CN102557693B - 一种制备坩埚的复合材料及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制备坩埚的复合材料，它包括石英、有机分散剂、悬浮剂和纳米材料，石英、有机分散剂和悬浮剂的质量百分含量为90～99.9％，石英、有机分散剂和悬浮剂的质量比为25～100∶1∶1，纳米材料的质量百分含量为0.1～10％。本发明还提供了该复合材料的用途。本发明复合材料制备的坩埚克服了传统坩埚的缺陷，具有良好的市场应用前景。

Description

一种制备坩埚的复合材料及其用途

技术领域

本发明涉及一种复合材料，特别涉及一种制备坩埚的复合材料。

背景技术

在光伏发电行业中，随着晶体硅太阳能光伏产业的不断发展，成熟，整个成本不断降低，产业链上端的硅片价格逐渐在理性的回落，同时也造成了硅基片生产厂家利润空间的不断压缩。提高基片质量，降低加工成本成为摆在所有太阳能硅片生产厂家面前的问题，由热交换法发展起来的多晶定型凝固由于成本低，产量大，已经成为硅片生产的主流技术。顾名思义，在多晶铸锭的定向凝固过程中，硅熔体被熔融石英坩埚装载，晶体生长开始后，热量从坩埚底部导出，形成垂直的温度梯度，从而熔体的定向凝固从下往上开始。然而，石英坩埚是热的不良导体，且因石英坩埚是注浆成型导致密度形貌并非均匀一致，因此，坩埚底部及侧部的热性质无法准确控制，多数情况下坩埚底部及侧部的导热性质由于厚度接近，其导热性质基本接近，在长晶初级阶段其凝固首先发生在坩埚的内边缘处，然后向内部成一定斜面生长，形成一个近似于W的界面，并非真正意义上的定向凝固。

为了实现最大程度上的垂直定向凝固，需要坩埚的底部及侧部具有不同的热导率，具体说即要求坩埚底部热导率大于其侧部热导率，从而使得晶体生长过程中产生的热流能垂直传导。Appolon solar设计了一种新型的坩埚结构，使得其底部与侧部热导率具有很大的不同，其底部由透明的结晶石英玻璃组成，而其侧部则采用正常非透明的熔融石英。这种方案尽管达到了设计效果，但是其采用两种不同石英材料，增加了坩埚生产的成本，并降低了生产的成功率。

因此，亟需寻找其他方法，在保证坩埚生产成功率的基础上，改进坩埚的热导率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种新的制备坩埚的复合材料。

首先，本发明提供了一种制备坩埚的复合材料，它包括石英、有机分散剂、悬浮剂和纳米材料，石英、有机分散剂和悬浮剂的质量百分含量为10～99.9％，石英、有机分散剂和悬浮剂的质量比为25～100∶1∶1，纳米材料的质量百分含量为0.1～10％。

其中，所述的石英为高纯石英砂。

其中，所述的有机分散剂为聚丙烯酰胺类物质。

其中，所述的悬浮剂为矿物油。

其中，所述的纳米材料为碳纳米管。

其中，所述石英材料、有机分散剂和悬浮剂的质量比为99∶1∶1。

其中，纳米材料的质量百分含量为0.5％。

本发明还提供了前述复合材料在制备坩埚中的用途。

本发明提供了复合材料制备石英坩埚可对其热导率进行调节，既可以提高加热效率，又可以提高坩埚底部的散热效率，极大改进了硅熔体的定向凝固效果，从而提高硅晶体生长的重量，降低晶体硅光伏发电的成本。

显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

具体实施方式

实施例1用本发明提供的复合材料制备坩埚

1、制备方法

(1)复合材料的制备

取高纯石英砂(石英砂的纯度为99.99％)、聚丙烯酰胺类物质、矿物油，以质量比25∶1∶1混合，得石英浆料，再加入碳纳米管，混匀，石英浆料的重量百分比99.9％，碳纳米管的重量百分比为0.1％，即得本发明复合材料。

(2)坩埚的制备

二次注浆：取步骤(1)制备的石英浆料和复合材料，将复合材料先行注入模具中，填满坩埚模具底部，再注入石英浆料，浆料填充到坩埚模型需要的高度即可。该种注浆方式可实现坩埚底部的热导率高于侧部的热导率。

或者，一次注浆：取步骤(1)制备的复合材料，将复合材料注入模具中，填充到坩埚模型需要的高度即可。

实施例2用本发明提供的复合材料制备坩埚

1、制备方法

(1)复合材料的制备

取高纯石英砂(石英砂的纯度为99.99％)、聚丙烯酰胺类物质、矿物油，以质量比99∶1∶1混合，得石英浆料，再加入碳纳米管，混匀，石英浆料的重量百分比99.5％，碳纳米管的重量百分比为0.5％，即得本发明复合材料。

(2)坩埚的制备

二次注浆：取步骤(1)制备的石英浆料和复合材料，将复合材料先行注入模具中，填满坩埚模具底部，再注入石英浆料，浆料填充到坩埚模型需要的高度即可。该种注浆方式可实现坩埚底部的热导率高于侧部的热导率。

或者，一次注浆：取步骤(1)制备的复合材料，将复合材料注入模具中，填充到坩埚模型需要的高度即可。

实施例3用本发明提供的复合材料制备坩埚

1、制备方法

(1)复合材料的制备

取高纯石英砂(石英砂的纯度为99.99％)、聚丙烯酰胺类物质、矿物油，以质量比100∶1∶1混合，得石英浆料，再加入碳纳米管，混匀，石英浆料的重量百分比90％，碳纳米管的重量百分比为10％，即得本发明复合材料。

(2)坩埚的制备

二次注浆：取步骤(1)制备的石英浆料和复合材料，将复合材料先行注入模具中，填满坩埚模具底部，再注入石英浆料，浆料填充到坩埚模型需要的高度即可。该种注浆方式可实现坩埚底部的热导率高于侧部的热导率。

或者，一次注浆：取步骤(1)制备的复合材料，将复合材料注入模具中，填充到坩埚模型需要的高度即可。

使用本发明复合材料制备的坩埚成型后，其热导率可得到极大提高，在多晶硅铸锭过程中，可以大大缩短多晶硅的融化时间，以二次注浆方式制备的坩埚还可以实现硅锭的垂直定向凝固。

为了进一步说明本发明有益效果，现提供如下实验：

坩埚厚度一般为880×880毫米，高度为420-480毫米，在如此大的尺寸下很难进行热导率的测量，但坩埚的热导率不同，装有相同硅料的情况下，硅料完全融化所需的时间也不同，因此，可以根据硅料融化快慢和全部工艺所需时间判断坩埚的热导率。

1、实验方法

(1)取不含碳纳米管的石英浆料、实施例1和实施例2制备的复合材料，制备相同型号的坩埚；

(2)早步骤(1)制备的三种坩埚中加入相同重量的硅料，加热功率相同，检测硅料的融化时间。

2、实验结果

检测结果如表1所示：

表1不同坩埚的热导率检测结果

由表1可以看出，加入碳纳米管的组二、组三和组四与不加碳纳米管的组一相比，硅料融化时间和全部工艺时间明显缩短，当碳纳米管含量在10％以下时，硅料融化时间和全部工艺时间随着碳纳米管含量的增加而缩短，其中，碳纳米管含量为0.1％和0.5％时，硅料融化时间和全部工艺时间缩短幅度显著，但当碳纳米管的含量增加至10％时，硅料融化时间和全部工艺时间缩短幅度已不明显，特别是碳纳米管含量增至30％时，坩埚已无法成型。

实验证明，本发明复合材料中，当碳纳米管含量在10％以下时，热导率随碳纳米管含量的增加而提高，但其变化与碳纳米管含量并非成线性关系，当碳纳米管含量接近或达到10％时，热导率与碳纳米管含量在0.5％时的热导率相当。当碳纳米管含量超过10％，达到30％时，坩埚即无法成型。

在实际应用中，因碳纳米管价格高，兼顾坩埚的热导率与生产成本，本发明复合材料中碳纳米管的含量优选为0.5％。

综上，本发明提供的复合材料可以提高坩埚的热导率，以二次注浆方式制备的坩埚还可以实现硅锭的垂直定向凝固，将本发明复合材料制备的坩埚用于多晶硅铸锭可以大大缩短多晶硅的融化时间，大幅度降低生产成本，具有良好的工业应用前景。

Claims (1)

1.一种制备坩埚的复合材料，其特征在于：它包括石英、有机分散剂、悬浮剂和纳米材料，石英、有机分散剂和悬浮剂的质量百分含量为10~99.9%，石英、有机分散剂和悬浮剂的质量比为25~100：1：1，纳米材料的质量百分含量为0.1~10%；所述的纳米材料为碳纳米管。

2、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述的石英为高纯石英砂。

3、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述的有机分散剂为聚丙烯酰胺类物质。

4、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述的悬浮剂为矿物油。

5、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述石英材料、有机分散剂和悬浮剂的质量比为99：1：1。 

6、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：纳米材料的质量百分含量为0.5%。 

7、权利要求1-6任意一项所述复合材料在制备坩埚中的用途。