太陽能級多晶矽提純鑄錠用的坩堝的製作方法
2023-11-06 15:29:17 4
專利名稱：太陽能級多晶矽提純鑄錠用的坩堝的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種坩堝，特別是涉及一種太陽能級多晶矽提純鑄錠用的坩堝。
背景技術：
由於西門子法多晶矽提純技術生產成本高，並且，西門子法生產的矽的純度達 11N，而太陽能級矽對純度的要求僅為6 7N，因此，將西門子法應用到太陽能矽電池製造 領域將造成不必要的資源和成本浪費。近年來，採用冶金法提純製備太陽能級多晶矽的技 術獲得了廣泛的重視。冶金法提純技術需經過矽材料的精煉和鑄錠，採用的裝料容器通常為石英坩堝。 由於矽的熔點較高，精煉與鑄錠耗時較長，在高溫下矽液與坩堝之間長時間接觸不可避免 將發生化學反應。一方面，反應可導致氧元素及其它雜質元素溶入矽液中，使矽液受到汙 染，影響矽晶體的電學性能。另一方面，反應可導致矽錠與坩堝發生粘連，給脫模造成困難。 並且由於矽晶體與坩堝材料的熱膨脹係數不同，粘連的矽錠與坩堝之間產生應力，導致晶 體缺陷的產生，甚至使矽錠及坩堝產生裂紋。因此，為防止鑄錠與坩堝之間的反應與粘連， 便於脫模，並獲得純淨、理想的矽晶體，需在石英坩堝內壁噴塗一層保護塗層。該保護層需 與坩堝之間具有良好的附著性，並且耐高溫，不對矽熔體造成汙染。通常採用的塗層材料的主要成分為氮化矽。坩堝塗上一層氮化矽塗層以後，即可 阻止矽液與坩堝之間的化學反應，有利於脫模，使石英坩堝的重複使用成為可能，從而降低 生產成本。然而，普通的氮化矽塗層的強度不高。氮化矽塗層雖然經過燒結，但在使用過程 中易發生剝落，氮化矽顆粒進入矽熔體中，最後存在於矽晶體中，從而增加矽晶體中的雜質 和位錯等缺陷。水玻璃常被用作塗層粉料的粘合劑，可有效固結塗層粉料，防止塗層脫落。但在高 溫下，水玻璃中的主要成分鈉會對坩堝材料產生侵蝕。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種太陽能級多晶矽提純鑄錠用的坩堝。通 過在坩堝本體內壁塗覆了一層坩堝塗層，使得該坩堝能有效防止塗層顆粒剝落導致顆粒汙 染矽晶體，同時由於在塗層中添加可抑制高溫下鈉對坩堝的破壞作用的成分和在精煉過程 中有助於除雜的成分，因此，具有除雜效果。為解決上述技術問題，本實用新型的太陽能級多晶矽提純鑄錠用的坩堝，包括石 英材質的坩堝本體，其中，該坩堝本體的內壁塗覆了一層由水玻璃、氮化矽粉末、氫氧化鋇 粉末及納米二氧化矽粉末為原料製成的坩堝塗層。所述坩堝塗層的厚度為30 300微米。其中，所述坩堝塗層的製備方法，包括步驟(1)水玻璃的製作將高純碳酸納和高純石英砂以重量比為1 1.5混合後，經過1400 1600°C熔融後，流經去離子水，得到熔融矽酸鈉顆粒，再通過120 160°C的水蒸汽，加熱4 5小時 後，得到水玻璃；(2)將水玻璃、氮化矽粉末、氫氧化鋇粉末及納米二氧化矽粉末混合後，塗覆於坩 堝本體內壁後，低溫烘乾；其中，水玻璃固體總重量的重量比為1 0.8 1 1.2，固體 總重量是氮化矽、氫氧化鋇和納米二氧化矽的三者重量之和；(3)烘乾後的坩堝本體進入加熱爐，於800 1000°C燒結1 8小時後，在坩堝本 體內壁得到一層緻密均勻的保護塗層。所述步驟(1)中的高純碳酸納的純度為99. 9%以上；高純石英的純度為99. 99% 以上，且其中硼、磷含量低於0. Ippm;高純碳酸納和高純石英的粒度小於200目。所述步驟O)中的氮化矽和氫氧化鋇粉末粒度在1000 2000目之間，氮化矽和 氫氧化鋇純度都為99. 9%以上，氮化矽與氫氧化鋇粉末的混合重量比為5 1 20 1。 納米二氧化矽粉末的粒度為20 50nm，納米二氧化矽粉末的純度為99. 99%以上，且其中 硼、磷含量小於0. Ippm ；納米二氧化矽粉末的加入量佔固體總重量的5 25%，其中，固體 總重量是氮化矽、氫氧化鋇和納米二氧化矽的三者重量之和。所述步驟O)中的塗覆方式為噴塗或刷塗；坩堝本體是石英坩堝本體。所述步驟(3)中的低溫烘乾是在60 100°C下，烘乾1 8小時。通過採用水玻璃作為氮化矽的溶劑和粘結劑，在燒結時，水玻璃中的鈉和水份及 二氧化碳全部揮發，氮化矽可以與二氧化矽坩堝牢固結合，將氮化矽顆粒固化在坩堝內壁 上，從而可防止氮化矽顆粒剝落，破壞矽晶體的生長，汙染矽晶體。納米二氧化矽的加入可 以抑制高溫下鈉對石英坩堝的破壞作用，並提高塗層與基體之間的結合強度及塗層的光潔 度。在坩堝塗層內添加氫氧化鋇，高溫下與矽及其中的雜質硼發生反應，生成BOH氣體，隨 SiO揮發，從而可以起到除硼的作用。採用上述方法製備的坩堝塗層，精煉鑄錠後得到多晶矽，對其晶體生長情況採用 SEM(掃描電鏡)進行分析，發現晶體生長完整，晶粒尺寸粗大，無顆粒汙染情況。採用ICP-MS (等離子體質譜儀)進行含量分析，處理後矽中的硼含量為比採用一 般氮化矽塗層坩堝得到的矽中硼含量低10 20%。
以下結合附圖
與具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明附圖是本實用新型的坩堝結構示意圖，1為坩堝塗層，2為坩堝本體。
具體實施方式
以下實施例中，採用的高純碳酸納、高純石英、氮化矽、氫氧化鋇、納米二氧化矽都 是市售產品，其中，高純碳酸納的純度為99. 98% ；高純石英的純度為99. 99%，且其中硼、 磷含量低於0. Ippm ；高純碳酸納和高純石英的粒度小於200目；氮化矽的純度為99. 9% 以上；氫氧化鋇的純度為99. 9% ；納米二氧化矽的純度為99. 999%，且其中硼、磷含量小於 0. Ippm ；氮化矽和氫氧化鋇粉末粒度在1000 2000目之間；納米二氧化矽粉末的粒度為 20 50nm。另外，以下實施例中，精煉鑄錠後得到的多晶矽及利用塗層坩堝得到的矽，都是按常規方法進行操作。實施例1太陽能級多晶矽提純鑄錠用的坩堝，其結構示意圖如說明書附圖所示，包括石英 材質的坩堝本體2，其中，坩堝本體2的內壁塗覆了一層由水玻璃、氮化矽粉末、氫氧化鋇粉 末及納米二氧化矽粉末為原料製成的坩堝塗層1。該坩堝塗層1的厚度為30 300微米。其中，坩堝塗層1，是太陽能級多晶矽提純鑄錠用坩堝塗層1，該坩堝塗層1的製備 方法，包括步驟(1)水玻璃的製作將高純碳酸納和高純石英砂以重量比為1 1.5混合，經過1500°C熔融後，流經去 離子水，得到熔融矽酸鈉顆粒；再通過140°C的水蒸汽，加熱5小時製備水玻璃。(2)將氮化矽粉末和氫氧化鋇粉末按重量比為5 1混合，加入5%的納米二氧化 矽即納米二氧化矽佔固體總重量的5%，其中，固體總重量是氮化矽、氫氧化鋇和納米二氧 化矽的三者重量之和，將混合好的固態粉末(氮化矽、氫氧化鋇和納米二氧化矽的三者之 和)與水玻璃按重量比為1 1的比例混合調勻後，噴塗到石英坩堝本體2內壁，在60°C下 烘乾6小時後，在900°C下燒結6小時，最後在坩堝本體2內壁得到一層緻密均勻的保護塗 層。採用本實施例製備的坩堝塗層1，精煉鑄錠後得到多晶矽，對其晶體生長情況採用 SEM(掃描電鏡)進行分析，發現晶體生長完整，晶粒徑向尺寸平均為9. 7mm，無顆粒汙染情 況。採用ICP-MS(等離子體質譜儀)進行含量分析，處理後矽中的硼含量為比採用一般氮 化矽塗層坩堝得到的矽中硼含量低16%。實施例2本實施例中的太陽能級多晶矽提純鑄錠用的坩堝如同實施例1，但其中，坩堝塗層 1的製備方法如下(1)水玻璃的製作將高純碳酸納和高純石英砂以重量比為1 1.5混合，經過1400°C熔融後，流經去 離子水，得到熔融矽酸鈉顆粒；再通過120°C的水蒸汽，加熱4. 5小時製備水玻璃。(2)將氮化矽粉末和氫氧化鋇粉末按重量比為10 1混合，加入10%的納米二氧 化矽，將混合好的固態粉末與水玻璃按重量比為1 1的比例混合調勻後，刷塗到石英坩堝 本體2內壁，在100°C下烘乾1小時，最後在1000°C下燒結1小時，最後在坩堝本體2內壁 得到一層緻密均勻的保護塗層。採用本實施例製備的坩堝塗層1，精煉鑄錠後得到多晶矽，對其晶體生長情況採用 SEM(掃描電鏡)進行分析，發現晶體生長完整，晶粒徑向尺寸平均為10. 2mm，無顆粒汙染情 況。採用ICP-MS(等離子體質譜儀)進行含量分析，處理後矽中的硼含量為比採用一般氮 化矽塗層坩堝得到的矽中硼含量低13%。實施例3本實施例中的太陽能級多晶矽提純鑄錠用的坩堝如同實施例1，但其中，坩堝塗層 1的製備方法如下(1)水玻璃的製作將高純碳酸納和高純石英砂以重量比為1 1.5混合，經過1600°C熔融後，流經去離子水，得到熔融矽酸鈉顆粒；再通過160°C的水蒸汽，加熱4小時製備水玻璃。(2)將氮化矽粉末和氫氧化鋇粉末按重量比為15 1混合，加入15%的納米二氧 化矽粉末，將混合好的固態粉末與水玻璃按重量比為1 1的比例混合調勻後，噴塗到石英 坩堝本體2內壁，在80°C下烘乾3小時，最後在800°C下燒結3小時，最後在坩堝本體2內 壁得到一層緻密均勻的保護塗層。採用本實施例製備的坩堝塗層1，精煉鑄錠後得到多晶矽，對其晶體生長情況採用 SEM(掃描電鏡)進行分析，發現晶體生長完整，晶粒徑向尺寸平均為12. 5mm，無顆粒汙染情 況。採用ICP-MS(等離子體質譜儀)進行含量分析，處理後矽中的硼含量為比採用一般氮 化矽塗層坩堝得到的矽中硼含量低15%。實施例4本實施例中的太陽能級多晶矽提純鑄錠用的坩堝如同實施例1，但其中，坩堝塗層 1的製備方法如下(1)水玻璃的製作將高純碳酸納和高純石英砂以重量比為1 1.5混合，經過1450°C熔融後，流經去 離子水，得到熔融矽酸鈉顆粒；再通過150°C的水蒸汽，加熱4小時製備水玻璃。(2)將氮化矽粉末和氫氧化鋇粉末按重量比為20 1混合，加入25%的納米二氧 化矽粉末，將混合好的固態粉末與水玻璃按重量比為1 1的比例混合調勻，刷塗到石英坩 堝本體2內壁，在70°C下烘乾8小時，最後在1000°C下燒結8小時，最後在坩堝本體2內壁 得到一層緻密均勻的保護塗層。採用本實施例製備的坩堝塗層1，精煉鑄錠後得到多晶矽，對其晶體生長情況採用 SEM(掃描電鏡)進行分析，發現晶體生長完整，晶粒徑向尺寸平均為12. 8mm，無顆粒汙染情 況。採用ICP-MS(等離子體質譜儀)進行含量分析，處理後矽中的硼含量為比採用一般氮 化矽塗層坩堝得到的矽中硼含量低18%。實施例5 本實施例中的太陽能級多晶矽提純鑄錠用的坩堝如同實施例1，但其中，坩堝塗層 1的製備方法如下(1)水玻璃的製作將高純碳酸納和高純石英砂以重量比為1 1.5混合，經過1550°C熔融後，流經去 離子水，得到熔融矽酸鈉顆粒；再通過130°C的水蒸汽，加熱4. 2小時製備水玻璃。( 將氮化矽粉末和氫氧化鋇粉末按重量比為8 1混合，加入20%的納米二氧 化矽粉末，將混合好的固態粉末與水玻璃按重量比為1 0.8的比例混合調勻，刷塗到石英 坩堝本體2內壁，在90°C下烘乾5小時，最後在850°C下燒結5小時，最後在坩堝本體2內 壁得到一層緻密均勻的保護塗層。採用本實施例製備的坩堝塗層1，精煉鑄錠後得到多晶矽，對其晶體生長情況採用 SEM (掃描電鏡)進行分析，發現晶體生長完整，晶粒徑向尺寸平均為11. 2mm,無顆粒汙染情 況。採用ICP-MS(等離子體質譜儀)進行含量分析，處理後矽中的硼含量為比採用一般氮 化矽塗層坩堝得到的矽中硼含量低12%。實施例6本實施例中的太陽能級多晶矽提純鑄錠用的坩堝如同實施例1，但其中，坩堝塗層1的製備方法如下(1)水玻璃的製作將高純碳酸納和高純石英砂以重量比為1 1.5混合，經過1580°C熔融後，流經去 離子水，得到熔融矽酸鈉顆粒；再通過1450°C的水蒸汽，加熱4. 8小時製備水玻璃。(2)將氮化矽粉末和氫氧化鋇粉末按重量比為12 1混合，加入12%的納米二氧 化矽粉末，將混合好的固態粉末與水玻璃按重量比為1 1.2的比例混合調勻，噴塗到石英 坩堝本體2內壁，在65°C下烘乾4小時，最後在950°C下燒結4小時，最後在坩堝本體2內 壁得到一層緻密均勻的保護塗層。採用本實施例製備的坩堝塗層1，精煉鑄錠後得到多晶矽，對其晶體生長情況採用 SEM(掃描電鏡)進行分析，發現晶體生長完整，晶粒徑向尺寸平均為12. 3mm，無顆粒汙染情 況。採用ICP-MS(等離子體質譜儀)進行含量分析，處理後矽中的硼含量為比採用一般氮 化矽塗層坩堝得到的矽中硼含量低18%。
權利要求1.一種太陽能級多晶矽提純鑄錠用的坩堝，該坩堝包括石英材質的坩堝本體，其特徵 在於所述坩堝本體的內壁塗覆了一層坩堝塗層。
2.如權利要求1所述的太陽能級多晶矽提純鑄錠用的坩堝，其特徵在於所述坩堝塗 層的厚度為30 300微米。
專利摘要本實用新型公開了一種太陽能級多晶矽提純鑄錠用的坩堝，該坩堝包括石英材質的坩堝本體，其中，該坩堝本體的內壁塗覆了一層由水玻璃、氮化矽粉末、氫氧化鋇粉末及納米二氧化矽粉末為原料製成的坩堝塗層。本實用新型的坩堝可有效防止塗層顆粒剝落導致顆粒汙染矽晶體，同時具有除雜效果。
文檔編號C30B28/06GK201857440SQ201020587029
公開日2011年6月8日 申請日期2010年11月2日 優先權日2010年11月2日
發明者史珺, 程素玲 申請人:上海普羅新能源有限公司