[实用新型]应用于多晶硅定向凝固提纯的组合式坩埚

说明书

技术领域

本实用新型属于多晶硅提纯领域，具体涉及一种应用于多晶硅定向凝固提纯的组合式坩埚。

背景技术

目前，我国已成为世界能源生产和消费大国，但人均能源消费水平还很低。随着经济和社会的不断发展，我国能源需求将持续增长，针对目前的能源紧张状况，世界各国都在进行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促进可再生能源的开发和应用，减少对进口石油的依赖，加强能源安全。

作为可再生能源的重要发展方向之一的太阳能光伏发电近年来发展迅猛，其所占比重越来越大。根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，中国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW。预计到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。预计2030年之前，中国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。

多晶硅作为太阳能电池的最理想原料，其中的杂质主要有铁、铝、钙等金属杂质和硼、磷等非金属杂质，而这些杂质元素会降低硅晶粒界面处光生载流子的复合程度，而光生载流子的复合程度又决定了太阳能电池的光电转换效率，所以有效的去除这些杂质在太阳能电池的应用方面有着至关重要的作用。

太阳能光伏产业的发展依赖于对硅原料的提纯。太阳能光伏产业的发展依赖于对多晶硅原料的提纯。多晶硅原料的提纯工艺目前主要依赖以下几种工艺：西门子法、硅烷法、气体流化床法或冶金法。其中，冶金法具有成本低、工艺简单并无污染的特点，已经越来越多的应用到多晶硅的提纯。冶金法的主要工艺为造渣熔炼、定向凝固、电子束熔炼和铸锭。在对硅原料进行提纯的过程中，存在一个关键的、必不可少的环节，就是对硅原料进行定向凝固提纯，所用到的定向凝固技术广泛应用于冶金提纯领域。利用硅原料中硅与杂质之间的分凝系数存在较大差异的这一特点，在凝固过程中，坩埚底端的硅液首先开始凝固，为达到分凝平衡，分凝系数小的杂质从凝固的硅中向液态不断扩散分离出来而聚集在液态，随着凝固不断进行，杂质在液态中的浓度越来越高，最后在铸锭的顶端凝固下来，凝固完成后在较高温度下保温一段时间，使各成分充分扩散以达到分凝平衡，最后将杂质含量较高的一端去除，得到提纯的多晶硅铸锭。

在定向凝固过程中，承载硅料的坩埚为石英坩埚，石英坩埚的自身材料石英的导热系数小，不管是单晶结构还是普通结构，常温下导热系数都在20W/(m·k)以下，即便随着温度升高，导热系数上升幅度也不大。由于导热系数较小，因此熔化形成的硅液在向外传热的过程中会进行缓慢，导致定向凝固时间很长，从而大大增加了能耗。

实用新型内容

根据以上现有技术的不足，本实用新型提出一种应用于多晶硅定向凝固提纯的组合式坩埚，通过改变承载坩埚的结构和材质，提高了定向凝固的效果，提高散热效率，缩短了定向凝固时间，从而减小能耗。

本实用新型所述的一种应用于多晶硅定向凝固提纯的组合式坩埚，包括石英坩埚壁和石墨坩埚底，石英坩埚壁的下端与石墨坩埚底相互拼接；其中，石英坩埚壁为上下贯通的立体结构，石墨坩埚底的横截面形状与石英坩埚壁的横截面形状一致。

其中，石英坩埚壁优选为上下贯通的长方体或圆柱体。根据实际工业生产中，多晶硅提纯用坩埚一般为圆形坩埚或方形坩埚。

石墨坩埚底上表面优选喷涂有氮化硅涂层或碳化硅涂层。由于石墨自身含有较多杂质，防止对硅液二次污染，最好使用之前喷涂防污染涂层，氮化硅涂层和碳化硅涂层为常用涂层，其它涂层并不做限制。

本实用新型由石英坩埚壁和石墨坩埚底拼接而成，优选以下两种方式：

石墨坩埚底沿石英坩埚壁下边沿相对应位置处开设有限位凹槽，石英坩埚壁下端位于限位凹槽内；石墨坩埚底为倒T型，石英坩埚壁下端位于沿倒T型缺口位置处。

本实用新型中，选用石墨材料作为坩埚底，充分考虑到石墨具有高导热系数，普通石墨材料在常温下即有129W/(m·k)，随着温度升高还会更高。由于定向凝固过程中硅液自下而上凝固，石墨坩埚底的存在使得硅液能够快速的向下传热，不断向上凝固，从而缩短定向凝固的时间。在本实用新型中，仍然保留坩埚壁为石英材质，主要有两方面的原因，一是如果全部采用石墨材料，即便喷涂有涂层，也会对硅液造成较大的二次污染，因此在与硅液接触面积大的坩埚壁部分采用石英材质；二是石英坩埚壁相对于石墨坩埚底导热系数小很多，硅液的散热会集中为向下传导散热，从而硅锭长晶更加均匀，固液界面趋向于水平，利于杂质向硅锭顶端聚集。