石英坩埚的制备方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 104947185 A (43)申请公布日(43)申请公布日 2015.09.30

(21)申请号 201510391525.7(22)申请日 2015.07.06

(71)申请人阿特斯（中国）投资有限公司

地址215300 江苏省苏州市高新区鹿山路

199号

申请人阿特斯光伏电力（洛阳）有限公司(72)发明人李飞龙

(74)专利代理机构苏州威世朋知识产权代理事

务所(普通合伙) 32235

代理人秦蕾(51)Int.Cl.

C30B 28/06(2006.01)C30B 29/06(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图1页

()发明名称

石英坩埚的制备方法(57)摘要

本发明提供了一种石英坩埚的制备方法，其包括如下步骤：提供由石英砂、纯水和粘结剂以一定比例混合搅拌制成的浆料；提供具有特定气孔的泡沫材料，并将所述泡沫材料浸泡于氢氧化钠NaOH溶液中一段时间后，洗净风干备用；将经过NaOH溶液浸泡处理后的泡沫材料在聚乙烯亚胺PEI溶液中浸泡一定时间；将经过PEI溶液浸泡处理后的泡沫材料浸渍于前述由石英砂、纯水和粘结剂以一定比例混合搅拌制成的浆料中，取出并去除多余浆料；提供石英坩埚胚体，将经过前述浆料中浸渍处理的泡沫材料压制并铺满在石英坩埚胚体底部，然后经高温烧制形成底部有均匀孔洞形貌的石英坩埚。如此设置，该方法制备的石英坩埚可以生产出高品质的多晶硅铸锭。 C N 1 0 4 9 4 7 1 8 5 A CN 104947185 A

权 利 要 求 书

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1.一种石英坩埚的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

提供由石英砂、纯水和粘结剂以一定比例混合搅拌制成的浆料；提供具有特定气孔的泡沫材料，并将所述泡沫材料浸泡于氢氧化钠NaOH溶液中一段时间后，洗净风干备用；

将经过NaOH溶液浸泡处理后的泡沫材料在聚乙烯亚胺PEI溶液中浸泡一定时间；将经过PEI溶液浸泡处理后的泡沫材料浸渍于前述由石英砂、纯水和粘结剂以一定比例混合搅拌制成的浆料中，取出并去除多余浆料；

提供石英坩埚胚体，将经过前述浆料中浸渍处理的泡沫材料压制并铺满在石英坩埚胚体底部，然后经高温烧制形成底部有均匀孔洞形貌的石英坩埚。

2.如权利要求1所述的石英坩埚的制备方法，其特征在于：所述浆料为采用具有不同粒径的非晶态石英砂颗粒在一球磨机中加纯水和粘结剂后进行球磨和搅拌制成的，并且所述不同粒径的非晶态石英砂颗粒具体包括占比10%-20%的粒径为10-20um的非晶态石英砂颗粒、占比60%-70%的粒径为20-30um的非晶态石英砂颗粒、占比10%-20%的粒径为30-40um的非晶态石英砂颗粒，所述非晶态石英砂颗粒的纯度不小于99.99%。

3.如权利要求1所述的石英坩埚的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为复合粘结剂，所述复合粘结剂为硅溶胶、糊精混合物，或者为硅溶胶、聚乙烯醇PVA混合物，或者为硅溶胶、羧甲基纤维素CMC混合物，前述复合粘结剂中硅溶胶与糊精或者与PVA或者与CMC的质量比为2-4:1。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的石英坩埚的制备方法，其特征在于：所述浆料中的石英砂、纯水与粘结剂的体积比范围为1:4-6:1。

5.如权利要求1所述的石英坩埚的制备方法，其特征在于：具有特定气孔的所述泡沫材料为软质聚氨酯泡沫材料，并且在浸泡前将其剪裁成特定尺寸。

6.如权利要求1或5所述的石英坩埚的制备方法，其特征在于：所述特定气孔的直径范围为0.5-1mm。

7.如权利要求1或5所述的石英坩埚的制备方法，其特征在于：所述泡沫材料在NaOH溶液中的浸泡时间为4-6小时，在PEI溶液中的浸泡时间为2-4小时。

8.如权利要求1所述的石英坩埚的制备方法，其特征在于：所述NaOH溶液浓度为20%-25%。

9.如权利要求1所述的石英坩埚的制备方法，其特征在于：所述PEI溶液浓度为2%-5%。

10.如权利要求1所述的石英坩埚的制备方法，其特征在于：在进行高温烧制时的温度为1100℃-1150℃，烧结时间为2-3小时。

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说 明 书石英坩埚的制备方法

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技术领域

[0001]

本发明涉及太阳能光伏发电硅片制造技术领域，尤其涉及一种石英坩埚的制备方

法。背景技术

太阳能发电是人类利用太阳能的重要手段，而太阳能电池则是实现光电转换的主要装置，太阳能电池的光电转换效率决定了太阳能源的利用转化率。近年来，世界太阳能电池的产量和装机容量每年都在以约30%的速度快速发展。2010年，全球累计装机容量为25.4GW，预计到2020年全球装机容量将达到278GW。[0003] 目前，太阳能电池的种类不断增多，其中晶体硅太阳能电池尤其是多晶硅太阳能电池以较低的成本和较高的转换效率，在未来一段时期内仍将占据主导地位。但是，相对于传统能源，多晶硅太阳能发电成本相对较高，市场化率相对较低。从目前全球形势及整个行业的发展来看，提高多晶硅太阳能电池的转换效率、降低光伏组件的发电成本是光伏产业的必然趋势。太阳能电池转换效率每提高1%，成本可降低7%。2011年末，市场上用多晶硅太阳能电池转换效率约为16.8％，2012年将达到17%。高效率光伏组件越来越受市场的青睐，低于17％的光伏组件将逐渐被市场淘汰。发展高功率光伏组件的关键在于提升太阳能电池的转换效率。[0004] 目前，提升太阳能电池效率的研究多集中在电池制作工艺的改良及高效电池结构的设计，前者如BSF、MCCE黑硅技术，后者如三洋的HIT（Heterojunction with intrinsic Thinlayer结构，即在P型氢化非晶硅和n型氢化非晶硅与n型硅衬底之间增加一层非掺杂(本征)氢化非晶硅薄膜）结构电池，尽管可以制作出效率高出一般商用化产品的电池，但因制程过于复杂、成本过高，而难以大规模推广。如何以较低的成本制备出高效率的太阳能电池成为行业研究的热点。[0005] 除电池工艺因素外，传统多晶硅片的位错密度过高是多晶硅电池转换效率的主要因素之一。传统多晶硅片内的位错产生原因一方面是硅锭内碳含量过高，碳原子较硅原子半径小，会引起较大的晶格畸变，产生大量位错；另一方面是传统定向凝固方法的局限性，晶体生长初期，晶体内存在较大的位错密度，后期位错增殖，造成整锭位错密度过高。上述位错产生的两个原因中后者占主要地位。[0006] 目前，在改善铸锭位错密度方面，已经做了大量的尝试，主要集中在两个方面：一、在坩埚底部增加一层高纯石英砂或碳化硅颗粒，石英砂或碳化硅颗粒之间的间隙了长晶初期晶核的长大，生产出小晶粒硅锭，利用晶界位错的增殖，从而制备出低位错密度的硅锭；二、在坩埚底部引入硅料作为形核中心，在铸锭过程中保持底部硅料部分熔化，使铸锭在未熔化的硅料上生长，制备出小晶粒硅锭。

[0002]

以上两种方法，各有优缺点，第一种，由于在石英砂上进行晶体生长，属于异质形核，铸锭的质量波动较大，但成本较低；第二种方法，晶体质量高，重复性好，但因底部硅料仅部分熔化的原因，造成铸锭良率下降，成本增加。

[0007]

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说 明 书

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因此，有必要提供一种改进的石英坩埚的制备方法以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石英坩埚的制备方法，其可制成能够制备高品质多晶硅铸锭的石英坩埚。

[0010] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种石英坩埚的制备方法，其包括如下步骤：提供由石英砂、纯水和粘结剂以一定比例混合搅拌制成的浆料；提供具有特定气孔的泡沫材料，并将所述泡沫材料浸泡于氢氧化钠NaOH溶液中一段时间后，洗净风干备用；将经过NaOH溶液浸泡处理后的泡沫材料在聚乙烯亚胺PEI溶液中浸泡一定时间；将经过PEI溶液浸泡处理后的泡沫材料浸渍于前述由石英砂、纯水和粘结剂以一定比例混合搅拌制成的浆料中，取出并去除多余浆料；提供石英坩埚胚体，将经过前述浆料中浸渍处理的泡沫材料压制并铺满在石英坩埚胚体底部，然后经高温烧制形成底部有均匀孔洞形貌的石英坩埚。

[0011] 作为本发明的进一步改进，所述浆料为采用具有不同粒径的非晶态石英砂颗粒在一球磨机中加纯水和粘结剂后进行球磨和搅拌制成的，并且所述不同粒径的非晶态石英砂颗粒具体包括占比10%-20%的粒径为10-20um的非晶态石英砂颗粒、占比60%-70%的粒径为20-30um的非晶态石英砂颗粒、占比10%-20%的粒径为30-40um的非晶态石英砂颗粒，所述非晶态石英砂颗粒的纯度不小于99.99%。[0012] 作为本发明的进一步改进，所述粘结剂为复合粘结剂，所述复合粘结剂为硅溶胶、糊精混合物，或者为硅溶胶、聚乙烯醇PVA混合物，或者为硅溶胶、羧甲基纤维素CMC混合物，前述复合粘结剂中硅溶胶与糊精或者与PVA或者与CMC的质量比为2-4:1。[0013] 作为本发明的进一步改进，所述浆料中的石英砂、纯水与粘结剂的体积比范围为1:4-6:1。

[0014] 作为本发明的进一步改进，具有特定气孔的所述泡沫材料为软质聚氨酯泡沫材料，并且在浸泡前将其剪裁成特定尺寸。[0015] 作为本发明的进一步改进，所述特定气孔的直径范围为0.5-1mm。[0016] 作为本发明的进一步改进，所述泡沫材料在NaOH溶液中的浸泡时间为4-6小时，在PEI溶液中的浸泡时间为2-4小时。[0017] 作为本发明的进一步改进，所述NaOH溶液浓度为20%-25%。[0018] 作为本发明的进一步改进，所述PEI溶液浓度为2%-5%。[0019] 作为本发明的进一步改进，在进行高温烧制时的温度为1100℃-1150℃，烧结时间为2-3小时。

[0020] 相较于现有技术，本发明石英坩埚的制备方法通过在石英坩埚胚体底部压制泡沐材料的制备方法，从而使得形成的石英坩埚底部具有大小均匀的孔洞形貌，与常规的高效坩埚底部孔洞分布的随机性不同，由于泡沐材料的引入，形成的孔洞大小均一，且分布更均匀，从而能够使得采用本发明石英坩埚的制备方法所制作的石英坩埚进行晶硅铸锭时，能够在底部均匀生产出小颗粒晶体，进而通过均匀的晶界位错，最终获得低位错密度的高品质多晶硅铸锭。

[0009]

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说 明 书

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附图说明

[0021]

图1是本发明石英坩埚制备方法的流程图。

具体实施方式

[0022] 以下结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所作出的结构、方法、或功能上的变化均包含在本发明的保护范围内。[0023] 需要说明的是：以下具体描述中步骤代码S1、S2、S3、S4、S5仅是为了描述方便，并不代表制作石英坩埚的实际步骤顺序，例如S1步骤也可以放在S3步骤后。[0024] 参图1所示为本发明石英坩埚的制备方法的一具体实施方式，在本实施方式中，该方法包括以下步骤S1至S5。[0025] S1，提供由石英砂、纯水和粘结剂以一定比例混合搅拌制成的浆料。[0026] 具体地，所述浆料为采用具有不同粒径的非晶态石英砂颗粒在一球磨机中加水和粘结剂后进行球磨和搅拌制成的，所述浆料内的石英砂、纯水以及粘合剂的体积比范围为1:4-6:1，球磨时间为2-4小时。[0027] 其中，所述不同粒径的非晶态石英砂颗粒包括占比10%-20%的粒径为10-20um的非晶态石英砂颗粒、占比60%-70%的粒径为20-30um的非晶态石英砂颗粒、占比10%-20%的粒径为30-40um的非晶态石英砂颗粒，所述非晶态石英砂颗粒的纯度不小于99.99%。所述粘结剂为复合粘结剂，并且可以为硅溶胶、糊精混合物，或者硅溶胶、聚乙烯醇PVA混合物，或者硅溶胶、羧甲基纤维素CMC混合物，前述复合粘结剂中硅溶胶与糊精或者与PVA或者与CMC的质量比为2-4:1。[0028] S2，提供具有特定气孔的泡沫材料，并将所述泡沫材料浸泡于氢氧化钠NaOH溶液中一段时间后，洗净风干备用。[0029] 其中，所述泡沫材料优选采用用来制造泡沫陶瓷的软质聚氨脂泡沫材料，其强度、延展性及挂浆能力较优，并且在进行浸泡前，先将泡沫材料剪裁成特定尺寸，该特定尺寸优选设置为与坩埚胚体的内径相匹配，而厚度控制在15-20mm，以方便对所述泡沫材料挂浆处理。所述泡沫材料的特定气孔的直径尺寸范围为0.5-1mm。所述NaOH溶液的浓度为20%-25%，浸泡时间为4-6小时，并且采用纯水将所述泡沫材料洗净风干。[0030] S3，将经过S2步骤处理的泡沫材料在聚乙烯亚胺PEI溶液中浸泡一定时间。其中，所述聚乙烯亚胺PEI溶液浓度范围为2%-5%，浸泡时间为2-4小时。[0031] S4，将经过S3步骤处理后的泡沫材料浸渍于S1步骤制备的所述浆料中，取出并去除多余浆料；

S5，提供石英坩埚胚体，将经过S4步骤处理的泡沫材料压制并铺满在石英坩埚胚体底部，然后经高温烧制形成底部有均匀孔洞形貌的石英坩埚。[0032] 其中，高温烧制是在温度为1100℃-1150℃的情况下，对所述石英坩埚胚体内的泡沫材料进行时间为2-3小时的烧制，然后形成底部有均匀孔洞形貌的石英坩埚。该种方法烧制出的石英坩埚在后续制造高品质多晶硅铸锭的过程中，可以制造出高品质的多晶硅铸锭。

[0033] 以下以一具体实施例介绍本发明石英坩埚的制备方法，具体包括如下步骤：

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说 明 书

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首先，使用天平称量粒径10-20um的石英砂颗粒45-55g，粒径20-30um的石英砂颗粒140-160g，粒径30-40um的石英砂颗粒45-55g，其中石英砂颗粒的纯度为不小于99.99%，再称取纯水950-1050ml，硅溶胶190-210ml，PVA 45-55ml，一起放入混合的物料中，使用球磨机球磨2-4小时后，使得物料混合均匀，搅拌制备成浆料；

同时或者接着选用气孔直径范围为0.5-1mm的软质聚氨酯泡沫材料，将泡沫材料剪裁成156×156×20mm大小，厚度为15-20mm的泡沫材料，将以上泡沫材料浸泡在25%的NaOH溶液内4-6小时，用纯水洗净后风干备用；

然后将前面纯水洗净风干的泡沫材料浸泡在2.5%的PEI溶液中2至4小时；接着将浸泡过PEI溶液的泡沫材料浸泡在前面制备好的浆料中，取出并挤出多余的浆料；

最后，提供一石英坩埚胚体，将挤出多余浆料的泡沫材料压制并铺满在铸锭石英坩埚胚体底部，然后经过1120度高温烧制2小时得到底部有均匀孔洞形貌的高效石英坩埚。[0034] 本发明上述石英坩埚的制备方法具有如下有益效果： 采用如上制备方法可制成底部具有一层孔洞均匀的形核选晶层的石英坩埚，使得在采用该种石英坩埚进行晶硅铸锭时，可以直接起到底部形核的作用，不需熔化过程的精细控制即可铸造形成晶粒细小均匀的多晶硅锭，而且使得形成的该种多晶硅锭位错密度低且成本与常规铸锭相差不大；此外，使用形成的该种多晶硅锭剖切形成的硅片制备的太阳能电池转换效率可提升0.4-0.6%，有效降低多晶光伏组件的发电成本。此外，本发明制备方法制成的石英坩埚还可以在保证铸锭品质的同时，节约铸锭成本。[0035] 应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

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说 明 书 附 图

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图1

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