一種多晶硅鑄錠用坩堝的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及太陽能電池技術領域，尤其涉及一種多晶硅鑄錠用坩禍。
【背景技術】
[0002]太陽能作為可再生清潔能源，具有安全可靠、無噪聲、無污染、制約少、故障率低、維護簡便、資源廣闊等其他常規能源所不具備的優點。單晶硅電池具有最高的太陽能轉化效率，但單晶硅的生產耗時、耗電，成本相對較高。多晶硅可通過鑄錠方式制備而易于實現規模化生產。然而，由于具有較多的晶界成為電子-空穴復合中心，多晶硅的效率低于單晶硅。為此，目前多晶硅錠的制備方法主要采用GT Solar所提供的定向凝固系統法(簡稱DSS)爐晶體生長技術，通過控制多晶硅的定向生長，使多晶硅片具有盡可能大的單晶區域，以提高電池性能。該技術通常包括加熱、熔化、凝固長晶、退火和冷卻等步驟，其中存在著以下技術問題:
[0003]1、現有的鑄錠爐主要依靠提升隔熱籠來降低底部溫度，但是單純的提升隔熱籠，定向助凝塊四邊的散熱速率高于中央的散熱速率，這種降溫模式會形成水平方向上的溫度梯度，從而影響了硅錠晶粒的垂直度，最終導致晶粒尺寸不均勻。
[0004]2、在凝固長晶的過程中，伴隨著坩禍底部的持續冷卻，熔融狀態的硅料自發形成隨機形核、并且隨機形核逐漸生長。但現有技術中初始形核不能得到很好的控制，形核過程中容易產生位錯，易于導致晶向無規律、晶界不規則、晶粒不均勻(從微米級到十幾厘米)，影響了多晶硅錠的產品質量和轉換效率。
[0005]針對上述問題，為減少降溫模式所帶來的溫度梯度，在熔化過程中通過攪拌或超聲波的處理可以有一定的改善作用。但是，現有的鑄錠爐無法增加攪拌設施，并且攪拌器的加入會帶來雜質的引入;而超聲波的處理可以達到細化晶粒的效果，但這種方法既增加了設備復雜度，也無法在線控制超聲作用，實際應用效果不佳。
[0006]為控制硅晶體的均勻形核，目前主要采用了以下兩種方式:一、提供成核物質，SP在坩禍底部首先鋪一層高純硅料作為籽晶，或者制備一層形核源層。然而，由于現有鑄錠爐主要采用鐘罩式加熱，坩禍周圍的溫度較高，從而導致坩禍底部外沿部分的籽晶首先熔化，致使坩禍底層結晶不均勻，影響了結晶效果。此外，由于現有的鑄錠技術中，均已采用噴涂法制備了氮化硅涂層，因此制備形核源層的方式在實際使用過程中效果并不好。二、利用特定的形狀引發硅晶體規則成核，即在石英坩禍底部均勻分布高純顆粒，或者，在坩禍內的底部設置多個凹坑，以形成凹凸起伏的底部，實現底部熔硅定點快速優先成核。但是，優先成核的晶粒依然是隨機形成的，其促進晶粒定向生長的效果依舊有限。
【實用新型內容】
[0007]本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種有助于減少水平方向溫度梯度的多晶娃鑄徒用樹禍，以利于獲得尺寸均勾細小的晶粒，有效提尚多晶娃徒的廣品質量。
[0008]本實用新型的目的通過以下技術方案予以實現:
[0009]本實用新型提供的一種多晶硅鑄錠用坩禍，具有呈平面的底面和與底面垂直的側壁;此外，所述坩禍內的底面上、與側壁結合的邊沿處為呈周向設置的凹槽，所述凹槽其截面形狀為連貫弧形。
[0010]在熔化過程中，由于現有的鑄錠爐采用鐘罩式加熱，坩禍中處于頂部和側壁上部的硅料會首先熔化。這樣，首先熔化的液態硅在重力作用下，沿內壁自上而下流動。如果坩禍的底部是平面的，則硅液直接匯集在坩禍的底部，不會產生明顯的擾動作用。本實用新型采用上述弧形凹槽，利用硅液重力及慣性作用，在凹槽的引導下可使硅液向高處沖擊而進入到坩禍的內部，從而起到自攪拌作用，有助于減少水平方向上的溫度梯度、并產生熱交換作用，實現均勻成核并減少了熔化時間。
[0011]上述方案中，為提高凹槽的引導作用，以利于硅液進入到坩禍的內部，本實用新型所述凹槽的截面由二段相連的弧形組成，與側壁相鄰的一側弧形的弧度大于或等于另一側弧形的弧度。
[0012]進一步地，本實用新型所述凹槽的深度為10?50mm、寬度為20?100mm;所述凹槽與側壁相鄰的一側弧形其弧度為90°。
[0013]進一步地，本實用新型所述凹槽處的坩禍厚度與所述底面處的坩禍厚度相同，使得凹槽與坩禍底部具有相同的過冷度，有助于均勻成核。
[0014]根據晶體生長理論，晶體的成核過程是一個凝固-溶解的過程，當晶粒尺寸超過臨界尺寸后，晶粒才能進一步長大形成晶體。在凝固生長過程中，為提供更多的晶體原子聚集點，以促進晶粒的順利成核，并更好地控制晶粒定向生長，本實用新型所述底面上和凹槽的表面設置有尖銳狀凸起，所述尖銳狀凸起的中心軸與底面垂直。
[0015]進一步地，本實用新型所述尖銳狀凸起的高度為I?5mm，頂部尖角處最大外形輪廓所形成的角度< 30°。所述尖銳狀凸起呈緊密排列，或者呈規則有序排列。
[0016]本實用新型具有以下有益效果:
[0017](I)本實用新型結構簡單合理，通過在坩禍內的底面上、與側壁結合的邊沿處設置弧形凹槽，使得頂部及側壁上部首先熔化的液態硅在其重力慣性作用下，沿側壁向下流動，并利用弧形凹槽的引導使得硅液沖擊進入到坩禍中部。硅液的沖擊能夠產生攪動，從而起到自攪拌作用，不僅有助于減少水平方向上的溫度梯度，獲得尺寸均勻細小的晶粒，而且有助于提高熱交換過程，可促進坩禍內部硅料的熔化，減少了熔化時間。
[0018](2)本實用新型底部設置的凸起呈尖銳狀而具有較高的曲率，從而能夠為晶體原子的聚集提供更多的匯集點，有助于提高晶粒原子凝聚的概率，促進晶粒尺寸超過臨界尺寸而順利成核。此外，尖銳狀凸起容易形成晶體生長點，從而能夠有效避免晶粒的散亂生長，達到控制晶粒定向生長的目的。
[0019](3)本實用新型弧形凹槽與坩禍底部具有相同的過冷度，有助于同時形成晶核。并且，弧形凹槽及尖銳狀凸起可以減少硅晶體成核所需過冷度，有助于均勻成核，使得在現有的鑄錠工藝中，無需采用過度提高隔熱籠來獲得較低的溫度，減少了過大的溫度梯度對坩禍及涂層的影響，避免了粘禍甚至泄露等生產事故。
[0020](4)本實用新型適用面廣，由于坩禍底部外沿部分為弧形凹槽而具有相對較低的溫度，對于采用坩禍底部鋪設籽晶的生產工藝，則有助于保持該處籽晶不被溶解，從而獲得均勻成核。
【附圖說明】
[0021]下面將結合實施例和附圖對本實用新型作進一步的詳細描述:
[0022]圖1是本實用新型實施例一種多晶硅鑄錠用坩禍的結構示意圖；
[0023]圖2是圖1所示實施例中弧形凹槽的截面形狀之一；
[0024]圖3是圖1所示實施例中弧形凹槽的截面形狀之二；
[°°25]圖4是圖1所示實施例的原理示意圖。
[0026]圖中:底面I，側壁2，凹槽3，弧形3a、3b，凹槽深度H，凹槽寬度W，弧形3a的弧度α，尖銳狀凸起4
【具體實施方式】
[0027]圖1?圖4所示為本實用新型一種多晶硅鑄錠用坩禍的實施例。
[0028]如圖1所示，本實施例坩禍具有呈平面的底面I和與底面I垂直的側壁2。坩禍內的底面I上、與側壁2結合的邊沿處為呈周向設置、截面形狀為連貫弧形的凹槽3，凹槽3的與側壁相鄰一側的弧形3a其弧度α為90°，另一側的弧形3b其弧度小于或等于90° (見圖2和圖3);凹槽處的坩禍厚度與底面處的坩禍厚度相同。在坩禍內的底面I上和凹槽3的表面設置有尖銳狀凸起4，其形狀可以是三棱錐性、金字塔形或者其他多棱形狀，其中心軸與底面I垂直。尖銳狀凸起4呈緊密排列(或呈規則有序排列)。
[0029 ] 為適合于無籽晶添加的工藝，凹槽3的深度H為I Omm、寬度W為90mm(見圖2)，尖銳狀凸起4的形狀為三棱錐形，高度為5mm，頂部尖角處最大外形輪廓所形成的角度為20°。或者，為適合于添加籽晶為晶核的工藝，凹槽3的深度H為50mm、寬度W為10mm(見圖3)，尖銳狀凸起4的形狀為金字塔形，高度為1mm，頂部尖角處最大外形輪廓所形成的角度為30°。
[0030]本實施例工作原理如下:
[0031]現有的多晶硅鑄錠爐采用鐘罩式加熱，坩禍頂部和側壁2上部的硅料首先融化，如圖4所示，融化的硅液會在重力的作用下，自上而下沿側壁2流入到坩禍底部的弧形凹槽3處。而下落的硅液在重力作用及慣性作用下，沿著凹槽3弧面沖刺到更高的位置，從而與坩禍內部尚未融化的硅料相接觸并產生攪動，從而起到自攪拌作用，不僅有助于減少水平方向上的溫度梯度，獲得尺寸均勻細小的晶粒，而且產生熱交換作用，提高了硅料內部的融化速率，減少了熔化時間。
[0032]尖銳狀凸起4則為晶體原子的聚集提供匯集點，有助于提高晶粒原子凝聚的概率，促進晶粒尺寸超過臨界尺寸而順利成核。并且，尖銳狀凸起4有利于形成晶體生長點，從而避免晶粒的散亂生長，達到控制晶粒定向生長的目的。
【主權項】
1.一種多晶硅鑄錠用坩禍，具有呈平面的底面(I)和與底面(I)垂直的側壁(2);其特征在于:所述坩禍內的底面(I)上、與側壁(2)結合的邊沿處為呈周向設置的凹槽(3)，所述凹槽(3)其截面形狀為連貫弧形。2.根據權利要求1所述的多晶硅鑄錠用坩禍，其特征在于:所述凹槽(3)的截面由二段相連的弧形(3a、3b)組成，與側壁相鄰的一側弧形(3a)的弧度(α)大于或等于另一側弧形(3b)的弧度。3.根據權利要求2所述的多晶硅鑄錠用坩禍，其特征在于:所述凹槽(3)的深度(H)為10?50mm、寬度(W)為20?100mm;所述凹槽(3)與側壁相鄰的一側弧形(3a)的弧度(α)為90°。4.根據權利要求1所述的多晶硅鑄錠用坩禍，其特征在于:所述凹槽(3)處的坩禍厚度與所述底面(I)處的坩禍厚度相同。5.根據權利要求1或2或3或4所述的多晶硅鑄錠用坩禍，其特征在于:所述底面(I)上和凹槽(3)的表面設置有尖銳狀凸起(4)，所述尖銳狀凸起(4)的中心軸與底面(I)垂直。6.根據根據權利要求5所述的多晶硅鑄錠用坩禍，其特征在于:所述尖銳狀凸起(4)的高度為I?5mm，頂部尖角處最大外形輪廓所形成的角度< 30°。7.根據根據權利要求5所述的多晶硅鑄錠用坩禍，其特征在于:所述尖銳狀凸起(4)呈緊密排列。8.根據根據權利要求5所述的多晶硅鑄錠用坩禍，其特征在于:所述尖銳狀凸起(4)呈規則有序排列。
【專利摘要】本實用新型公開了一種多晶硅鑄錠用坩堝，具有呈平面的底面和與底面垂直的側壁；此外，所述坩堝內的底面上、與側壁結合的邊沿處為呈周向設置的凹槽，所述凹槽其截面形狀為連貫弧形。本實用新型采用上述弧形凹槽，利用硅液重力及慣性作用，在凹槽的引導下使硅液向高處沖擊而進入到坩堝的內部，從而起到自攪拌作用，有助于減少水平方向上的溫度梯度，從而獲得尺寸均勻細小的晶粒，有效提高了多晶硅錠的產品質量。
【IPC分類】C30B29/06, C30B28/06
【公開號】CN205171015
【申請號】CN201520977445
【發明人】常啟兵, 王霞, 汪永清, 周健兒
【申請人】景德鎮陶瓷學院
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年11月30日