一种石英坩埚制造技术

本实用新型专利技术公开了一种石英坩埚，所述石英坩埚底部具有诱导籽晶自发生成的凹坑。本实用新型专利技术所述石英坩埚的使用有效的提高了生长出的铸造晶体硅的质量，进而提高了太阳电池的电学性能。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及光伏行业，具体是一种准单晶铸造石英坩埚。
技术介绍
从目前的光伏市场来看，硅太阳电池占据大部分的市场份额。根据所使用的材料类型的不同，硅太阳电池可以分为晶体硅太阳电池以及薄膜硅太阳电池。由于设备昂贵、工艺较复杂以及转化效率较低等原因，薄膜硅太阳电池所占市场份额要远远小于晶体硅太阳电池，根据市场统计数据，晶体硅太阳电池在2009年所占份额为85%左右。在晶体硅太阳电池中，由于多晶硅材料较简单的制造工艺以及相对较低的制造成本，从2003年开始，多晶硅所占市场份额已经超过单晶硅太阳电池。从目前主流工艺来看，单个多晶硅铸锭的重量可以达到450kg，是单晶硅单根晶锭重量的几倍，并且铸造多晶硅锭主要的生长过程就是一个定向凝固过程，相比单晶硅的生长过程（润晶、缩颈、放肩、转肩、等径生长、收尾）要简单得多，这就决定了多晶硅片的生产成本要比单晶硅片低。随着铸锭技术的不断优化，铸造多晶硅中的平均晶粒直径可以达到厘米级，这样，晶界对多晶硅电学性能的影响就不是特别严重。根据工厂大规模生产数据，由相同工艺制造的单晶硅和多晶硅太阳电池，绝对效率相差大约1-2%。铸造法的基本工艺过程一般是在石英坩埚中将熔化的硅原料由底部到顶部逐渐凝固为硅晶体。为了防止来自石英坩埚中氧及其他杂质对硅晶体的沾污，坩埚内壁一般涂覆Si3N4涂层，但仍然不能有效的阻止坩埚中杂质特别是金属杂质对硅晶体的沾污。这些杂质常常聚集在多晶硅的缺陷上，引起缺陷复合活性的提高，降低了多晶硅及其电池的电学性能。因此，很多公司以及研究小组致力于开发铸造单晶活着准单晶技术，利用低成本的铸造法生长缺陷密度极低的硅晶体。目前在铸造法生产准单晶方面走在前面的公司为BP Solar， 他们开发出了称为“Mono2”的准单晶铸造技术【Stoddard N, Wu B, Witting I, Wagener M, Park Y, Rozgonyi G, Clark R. Casting single crystal silicon: Novel defect profiles from BP solar's mono(2) (TM) wafers[J]. Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology Xii, 2008,131-133: 1-8】。其基本思想是在坩埚底部加入籽晶，再在籽晶的上面装料，在硅原料熔化过程中，籽晶或者一部分籽晶始终保持固态，在冷却过程中，准单晶就会沿着籽晶的晶向结晶。从他们得到的晶体来看，缺陷密度确实得到了很大程度的降低，相应的，由这种准单晶制造的太阳电池以及组件的性能也得到了提高。枝状晶生长是金属学中常见的概念，硅晶体生长中很少有人关注。枝状晶生长结晶初期，由于过冷度的影响，某个晶向生长速度明显高于其他晶向，使得这个晶向呈树枝状在熔体中择优生长。随着熔体的进一步冷却，其他熔体逐渐以择优生长出的枝状晶为籽晶进行生长，直至完全结晶。因此，这种生长方法得到的晶体晶向比较单一。Fujiwara将这种枝状晶生长技术引入到多晶硅铸造工艺中，利用硅在某个方向的择优结晶生长特性得到晶粒较大、晶界密度较低的铸造多晶硅。此技术的关键是在晶界开始阶段的热场控制，-->在坩埚底部得到<112>晶面的结晶，后面的结晶就会沿着这个方向不断向上生长，直到结晶过程结束【Fujiwara K, Pan W, Usami N, Sawada K, Tokairin M, Nose Y, Nomura A, Shishido T, Nakajima K. Growth of structure-controlled polycrystalline silicon ingots for solar cells by casting[J]. Acta Materialia, 2006,54(12): 3191-3197】。利用枝状晶铸造法得到的多晶硅中，晶粒明显较普通多晶硅大，晶界密度明显较低，从晶向来看，<112>晶向所占比例非常高。根据报道，由这种多晶硅制造的太阳电池转化效率得到明显提高。然而，以上铸造准单晶技术都存在一定的缺点。对于BP Solar的Mono2技术，准单晶生长需要籽晶的辅助，籽晶的加入直接增加了铸造法的生产成本；对于枝状晶铸造准单晶技术，硅晶体结晶初期的精确控制非常重要，需要特殊的铸造炉才能很好的控制枝状晶的生长，前期结果都是在实验室得到，工业生产还存在一定问题。
技术实现思路
技术目的：本技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种铸造准单晶的石英坩埚以及采用该坩埚铸造准单晶的方法。技术方案：为了实现上述目的，本技术提供了一种石英坩埚，所述石英坩埚底部具有诱导籽晶自发生长的凹坑。一种石英坩埚，底部具有诱导籽晶生长的凹坑。所述石英坩埚底部诱导籽晶生长的凹坑，其形状为喇叭状或漏斗状。所述石英坩埚底部诱导籽晶生长的凹坑，由锥状上部和柱状下部构成。所述凹坑的锥状上部上端为椭圆形或多边形；柱状下部的底部为椭圆形或多边形。所述凹坑最大深度h为2-14cm；所述柱状下部底部椭圆形短轴或多边形最短边d为5mm~50mm；所述柱状下部（2）高度h'大于2d； 所述锥形上部上端椭圆形短轴或多边形最短边D为30mm~156mm。所述相邻籽晶诱导凹坑之间的距离为D~2D。所述石英坩埚底部厚度为5cm~15cm。所述石英坩埚表面涂覆氮化硅涂层。本技术还公开了一种铸造准单晶的方法，该方法的具体步骤如下：（1）采用上述的石英坩埚铸造准单晶，首先在石英坩埚内装入硅料；（2）将石英坩埚放入铸造炉，炉内温度，1450-1580摄氏度；（3）初期阶段凹坑内硅熔体的结晶速度小于1mm/min；（4）然后以0.5-3mm/min的速度完成整个晶体的生长；（5）冷却出炉。本技术中所述步骤（1）中石英坩埚的底部凹坑内可放入单晶籽晶，所述单晶籽晶的长度为2cm～5cm，直径与凹坑下端柱状区域尺寸相同。本技术利用晶体生长的自然淘汰法则，当晶体在较小直径的容器中结晶时，如附图1所示，假设在容器底部存在三个晶向的晶核A、B和C，由于晶体的各向异性，不同晶向生长速度不同，假设B晶向最快生长方向与容器壁平行，而A、C晶向最快生长方向与容器壁斜交，当生长过一定高度后，A和C晶向就会被自然淘汰，只留下B晶向。利用此原理，我们就可以得到后续晶体生长的籽晶。本技术在石英坩埚底部制作排列上口大下口小的诱导籽晶自发生长的凹坑，-->有效的提高了生长出的铸造晶体硅的质量，进而提高了太阳能电池的电学性能。有益效果：本技术所述石英坩埚的使用有效的提高了生长出的准单晶的质量，进而提高了太阳能电池的电学性能。本技术中所述的铸造准单晶的方法，得到的晶粒直径约为5-10cm，经测试位错密度在103cm-2左右，远远低于相同条件下普通铸造方法得到的硅晶体中104-105cm-2的数值范围；相应的，采用本技术所述方法得到的硅片少子寿命值为18us左右，大于相同原料普通铸造法得到的硅片的11us的少子寿命值。附图说明图1自然淘汰法则示意图。图2为本技术中所述石英坩埚结构示意图。图3为本实用新本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种石英坩埚，其特征在于：所述石英坩埚底部具有诱导籽晶生长的凹坑。

【技术特征摘要】
1.一种石英坩埚，其特征在于：所述石英坩埚底部具有诱导籽晶生长的凹坑。2.根据权利要求1所述的一种石英坩埚，其特征在于：所述石英坩埚底部诱导籽晶生长的凹坑，其形状为喇叭状或漏斗状。3.根据权利要求2所述的一种石英坩埚，其特征在于：所述石英坩埚底部诱导籽晶生长的凹坑，由锥状上部（1）和柱状下部（2）构成。4.根据权利要求3所述的一种石英坩埚，其特征在于：所述凹坑的锥状上部（1）上端为椭圆形或多边形；柱状下部（2）的底部为椭圆形或多边形。5.根据权利要求3所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓强，邢国强，林赛女，
申请(专利权)人：奥特斯维能源太仓有限公司，
类型：实用新型
国别省市：32