坩埚护板及其使用方法与流程

本发明涉及太阳能光伏材料制备技术领域，特别是涉及一种坩埚护板及其使用方法。

背景技术

太阳能用晶体硅材料主要包括直拉单晶硅和铸造晶体硅两种材料。与直拉单晶硅相比，铸造晶体硅材料具有产量大、成本低的优点，但铸造晶体硅中的碳杂质含量要高于直拉单晶硅。直拉单晶硅中碳杂质含量约为1ppma左右，铸造晶体硅中碳杂质的含量在10ppma左右，甚至超过了碳杂质在晶体硅中的饱和浓度。

铸造晶体硅中的碳杂质含量过高，会在硅锭中形成微小的碳杂质沉淀，引起太阳能电池的漏电现象。

技术实现要素：

基于此，有必要针对铸造晶体硅中的碳杂质含量过高的问题，提供一种坩埚护板及其使用方法。

一种坩埚护板，包括：坩埚侧护板，由多个石墨护板首尾拼接而成；石墨盖板，设于所述坩埚侧护板一侧，与所述坩埚侧护板共同形成可容纳坩埚的腔体，所述石墨盖板的中心位置设有与所述腔体的内部空间连通的进气孔；所述石墨护板靠近所述石墨盖板的位置设有至少一个第一排气孔，所述第一排气孔连通所述腔体内外的空间；所述石墨护板和所述石墨盖板密封连接；所述石墨护板和所述石墨盖板的内表面均附着有碳化硅层。

上述技术方案至少具有以下技术效果：坩埚护板中的石墨护板和石墨盖板的内表面均附着有碳化硅层，在铸锭过程中，能够阻隔高温时硅蒸汽、一氧化硅与石墨护板、石墨盖板中碳材质的反应，减少碳杂质的引入，从而减少硅锭中碳杂质沉淀，降低铸造晶体硅中碳杂质含量，以减少太阳能电池的漏电现象。

下面对技术方案进行进一步地说明。

在其中一个实施例中，所述石墨盖板分为对称的两部分，两部分分别设有一个凹陷部，两个所述凹陷部拼接形成所述进气孔。

在其中一个实施例中，所述石墨盖板设有至少一个第二排气孔，所述第二排气孔连通所述腔体内外的空间。

在其中一个实施例中，所述第一排气孔的高度与所述石墨护板的高度的占比为2％～5％。

在其中一个实施例中，所述第一排气孔位于所述石墨护板高度的80％～90％处。

在其中一个实施例中，所述石墨护板远离所述石墨盖板的位置处开设有至少一个溢流口。

本发明还提供一种坩埚护板的使用方法。

一种坩埚护板的使用方法，将如上任一项所述的坩埚护板设置于坩埚外侧，且附着有碳化硅层的石墨护板表面和附着有碳化硅层的石墨盖板表面构成坩埚护板的内表面。

上述技术方案至少具有以下技术效果：该使用方法中，由石墨护板和石墨盖板组合后的坩埚护板直接放置到坩埚外侧，放置和移除更加方便。同时，进气量相对较大，排气量相对较小，减少了腔体外的碳向腔体内扩散的几率，且设于石墨护板和石墨盖板内表面的碳化硅层能够减少硅蒸汽、一氧化硅等与铸锭设备中碳材质的反应，减少了碳杂质的引入，能够降低铸造晶体硅中的碳杂质含量，得到质量良好的硅锭。

附图说明

图1为本发明一实施例坩埚护板的结构示意图；

图2为本发明一实施例石墨护板的结构示意图；

图3为图2所示石墨护板的三视图；

图4为本发明一实施例石墨盖板的结构示意图；

图5为图4所示石墨盖板的主视图和俯视图；

图6为本发明一实施例坩埚护板的制备方法流程图。

其中：100、坩埚护板110、石墨护板112、第一排气孔

114、定位孔116、螺纹孔118、溢流口

120、石墨盖板122、进气孔124、第二排气孔

a：主视图b：侧视图c:俯视图

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

申请人研究发现：传统的铸造晶体硅中碳杂质主要来源是高温时一氧化硅气体、硅蒸汽与碳纤维盖板的反应、以及与热场中的坩埚(含碳材质)等反应，生成的一氧化碳气体扩散后进入硅液中，形成碳杂质沉淀(碳化硅沉淀等)，影响硅锭的碳含量。

为此，请参考图1、图2、图4和图5，本发明一实施例提供了一种坩埚护板100，包括：坩埚侧护板，由多个石墨护板110首尾拼接而成；石墨盖板120，设于坩埚侧护板一侧，与坩埚侧护板共同形成可容纳坩埚的腔体；石墨盖板120的中心位置设有与腔体的内部空间连通的进气孔122。石墨护板110靠近石墨盖板120的位置设有至少一个第一排气孔112，第一排气孔112连通腔体内外的空间，石墨护板110和石墨盖板120密封连接，石墨护板110和石墨盖板120的内表面均附着有碳化硅层。坩埚护板100可以是常见的四边、六边或八边的，也可以是其他数量的边数。

石墨护板110和石墨盖板120的内表面可以理解为：石墨护板110附着有碳化硅层的表面与腔体的中心相对，并构成腔体的一个内壁。石墨盖板120附着有碳化硅层的表面与腔体的中心相对，并构成腔体的一个内壁。由于坩埚放置于腔体内，为了阻隔高温时腔体内的硅蒸汽等与石墨护板110、石墨盖板120中碳的反应，同时，也为了减少坩埚与石墨护板110、石墨盖板120中碳的反应，故而将碳化硅层设于石墨护板110、石墨盖板120的内表面。当然，石墨护板110和石墨盖板120的外表面也可以附着有碳化硅层，以进一步地起到阻隔作用，防止外界生成的碳杂质气体扩散入腔体内。

在铸锭过程中，进气孔122与石墨导流筒连接，外界气体(氩气等)通过石墨导流筒经由进气孔122流向石墨盖板120和坩埚侧护板组成的腔体内，将产生的杂质气体等带走，保证铸锭环境的清洁，以铸造出无杂质的硅锭。

石墨护板110和石墨盖板120密封连接，也就是防止腔体内的气体从石墨护板110和石墨盖板120的连接缝隙中排出，而是至少从第一排气孔112中排出。第一排气孔112可以是圆形孔或矩形孔，还可以是长条状，同时，相对于常用的排气孔尺寸，本实施例中的第一排气孔112尺寸较小，通过减小排气孔的面积，增大进气气流量，以减少腔体外的碳向腔体内扩散的几率。参考图2，两个条状的第一排气孔112均匀水平地排布于石墨护板110靠近石墨盖板120的位置。

碳化硅层具有良好的热稳定性，能够阻隔高温时硅蒸汽、一氧化硅与石墨护板110、石墨盖板120中碳材质的反应，同时，也防止了坩埚与石墨护板110、石墨盖板120的直接接触，阻隔了高温时坩埚与石墨护板110、石墨盖板120中碳材质的反应。该技术方案能够使铸造晶体硅中的碳含量降低50％以上，切片a片(a代表等级标准高)良率提升0.6％以上，减少硅锭形成的太阳能电池漏电现象，降低了硅锭的切割难度，降低了切片成本。

上述技术方案至少具有以下技术效果：坩埚护板100中的石墨护板110和石墨盖板120的内表面均附着有碳化硅层，在铸锭过程中，能够阻隔高温时硅蒸汽、一氧化硅与石墨护板110、石墨盖板120中碳材质的反应，减少碳杂质的引入，从而减少硅锭中碳杂质沉淀，降低铸造晶体硅中碳杂质含量，以减少太阳能电池的漏电现象。

下面对技术方案进行进一步地说明。

在一些实施例中，碳化硅层的致密度的范围为91％以上。所谓致密度，与气孔率相反，表示碳化硅层的颗粒分布情况，气孔越少，致密度越高，阻隔作用就越大。因此，致密度较高的碳化硅层加强了自身的阻隔作用，可靠性更大。在其他实施例中，碳化硅层的致密度的范围还可以进行调整，以得到目标良率的硅锭为选择要素。

在一些实施例中，石墨护板110的板面设有贯穿石墨护板110厚度方向的定位孔，石墨护板110的一侧边设有螺纹孔。具体地，石墨护板110的板面左侧边上设置有若干竖直排列的螺纹孔116，且其右侧设置有相应数量及位置的定位孔114，通过螺栓穿过定位孔114后与螺纹孔116的配合实现两块石墨护板110的连接。左侧和右侧是相对于图3的放置方式所示的，还可以将螺纹孔116和定位孔114的位置互换。石墨盖板120和坩埚侧护板之间密封连接。石墨盖板120和坩埚侧护板通过螺纹连接固定，石墨护板110的顶侧设有可以与石墨盖板120连接的螺纹孔116，石墨盖板120相对应的位置可以设置与螺纹孔116配合的定位孔，通过螺栓实现石墨护板110和石墨盖板120的固定。

进一步地，石墨盖板120分为对称的两部分，两部分分别设有一个凹陷部，两个凹陷部拼接形成进气孔122。石墨盖板120分为对称的两部分，方便安装和拆卸，减少一体式石墨盖板120拆卸时，外力作用太大，影响坩埚中硅锭的质量。通常，为了与石墨导流筒相匹配，进气孔122一般为圆孔状，凹陷部则设为半圆状，位于半个石墨盖板120侧边的中间位置。

在一些实施例中，石墨盖板120设有至少一个第二排气孔124，第二排气孔124连通腔体内外的空间。石墨盖板120设有至少一个第二排气孔124，用于将铸锭过程中产生的杂质随着气流排出，从而降低硅锭中的碳含量，保证空气的通畅，也保证晶体硅的品质。第二排气孔124可以是圆形孔或矩形孔，还可以是长条状，同时，相对于常用的排气孔尺寸，本实施例中的第二排气孔124尺寸较小，通过减小排气孔的面积，增大进气气流量，以减少腔体外的碳向腔体内扩散的几率。参考图4和图5，石墨盖板120为方形，在石墨盖板120靠近其四个顶角处分别设有一个圆孔状的第二排气孔124。

在一些实施例中，第一排气孔112的高度与石墨护板110的高度的占比为2％～5％。参考图1，石墨护板110的高度指的是如图1所示的放置方式时，石墨护板110从底部到顶部的距离。第一排气孔112为长条状，第一排气孔112的高度与石墨护板110的高度的占比为2％～5％。

进一步地，第一排气孔112位于石墨护板110高度的80％～90％处。第一排气孔112的设置位置为石墨护板110高度的80％～90％处，能够将较多的气体排出。

进一步地，腔体向外排气的速度大于等于0.5m/s。在铸锭过程中，本实施例范围的排气速度能够保证良好的气体流动性，进一步地减少腔体外的碳向腔体内扩散的几率，减少硅蒸汽等与石墨材质中碳的反应，减少碳杂质的引入。

在一些实施例中，参考图2和图3，石墨护板110远离石墨盖板120的位置开设有至少一个溢流口118，用于将铸锭过程中产生的硅液漏液及时地排出，使系统检测到漏液现象，尽早地处理。具体地，溢流口118位于石墨护板110相对于石墨盖板120的底部，溢流口118呈半圆形开口，贯穿石墨护板110的底部的底边，多个溢流口118均匀水平地排布于石墨护板110的底部。溢流口118还可以是其他形状，例如矩形孔、弧形孔等。

本发明一实施例还提供了一种坩埚护板100的使用方法，将如上任一项所述的坩埚护板100设置于坩埚外侧，且附着有碳化硅层的石墨护板110表面和附着有碳化硅层的石墨盖板120表面构成坩埚护板100的内表面。

上述技术方案至少具有以下技术效果：该使用方法中，由石墨护板110和石墨盖板120组合后的坩埚护板100直接设置在坩埚外侧，将坩埚的顶部和侧部包围，放置和移除更加方便。同时，进气量相对较大，排气量相对较小，减少了腔体外的碳向腔体内扩散的几率，且设于石墨护板110和石墨盖板120内表面的碳化硅层能够减少硅蒸汽、一氧化硅等与铸锭设备中碳材质的反应，减少了碳杂质的引入，能够降低铸造晶体硅中的碳杂质含量，得到质量良好的硅锭。

本发明一实施例还提供了一种铸锭设备，包括铸锭炉，铸锭炉内设有隔热笼体，隔热笼体内设有热交换块，热交换块上方设有坩埚，坩埚的外侧设有如上任一项所述的坩埚护板100，其中，石墨盖板120位于坩埚的上方，坩埚护板100外侧还设有加热器。

具体地，在坩埚的侧壁外部设置侧部加热器，在坩埚的上方还可以设置顶部加热器，在热交换块的下方还可以设置底部加热器，并且底部加热器的几何中心与热交换块的几何中心重合。在制备晶体硅锭的过程中，隔热笼体用来在炉体内构建热场，热交换块用来使坩埚内的硅料或硅液与外界进行热量交换。本实施例中，坩埚护板100可以是常见的四边、六边或八边的，也可以是其他数量的边数。

上述技术方案至少具有以下技术效果：铸锭设备采用如上所述的坩埚护板100，坩埚护板100中的石墨护板110和石墨盖板120的内表面均附着有碳化硅层，在铸锭过程中，能够阻隔高温时硅蒸汽、一氧化硅与石墨护板110、石墨盖板120中碳材质的反应，减少碳杂质的引入，从而减少硅锭中碳杂质沉淀，提高硅锭的质量，降低铸造晶体硅中碳杂质含量，以减少太阳能电池的漏电现象。

本发明一实施例还提供了一种降低铸造晶体硅碳杂质含量的方法，使用如上所述的铸锭设备制备晶体硅。该方法制备晶体硅的过程中，进气量相对较大，排气量相对较小，减少了腔体外的碳向腔体内扩散的几率，且设于石墨护板110和石墨盖板120内表面的碳化硅层能够减少硅蒸汽、一氧化硅等与铸锭设备中碳材质的反应，减少了碳杂质的引入，能够降低铸造晶体硅中的碳杂质含量，得到质量良好的硅锭。

下面提供两个采用本发明实施例中坩埚护板100的铸锭设备，得到硅锭的碳含量数值的实施例。

在实施例1中，在坩埚中装入1150kg的硅料，硅料中包含一定的循环料。在坩埚的外侧组装图4中的石墨盖板120和图2中的石墨护板110形成相对密闭的腔体，其中石墨护板110和盖板表面均附着有碳化硅层，石墨盖板120与上方的导流筒紧密接触。通过加热、熔化、长晶，得到硅锭。通过含量测试，硅锭底部的碳含量为4.1ppma，硅锭顶部的碳含量为12.8ppma，硅锭底部的碳含量降低了60％。对得到的硅锭进行切片，发现切片a片良率提升了0.65％。

在实施例2中，在坩埚中装入1150kg的硅料。在坩埚的外侧组装图4中的石墨盖板120和图2中的石墨护板110形成相对密闭的腔体，其中石墨护板110和盖板表面均附着有碳化硅层，石墨盖板120与上方的导流筒紧密接触。通过加热、熔化、长晶，得到硅锭。通过含量测试，硅锭底部的碳含量为1.6ppma，硅锭顶部的碳含量为5.2ppma，硅锭底部的碳含量降低了90％。对得到的硅锭进行切片，发现切片a片良率提升了1.38％。

参考图6所示的流程图，本发明一实施例还提供了一种坩埚护板100的制备方法，包括以下步骤：

s100、在石墨护板的表面形成碳化硅层。

在石墨护板120的内表面均涂覆一层碳化硅层，碳化硅层的厚度根据实际生产需求确定，碳化硅层的致密度根据目标硅锭的碳含量需求进行确定。

s200、将多个石墨护板首尾拼接形成坩埚侧护板。

将多个石墨护板110首尾拼接形成环状的坩埚侧护板，组成坩埚侧护板的石墨护板110数量是可以选择的，常用的有四边、六边、八边等。

s300、在石墨盖板的表面形成碳化硅层。

在石墨盖板120的内表面均涂覆一层碳化硅层，碳化硅层的厚度根据实际生产需求确定，碳化硅层的致密度根据目标硅锭的碳含量需求进行确定。

s400、将形成有碳化硅层的石墨盖板与坩埚侧护板连接形成可容纳坩埚的腔体，形成有碳化硅层的石墨护板的表面和形成有碳化硅层的石墨盖板的表面构成腔体的内壁，得到坩埚护板。

在石墨护板110和石墨护板120的内表面均涂覆一层碳化硅层，碳化硅层的厚度根据实际生产需求确定，碳化硅层的致密度根据目标硅锭的碳含量需求进行确定。可以理解的是，可以先在石墨护板110和石墨盖板120的任一表面涂覆碳化硅层，在组配坩埚护板前，将表面涂覆有碳化硅层的石墨护板110和石墨盖板120组成腔体的内壁。也可以是组配坩埚护板完成后，再在石墨护板110和石墨盖板120的内表面涂覆碳化硅层。

上述技术方案至少具有以下技术效果：坩埚护板100中的石墨护板110和石墨盖板120的内表面均形成碳化硅层，在铸锭过程中，能够阻隔高温时硅蒸汽、一氧化硅与石墨护板110、石墨盖板120中碳材质的反应，减少碳杂质的引入，从而减少硅锭中碳杂质沉淀，提高硅锭的质量，降低铸造晶体硅中碳杂质含量，以减少太阳能电池的漏电现象。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。