[发明专利]一种铸造多晶硅免喷坩埚氮化硅涂层及其制备方法

说明书

本发明公开一种铸造多晶硅免喷坩埚氮化硅涂层及其制备方法，该氮化硅涂层包括两种粒径的氮化硅和粘结剂。采用两种粒径的氮化硅混合，颗粒粗细搭配，细颗粒可以填充到粗颗粒之间的孔隙，增强氮化硅涂层的致密度和强度。此外，本发明采用了高粘度，低氧含量的粘结剂，使得氮化硅涂层具有低氧含量和高的强度。总之，本发明通过在氮化硅粒径搭配和粘结剂的优化选择，增强了涂层的强度和致密性，减少了硅锭含氧的缺陷和杂质，有助于提高硅锭的成品率，提高光伏组件的稳定性和光电转换效率。

技术领域

本发明涉及多晶硅铸造用坩埚氮化硅涂层的制备领域，具体涉及一种高效的多晶硅铸造用免喷坩埚氮化硅涂层及其制备方法。

背景技术

氮化硅涂层是铸造多晶硅用免喷坩埚的内壁表面的一层非常重要的涂层。这层氮化硅涂层具有两方面主要的作用：第一，氮化硅作为一种耐高温陶瓷材料，其在硅锭熔化的1500℃的高温下能够保持稳定，并且不与硅液发生反应。因此，氮化硅涂层隔离了硅液和石英坩埚直接接触，避免了其在高温下发生反应，防止了在降温时硅液粘锅导致的硅锭裂锭，坩埚破裂，甚至硅液流出等质量安全问题。所以说，氮化硅作为脱模剂，能够帮助硅锭顺利完成脱模。第二，石英坩埚内部往往含有较多的杂质，这些杂质包括各种金属杂质以及石英本身含有的氧元素，这些杂质元素在高温下很容易扩散到硅液中，增加在铸锭内部杂质点等缺陷，降低了多晶硅制成的光伏组件的效率。因此，高纯的氮化硅涂层阻挡了这些杂质和硅液的直接接触，阻挡了这些杂质元素扩散的路径，最终可以提高硅锭的纯度，减少其内部缺陷，提高其光伏组件的效率。

尽管氮化硅涂层起到如此重要的作用，但仍然存在一些问题。第一，由于在喷涂氮化硅涂层时，需要添加硅溶胶作为粘结剂，硅溶胶内部主要成分是二氧化硅，这些二氧化硅直接和硅液相接触，将极大程度的增加硅锭中的氧含量，导致一系列含氧缺陷产生，这同样将降低此铸造多晶硅所制造的光伏组件的光点转换效率。第二，氮化硅喷涂后，往往不够致密，强度不够，这使得氮化硅粉末容易掉入到硅液内部产生杂质点，同样增加了硅锭的缺陷，降低了光伏组件的效率。

为了解决上述问题，本行业内的研究人员提出了许多方案。

申请号201220097627.X的中国专利公开了一种在喷涂氮化硅之前，在坩埚表面增加一层氮化硼的涂层，这样增加了对杂质的阻挡，但氮化硼涂层的引入不可避免的将在硅锭内部引入大量的硼元素。硼元素作为第三主族元素，其在硅的光电器件里起到提供空穴的作用，因此，硼元素的引入将极大改变硅锭的电学性质，这对最终制备的光伏组件是非常不利的。

申请号为201410271294.1的中国专利公开了一种在氮化硅涂层表面再喷涂一层二氧化硅浆料等诱导形核物，这层二氧化硅粉等将对晶体硅诱导形核，可减少长晶初期硅晶体的位错，晶界等缺陷，提高长晶品质。但是，这层喷涂在氮化硅层表面的二氧化硅，在高温下直接和硅液接触，将发生反应生成一氧化硅，这不仅使得本来诱导形核的作用达不到，而且将极大增加硅锭中的氧含量，增加氧相关的缺陷，降低光伏组件的效率。

Hironori ITOH等研究人员(ITOH H,Okamura H,Asanoma S,et al. Preparationand evaluation of porous Si3N4 ceramic substrates that repel Si melt[J].Journal-Ceramic Society Japan,2013,121(1413):401-405)采用了在氮化硅涂层中掺入微米级的PMMA，然后再对涂层进行高温烘烤，在烘烤过程中，PMMA 挥发等下微米级的孔隙，这些孔隙将增大硅液对氮化硅涂层的润湿角，减少硅液对氮化硅涂层的浸润。但是，这些孔隙将直接成为石英坩埚内部杂质往硅液扩散的快速通道，增加硅锭内部的缺陷，降低光伏组件的效率。

发明内容

本发明提供了一种多晶硅铸锭免喷坩埚氮化硅涂层及其制备方法和应用。

本发明的技术方案具体为：