[发明专利]一种用于多晶硅铸锭坩埚的氮化硅喷涂溶液的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光伏行业多晶硅铸锭坩埚的氮化硅涂层，尤其涉及一种用于多晶硅铸锭坩埚的氮化硅喷涂溶液的制备方法。

背景技术

在多晶炉铸锭时，通常采用陶瓷坩埚或石英坩埚来盛装熔融硅液，使得熔融硅液在坩埚中冷却、退火和结晶。然而坩埚的主要成分二氧化硅可与熔融硅液中的硅发生化学反应，引起粘埚现象发生，从而导致脱模困难，甚至导致硅锭和坩埚破裂。同时，坩埚中存在的氧和金属杂质将对生成的硅锭造成污染。因此，陶瓷坩埚或石英坩埚内壁需要喷涂有一层高纯度氮化硅涂层，用以隔断熔融硅液与坩埚内壁的直接接触。然而氮化硅价格昂贵，来源有限，而且多晶硅生产的需求量较大，因此，如何低成本生产氮化硅喷涂溶液成为重要的研究课题。

公开号为CN101698473A的专利申请公开了一种以废弃的石英坩埚表面的氮化硅涂层作为原料回收高纯氮化硅的方法，其中通过各种酸和碱进行去除杂质的反应，但是该除杂反应后采用冲洗的方式去除溶液中的杂质离子，不利于规模化生产。此外，该方法中并未涉及制备氮化硅喷涂溶液的方法(不同成分的氮化硅喷涂溶液喷涂出来的氮化硅涂层牢固程度不同，该牢固程度关系到氮化硅涂层是否容易脱落)。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种用于多晶硅铸锭坩埚的氮化硅喷涂溶液的制备方法。该方法成本低、应用广泛且适合大规模生产，制得的氮化硅喷涂溶液纯度高，可以免烘烤直接喷涂在坩埚上形成与坩埚内壁紧密结合的不易脱落的氮化硅涂层。

本发明提供了一种用于多晶硅铸锭坩埚的氮化硅喷涂溶液的制备方法，包括以下步骤：

(1)碱液洗涤：取氮化硅原料，加入按质量分数计为1％～50％的碱液进行洗涤，搅拌，反应制得含有硅酸盐的氮化硅溶液，固液分离，碱液洗涤过程中根据氮化硅原料中含有的硅粉和二氧化硅的量调整氮化硅溶液的pH值和/或固液分离的次数，制得按质量分数计含有0.0001～10％硅酸根离子的氮化硅溶液；

(2)酸液洗涤：取按质量分数计含有0.0001～10％硅酸根离子的氮化硅溶液，加入过量酸液进行洗涤，H^-浓度控制为0.01～5mol/L，搅拌，反应制得含有硅酸的氮化硅溶液，固液分离，直至氮化硅溶液的pH值与纯水的pH值接近，制得按质量分数计含有0.0001～10％硅酸的氮化硅溶液；

(3)搅拌、超声或球磨：取按质量分数计含有0.0001～10％硅酸的氮化硅溶液，进行搅拌、超声或球磨，制得用于多晶硅铸锭坩埚的氮化硅喷涂溶液。

步骤(1)中，氮化硅原料可以来源于回收得到的氮化硅或纯度较低的氮化硅。优选地，氮化硅原料为铸锭后回收的废弃的坩埚内壁的氮化硅涂层，该氮化硅涂层混杂有大量的坩埚碎块，因此其中含有的杂质比率较大，通常硅、二氧化硅、金属等杂质含量以质量分数计高于2％。也优选地，氮化硅原料来源于采用硅粉氮化法或自蔓延烧结法制得的纯度较低的氮化硅，其中含有少量硅粉等杂质。优选地，氮化硅原料的粒径为0.1～50μm。

碱液的种类不限，优选地，碱液选自NaOH溶液、KOH溶液、Ba(OH)₂溶液中的一种或几种。碱液浓度为按重量百分比计为1％～50％。

取氮化硅原料，加入碱液进行洗涤，氮化硅原料中的硅和二氧化硅杂质与碱液发生反应生成硅酸钠、硅酸钾、硅酸钡等硅酸盐，制得含有硅酸盐的氮化硅溶液。其过程如下：

Si+2OH^-+H₂O＝SiO₃^2-+2H₂↑

SiO₂+2OH^-＝SiO₃^2-+H₂O

优选地，反应温度为40～99℃，反应时间为1～144小时。优选地，反应过程中不停搅拌，搅拌速度为40～1400转/分钟。还优选地，反应在超声波条件下超声1～144小时或微波条件下进行。

通过上述碱液洗涤，氮化硅原料中的硅和二氧化硅转变为硅酸根离子，氮化硅溶液为氮化硅原料粉末悬浊液。根据氮化硅原料中含有的硅粉和二氧化硅的量调整氮化硅溶液的pH值和/或固液分离的次数，从而控制氮化硅溶液中含有质量分数为0.0001～10％的硅酸根离子，硅酸根离子在这个范围内，不会影响脱模效果，也不会给硅锭带来氧杂质的污染，硅酸根离子均匀分布在氮化硅溶液中。