的側(cè)棱長(zhǎng)度為Imm 8mm。所述第二倒立棱臺(tái)的頂部開(kāi)口邊長(zhǎng)為156mm 157mm?；蛘撸龅诙沽⒗馀_(tái)的頂部開(kāi)口邊長(zhǎng)為125mm 126mm。
本發(fā)明還提供的利用所述坩堝制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的生長(zhǎng)方法，熔化的硅料在底部?jī)?nèi)壁具有規(guī)則空間分布的三維幾何形狀的坩堝中進(jìn)行生長(zhǎng)，所述規(guī)則的空間分布的三維幾何形狀由同一形狀的凹坑在二維空間復(fù)制排列而形成，所述凹坑由空心的倒立棱錐、空心的第一倒立棱臺(tái)和空心的第二倒立棱臺(tái)組成，所述第二倒立棱臺(tái)、第一倒立棱臺(tái)和倒立棱錐自上而下相互連通；生長(zhǎng)方法包括以下步驟
I)熔化的硅料在溫度降低時(shí)，從坩堝內(nèi)壁的凹坑底部頂點(diǎn)處開(kāi)始生長(zhǎng)晶核；
2)晶核沿凹坑由下至上立體生長(zhǎng)；
3)部分晶核生長(zhǎng)到達(dá)凹坑的上頂面時(shí)，停止溫度下降的趨勢(shì)并保持溫場(chǎng)的等溫面水平，使所有晶核同時(shí)生長(zhǎng)到上頂面；
4)繼續(xù)降低溫度，凹坑內(nèi)形成的晶粒以柱狀晶的方式垂直向上生長(zhǎng)，形成準(zhǔn)單晶硅鑄錠。
本發(fā)明的有益效果在于，能夠提聞鑄淀的質(zhì)量，增大晶粒的尺寸，提聞晶粒的均勻度，同時(shí)促進(jìn)晶粒垂直生長(zhǎng)，減少晶界的數(shù)量和晶界處的雜質(zhì)，使硅錠晶粒的尺寸增大至與硅電池片的尺寸一致，硅錠切片后得到的單個(gè)電池的晶體接近于單晶體，實(shí)現(xiàn)采用較低成本的鑄造方式制備出準(zhǔn)單晶結(jié)構(gòu)的硅電池片，大大降低電池片的成本，提高了電池片的效率。


下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明
圖1是本發(fā)明實(shí)施例坩堝底部?jī)?nèi)壁的剖視圖2是本發(fā)明實(shí)施例坩堝底部?jī)?nèi)壁的俯視圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供的用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝，底部的內(nèi)壁具有規(guī)則的空間分布的三維幾何形狀，所述規(guī)則的空間分布的三維幾何形狀由同一形狀的凹坑在二維空間復(fù)制排列而形成；所述凹坑由空心的倒立棱錐、空心的第一倒立棱臺(tái)和空心的第二倒立棱臺(tái)組成， 所述第二倒立棱臺(tái)、第一倒立棱臺(tái)和倒立棱錐自上而下相互連通。
所述凹坑的分布方式為直角行列分布。所述坩堝的材質(zhì)為石英陶瓷。
所述倒立棱錐的頂點(diǎn)向下，開(kāi)口向上；所述第一倒立棱臺(tái)的小開(kāi)口與倒立棱錐的開(kāi)口重合，大開(kāi)口與第二倒立棱臺(tái)的小開(kāi)口重合；所述第二倒立棱臺(tái)的大開(kāi)口向上。
所述倒立棱錐為正四棱錐；兩個(gè)倒立棱臺(tái)均為正四棱臺(tái)。
所述第二倒立棱臺(tái)的側(cè)面與水平面的夾角為45°，第一倒立棱臺(tái)的側(cè)面與水平面的夾角為2° 10°，倒立棱錐的側(cè)面與水平面的夾角為45°。所述第二倒立棱臺(tái)的側(cè)棱長(zhǎng)度為3mm 15mm,倒立棱錐的側(cè)棱長(zhǎng)度為Imm 8mm。所述第二倒立棱臺(tái)的頂部開(kāi)口邊長(zhǎng)為156mm 157mm?；蛘撸部蔀槠渌?guī)格的硅片的邊長(zhǎng)，如頂部開(kāi)口邊長(zhǎng)為125mm 126mm0
每個(gè)倒立棱錐的底部頂點(diǎn)在降溫時(shí)，由于垂直的溫度梯度，成為晶核的形成點(diǎn)，這樣就確定了晶核的空間分布。同時(shí)，在生長(zhǎng)過(guò)程中，晶核不再沿平坦的底面橫向生長(zhǎng)，而是沿凹坑空間從下到上逐漸成為立體生長(zhǎng)，而且生長(zhǎng)的速度受溫度場(chǎng)的垂直溫度梯度控制， 這樣，即使由于石英陶瓷表面的微結(jié)構(gòu)以及加工誤差形成的所有的倒立棱錐空間頂點(diǎn)可能不在一個(gè)平面上，導(dǎo)致開(kāi)始結(jié)晶時(shí)各凹坑空間的晶核形成的時(shí)間不同，也能夠保證所有的凹坑空間的晶核以接近同一個(gè)時(shí)刻生長(zhǎng)到凹坑的上頂面，只要在晶體到達(dá)上底面時(shí)將溫度下降的趨勢(shì)停止足夠一段時(shí)間，并保持溫場(chǎng)的等溫面水平，就能夠保證所有的晶體同時(shí)生長(zhǎng)到頂面，然后再繼續(xù)降低溫度，就使得各凹坑內(nèi)形成的晶粒開(kāi)始以柱狀晶的方式垂直向上生長(zhǎng)，最終得到一個(gè)以相同顆粒和相同形狀的等軸柱狀晶所構(gòu)成的均勻的多晶硅錠，該柱狀晶的橫截面尺寸與所要加工的太陽(yáng)能電池尺寸相同，因而得到的每一片硅電池為準(zhǔn)單晶結(jié)構(gòu)。
成型時(shí)，由于有一個(gè)錐體的二維平面陣列，因此，加工精度要求比較高。另外，由于底部有幾何結(jié)構(gòu)，因此，會(huì)產(chǎn)生許多應(yīng)力集中點(diǎn)，這樣，在坩堝的加工時(shí)的燒結(jié)過(guò)程中，較易產(chǎn)生裂紋，因此，底部的厚度和強(qiáng)度要加大。
本發(fā)明坩堝的一個(gè)實(shí)施例，第二倒立棱臺(tái)的側(cè)面a與水平面的夾角為45°，其側(cè)棱長(zhǎng)度為3mm,第一倒立棱臺(tái)的側(cè)面b與水平面的夾角為2° 10° ,倒立棱錐的側(cè)面c與水平面的夾角為45°，其側(cè)棱長(zhǎng)度為1mm。第二倒立棱臺(tái)的頂面正方形邊長(zhǎng)為156mm。 甘禍的邊長(zhǎng)為600mm，高度為420mm。應(yīng)用該坩堝進(jìn)行硅錠的生長(zhǎng)，裝料173公斤后，在上海普羅新能源的RDS1. 02型多晶硅提純鑄錠爐熔化后，將硅液降溫到1673K，保溫兩小時(shí)，開(kāi)始按照標(biāo)準(zhǔn)的多晶硅結(jié)晶曲線進(jìn)行結(jié)晶，結(jié)晶時(shí)間為32小時(shí)。
最后得到的多晶硅硅錠的高度為230mm，整個(gè)硅錠由均勻的截面為等邊長(zhǎng)的正方形的柱體組成，晶粒均勻，經(jīng)測(cè)量晶粒的邊長(zhǎng)為156_，誤差小于1. 5_。
本發(fā)明坩堝的另一個(gè)實(shí)施例，第二倒立棱臺(tái)的側(cè)面a與水平面的夾角為45°，其側(cè)棱長(zhǎng)度為15mm,第一倒立棱臺(tái)的側(cè)面b與水平面的夾角為2° 10° ,倒立棱錐的側(cè)面c 與水平面的夾角為45° ,其側(cè)棱長(zhǎng)度為8mm。第二倒立棱臺(tái)的頂面正方形邊長(zhǎng)為157mm。 甘堝的邊長(zhǎng)為600mm，高度為420mm。應(yīng)用該坩堝進(jìn)行硅錠的生長(zhǎng)，裝料173公斤后，在上海普羅新能源的RDS1. 02型多晶硅提純鑄錠爐熔化后，將硅液降溫到1673K，保溫兩小時(shí)，開(kāi)始按照標(biāo)準(zhǔn)的多晶硅結(jié)晶曲線進(jìn)行結(jié)晶，結(jié)晶時(shí)間為32小時(shí)。
最后得到的多晶硅硅錠的高度為230mm，整個(gè)硅錠由均勻的截面為等邊長(zhǎng)的正方形的柱體組成，晶粒均勻，經(jīng)測(cè)量晶粒的邊長(zhǎng)為157mm，誤差小于2mm。
本發(fā)明能夠提聞鑄淀的質(zhì)量，增大晶粒的尺寸，提聞晶粒的均勻度，同時(shí)促進(jìn)晶粒垂直生長(zhǎng)，減少晶界的數(shù)量和晶界處的雜質(zhì)，使硅錠晶粒的尺寸增大至與硅電池片的尺寸一致，超大晶粒的多晶硅硅錠切片后，得到的單個(gè)電池的晶體接近于單晶體(即為準(zhǔn)單晶硅)，實(shí)現(xiàn)采用較低成本的鑄造方式制備出準(zhǔn)單晶結(jié)構(gòu)的硅電池片，大大降低電池片的成本，提聞了電池片的效率。
以上通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，但這些并非構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)坩堝底部結(jié)構(gòu)所做的等效置換和改進(jìn)，這 些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝，其特征在于所述坩堝底部的內(nèi)壁具有規(guī)則的空間分布的三維幾何形狀，所述規(guī)則的空間分布的三維幾何形狀由同一形狀的凹坑在二維空間復(fù)制排列而形成；所述凹坑由空心的倒立棱錐、空心的第一倒立棱臺(tái)和空心的第二倒立棱臺(tái)組成，所述第二倒立棱臺(tái)、第一倒立棱臺(tái)和倒立棱錐自上而下相互連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝，其特征在于所述倒立棱錐的頂點(diǎn)向下，開(kāi)口向上；所述第一倒立棱臺(tái)的小開(kāi)口與倒立棱錐的開(kāi)口重合，大開(kāi)口與第二倒立棱臺(tái)的小開(kāi)口重合；所述第二倒立棱臺(tái)的大開(kāi)口向上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝，其特征在于所述倒立棱錐為正四棱錐；兩個(gè)倒立棱臺(tái)均為正四棱臺(tái)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝，其特征在于所述第二倒立棱臺(tái)的側(cè)面與水平面的夾角為45°，第一倒立棱臺(tái)的側(cè)面與水平面的夾角為2° 10°， 倒立棱錐的側(cè)面與水平面的夾角為45°。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝，其特征在于所述第二倒立棱臺(tái)的側(cè)棱長(zhǎng)度為3mm 15mm,倒立棱錐的側(cè)棱長(zhǎng)度為Imm 8mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝，其特征在于所述第二倒立棱臺(tái)的頂部開(kāi)口邊長(zhǎng)為156mm 157mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝，其特征在于所述第二倒立棱臺(tái)的頂部開(kāi)口邊長(zhǎng)為125mm 126mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝，其特征在于所述凹坑的分布方式為直角行列分布。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝，其特征在于所述坩堝的材質(zhì)為石英陶瓷。
10.如權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)所述的利用制備鑄錠的坩堝生長(zhǎng)準(zhǔn)單晶硅鑄錠的方法，其特征在于，熔化的硅料在底部?jī)?nèi)壁具有規(guī)則空間分布的三維幾何形狀的坩堝中進(jìn)行生長(zhǎng)，所述規(guī)則的空間分布的三維幾何形狀由同一形狀的凹坑在二維空間復(fù)制排列而形成，所述凹坑由空心的倒立棱錐、空心的第一倒立棱臺(tái)和空心的第二倒立棱臺(tái)組成，所述第二倒立棱臺(tái)、第一倒立棱臺(tái)和倒立棱錐自上而下相互連通；生長(zhǎng)方法包括以下步驟1)熔化的硅料在溫度降低時(shí)，從坩堝內(nèi)壁的凹坑底部頂點(diǎn)處開(kāi)始生長(zhǎng)晶核；2)晶核沿凹坑由下至上立體生長(zhǎng)；3)部分晶核生長(zhǎng)到達(dá)凹坑的上頂面時(shí)，停止溫度下降的趨勢(shì)并保持溫場(chǎng)的等溫面水平，使所有晶核同時(shí)生長(zhǎng)到上頂面；4)繼續(xù)降低溫度，凹坑內(nèi)形成的晶粒以柱狀晶的方式垂直向上生長(zhǎng)，形成準(zhǔn)單晶硅鑄錠。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于制備準(zhǔn)單晶硅鑄錠的坩堝，其底部?jī)?nèi)壁具有規(guī)則的空間分布的三維幾何形狀，規(guī)則的空間分布的三維幾何形狀由同一形狀的凹坑在二維空間復(fù)制排列而形成；凹坑由空心的倒立棱錐、空心的第一倒立棱臺(tái)和空心的第二倒立棱臺(tái)組成，第二倒立棱臺(tái)、第一倒立棱臺(tái)和倒立棱錐自上而下相互連通。本發(fā)明還公開(kāi)了一種利用所述坩堝生長(zhǎng)準(zhǔn)單晶硅鑄錠的方法。本發(fā)明能夠提高鑄錠質(zhì)量，增大晶粒尺寸，提高晶粒均勻度，促進(jìn)晶粒垂直生長(zhǎng)，減少晶界數(shù)量和晶界處雜質(zhì)，使硅錠晶粒的尺寸增大至與硅電池片尺寸一致，切片后得到的單個(gè)電池晶體為準(zhǔn)單晶體，實(shí)現(xiàn)采用低成本方式制備準(zhǔn)單晶結(jié)構(gòu)的硅電池片，降低了電池片的成本，提高了電池片的效率。
文檔編號(hào)C30B28/06GK102995103SQ20111026504
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者史珺, 宗衛(wèi)峰, 程素玲 申請(qǐng)人:上海普羅新能源有限公司