[實用新型]一種石英坩堝

有效

• 申請號: 201020630992.3
• 申請日: 2010-11-30
• 公開（公告）號: CN201942782U
• 公開（公告）日: 2011-08-24
• 發明（設計）人: 李曉強;邢國強;林賽女
• 申請（專利權）人: 奧特斯維能源（太倉）有限公司
• 主分類號: C30B15/10
• 分類號: C30B15/10
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本實用新型涉及光伏行業，具體是一種準單晶鑄造石英坩堝。

背景技術

從目前的光伏市場來看，硅太陽電池占據大部分的市場份額。根據所使用的材料類型的不同，硅太陽電池可以分為晶體硅太陽電池以及薄膜硅太陽電池。由于設備昂貴、工藝較復雜以及轉化效率較低等原因，薄膜硅太陽電池所占市場份額要遠遠小于晶體硅太陽電池，根據市場統計數據，晶體硅太陽電池在2009年所占份額為85%左右。在晶體硅太陽電池中，由于多晶硅材料較簡單的制造工藝以及相對較低的制造成本，從2003年開始，多晶硅所占市場份額已經超過單晶硅太陽電池。

從目前主流工藝來看，單個多晶硅鑄錠的重量可以達到450kg，是單晶硅單根晶錠重量的幾倍，并且鑄造多晶硅錠主要的生長過程就是一個定向凝固過程，相比單晶硅的生長過程（潤晶、縮頸、放肩、轉肩、等徑生長、收尾）要簡單得多，這就決定了多晶硅片的生產成本要比單晶硅片低。隨著鑄錠技術的不斷優化，鑄造多晶硅中的平均晶粒直徑可以達到厘米級，這樣，晶界對多晶硅電學性能的影響就不是特別嚴重。根據工廠大規模生產數據，由相同工藝制造的單晶硅和多晶硅太陽電池，絕對效率相差大約1-2%。

鑄造法的基本工藝過程一般是在石英坩堝中將熔化的硅原料由底部到頂部逐漸凝固為硅晶體。為了防止來自石英坩堝中氧及其他雜質對硅晶體的沾污，坩堝內壁一般涂覆Si₃N₄涂層，但仍然不能有效的阻止坩堝中雜質特別是金屬雜質對硅晶體的沾污。這些雜質常常聚集在多晶硅的缺陷上，引起缺陷復合活性的提高，降低了多晶硅及其電池的電學性能。因此，很多公司以及研究小組致力于開發鑄造單晶活著準單晶技術，利用低成本的鑄造法生長缺陷密度極低的硅晶體。

目前在鑄造法生產準單晶方面走在前面的公司為BP?Solar，?他們開發出了稱為“Mono²”的準單晶鑄造技術【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】。其基本思想是在坩堝底部加入籽晶，再在籽晶的上面裝料，在硅原料熔化過程中，籽晶或者一部分籽晶始終保持固態，在冷卻過程中，準單晶就會沿著籽晶的晶向結晶。從他們得到的晶體來看，缺陷密度確實得到了很大程度的降低，相應的，由這種準單晶制造的太陽電池以及組件的性能也得到了提高。

枝狀晶生長是金屬學中常見的概念，硅晶體生長中很少有人關注。枝狀晶生長結晶初期，由于過冷度的影響，某個晶向生長速度明顯高于其他晶向，使得這個晶向呈樹枝狀在熔體中擇優生長。隨著熔體的進一步冷卻，其他熔體逐漸以擇優生長出的枝狀晶為籽晶進行生長，直至完全結晶。因此，這種生長方法得到的晶體晶向比較單一。Fujiwara將這種枝狀晶生長技術引入到多晶硅鑄造工藝中，利用硅在某個方向的擇優結晶生長特性得到晶粒較大、晶界密度較低的鑄造多晶硅。此技術的關鍵是在晶界開始階段的熱場控制，在坩堝底部得到<112>晶面的結晶，后面的結晶就會沿著這個方向不斷向上生長，直到結晶過程結束【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】。利用枝狀晶鑄造法得到的多晶硅中，晶粒明顯較普通多晶硅大，晶界密度明顯較低，從晶向來看，<112>晶向所占比例非常高。根據報道，由這種多晶硅制造的太陽電池轉化效率得到明顯提高。