用于多晶硅铸锭的坩埚制造技术

本实用新型专利技术公开了一种用于多晶硅铸锭的坩埚，在其底部内壁具有规则的空间分布的三维几何形状。具有规则的空间分布的三维几何形状是指由锥体在空间复制而形成的二维阵列，且所述锥体是顶点向下、开口向上的空心倒立锥体。所述倒立锥体的顶面为正三角形、正四边形、正六边形，采用紧密堆积方式在二维空间复制排列。所述锥体的顶面也能为正五边形、正七边形，采用非紧密堆积方式在二维空间复制排列。本实用新型专利技术能够提高多晶硅铸锭质量，增大晶粒尺寸，提高晶粒的均匀性，促进晶粒垂直生长，减少晶界数量和晶界处的位错和杂质等缺陷，从而能增加电池片的效率，降低光伏发电的成本。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及硅晶体生长领域，特别涉及一种用于多晶硅铸锭的坩埚。
技术介绍
现有的太阳能级多晶硅铸锭，均采用石英陶瓷坩埚。通常采用方形片平状底面为正方形的长方体结构，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。由于石英陶瓷的纯度较高，耐热性和抗热冲击性较好，因此，成为多晶硅铸锭坩埚的主要原料。现有坩埚通常采用注浆法或注凝法，先通过模具成型，之后再烧结。现有坩埚底部是平坦的，但有陶瓷烧结所特有的微粒结构。现有坩埚的底部表面上这些微粒结构会形成不平整的底部表面，在多晶硅铸锭时，会使得硅液在冷却时沿硅液底部产生温度的有高有低，在逐渐降温接近硅熔点时，较冷部分先形核，然后随着温度降低，这些晶核逐渐长大。长大的过程中，先沿坩埚底面横向生长，然后，当与另外的晶核形成的晶粒相遇时，发生顶触，待底面全部布满晶粒后，则开始随着温度空间的梯度和温度随时间的下降，开始向上生长，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，也是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，在CZ法直拉单晶的基础上，获得大量应用。但是，这样的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，造成生长出的晶体的晶粒大小不均匀。二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。三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多晶硅在后续的切片过程中，硅片表面的晶向不是(111)晶向，这样，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。这些原因，导致了多晶硅光伏电池的效率目前低于单晶硅的光电转换效率。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是提供一种用于多晶硅铸锭的坩埚，能够提高多晶硅铸锭质量，增大晶粒的尺寸，增加晶粒的均匀性，促进晶粒垂直生长，减少晶界数量和晶界处的位错和杂质等缺陷，能增加电池片的效率，降低光伏发电的成本。为解决上述技术问题，本技术提供一种用于多晶硅铸锭的坩埚，所述坩埚的底部内壁具有规则的空间分布的三维几何形状。所述坩埚的材质为石英陶瓷。所述具有规则的空间分布的三维几何形状是一种二维锥体阵列形成的形状，所述二维锥体阵列是由同一形状的锥体在二维空间复制排列而形成的。所述锥体为顶点向下、-->开口向上的空心倒立锥体。所述锥体的径向和纵向尺寸的数量级为10毫米。所述二维锥体阵列的分布方式是直角行列分布、或平行四边形的行列分布、或蜂窝状的六角形分布、或以坩埚中心为圆心的圆环形分布、或以坩埚中心为圆心的放射状分布。所述倒立锥体的顶面为正三角形、正四边形或正六边形中的任何一种形状，锥体的顶面采用紧密堆积方式在二维空间复制排列。所述倒立锥体的顶面也能为正五边形或正七边形中的任何一种形状，锥体的顶面采用非紧密堆积方式在二维空间复制排列。本技术的有益效果为：本技术能够提高多晶硅铸锭质量，增大晶粒的尺寸，提高晶粒的均匀性，促进晶粒垂直生长，减少晶界数量和晶界处的位错和杂质等缺陷，减少硅锭以及随后的硅片和电池片的应力，增加少数载流子寿命，提高电阻率，增加电池片的效率。本技术能使多晶硅的电池转换效率提高3％以上，提高了光伏电池的效率，降低了光伏发电的成本，具有显著的经济和社会意义。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明：图1A是本技术实施例一的坩埚底部内壁结构剖视图；图1B是本技术实施例一的坩埚底部内壁结构俯视图；图2A是本技术实施例二的坩埚底部内壁结构剖视图；图2B是本技术实施例二的坩埚底部内壁结构俯视图；图3A是本技术实施例三的坩埚底部内壁结构剖视图；图3B是本技术实施例三的坩埚底部内壁结构俯视图。具体实施方式本技术是在坩埚底部内壁上形成有三维几何形状，该三维几何形状是由倒立的金字塔结构的空间即锥形空间也即所述空心倒立锥体组成，每个倒立的锥形空间的底部顶点将在降温时成为晶核的形成点，这样就确定了晶核的空间分布；同时，在晶核生长过程中，不再沿底面横向生长，而是沿锥形空间从下到上逐渐成为立体生长，而且生长的速度受温度随时间和高度下降的温场控制，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锥形空间顶点可能不在一个平面上，可能会导致开始结晶时各倒锥形空间的晶核形成的时间有不同，也能够保证所有的倒锥形空间的晶核以同样的速度生长，并以接近同一个时刻生长到锥形空间的上顶面，只要在晶体到达上顶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，就能够保证所有的锥形空间同时生长到顶面，然后再继续降低温度，就使得各锥形空间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晶粒度和相同形状的等轴柱状晶所构成的均匀的多晶硅锭。本技术实施例一、二、三所叙述的坩埚底部形状，分别为顶面为正三角形、正四边形、正六边形的三种空心倒立锥体，采用紧密堆积方式在二维空间复制排列。这三种特定的三维几何形状，使晶核在长大时只有符合要求的柱状晶体才能生成。各种不同的锥体能够形成不同的晶粒横截面形状，而且可以防止其它类型晶粒形态如枝状晶、羽状晶、微晶的长成。底部几何形状的形成可以在模具上加工而成，然后用在石英砂料成型时形成。-->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。由于几何锥体形状的径向尺寸都在10毫米的数量级，而石英坩埚表面的微结构都在亚毫米的级别上，二者相差了四个数量级，因此，这种几何结构能够形成一种强制长晶的效果，使得晶体生长不再受坩埚底面的微结构的影响，并进一步使得晶体生长严格受控。如图1A和图1B所示，为本技术实施例一的坩埚底部内壁结构剖视图和俯视图，所述锥体为顶面为正三角形的空心倒立锥体结构，并采用紧密堆积方式复制排列，在所述坩埚底部内壁形成具有规则的空间分布的三维几何形状。如图2A和图2B所示，为本技术实施例二的坩埚底部内壁结构剖视图和俯视图，所述锥体为顶面为一正方形的空心倒立锥体结构，并采用紧密堆积方式复制排列在所述坩埚底部内壁形成具有规则的空间分布的三维几何形状。如图2B所示，所述正方形边长为15毫米，所述锥体的高度为8毫米。最后形成的本技术实施二的坩埚的边长为600毫米，高度为420毫米。应用本技术实施二的坩埚进行多晶硅硅锭生长：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1693K，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。最后所得到的多晶硅硅锭高度为230毫米，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，晶粒的边长误差小于2毫米。顶面平整，四周均匀。作为和本技术实施例二的所述坩埚对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于多晶硅铸锭的坩埚，其特征在于：所述坩埚的底部内壁具有规则的空间分布的三维几何形状，所述具有规则的空间分布的三维几何形状是一种二维锥体阵列形成的形状，所述二维锥体阵列是由同一形状的锥体在二维空间复制排列而形成的。

【技术特征摘要】
1.一种用于多晶硅铸锭的坩埚，其特征在于：所述坩埚的底部内壁具有规则的空间分布的三维几何形状，所述具有规则的空间分布的三维几何形状是一种二维锥体阵列形成的形状，所述二维锥体阵列是由同一形状的锥体在二维空间复制排列而形成的。2.如权利要求1所述的用于多晶硅铸锭的坩埚，其特征在于：所述坩埚的材质为石英陶瓷。3.如权利要求1所述的用于多晶硅铸锭的坩埚，其特征在于：所述锥体为顶点向下、开口向上的空心倒立锥体。4.如权利要求3所述的用于多晶硅铸锭的坩埚，其特征在于：所述倒立锥体的顶面为正三角形、正四边形和正六边形中的任何一种形状，...

【专利技术属性】
技术研发人员：史珺，
申请(专利权)人：上海普罗新能源有限公司，
类型：实用新型
国别省市：31[中国|上海]