[发明专利]冶炼光伏级硅用氮氧化硅/石英复合陶瓷坩埚及其制备方法

说明书

本发明涉及一种冶炼光伏级硅用氮氧化硅/石英复合陶瓷坩埚及其制备方法。其技术方案是：将70～85质量份的氮氧化硅前驱体和15～30质量份的熔融石英粉体混合，在混合气氛和1400～1700℃条件下保温2～10h，冷却，研磨，制得氮氧化硅粉体；将50～100质量份的氮氧化硅粉体、0～50质量份的熔融石英粉体、0.3～1质量份的分散剂、0.1～2质量份的胶凝剂和30～70质量份的去离子水置入球磨罐中混合，再注入模具，在30～90℃水浴条件下保温0.5～3h，脱模，在80～110℃条件下烘干，于1100～1400℃条件下保温2～10h，制得冶炼光伏级硅用氮氧化硅/石英复合陶瓷坩埚。本发明制备的所述复合陶瓷坩埚具有不开裂和与硅锭不粘连的特点，使用性能良好。

技术领域

本发明属于氮氧化硅/石英复合陶瓷坩埚技术领域。尤其涉及一种冶炼光伏级硅用氮氧化硅/石英复合陶瓷坩埚及其制备方法。

背景技术

光伏级硅是当前太阳能电池用关键光电转换材料，其熔炼和生长主要在具有氮化硅涂层的熔融石英坩埚中开展。在实际生产中，现有的熔融石英坩埚普遍存在以下突出问题。首先，熔融石英坩埚极易开裂，原因在于熔融石英坩埚在高温下不可避免发生析晶转变，产生2～5％的体积变化，从而导致坩埚开裂。其次，凝固过程中硅锭与熔融石英坩埚粘连，导致脱模困难，重要原因之一是高温下硅熔体极易渗透过氮化硅涂层与熔融石英坩埚直接接触，而硅熔体与熔融石英的接触角为～83°，二者之间润湿而粘连。由于粘连问题，随之会造成光伏级硅破裂和生成大量缺陷，不利于硅锭品质以及产量的提高，也增加了生产成本。

为了解决上述问题，调整坩埚材质是目前普遍采用的有效途径，目前被认可的坩埚材质主要是氧化硅和氮化硅。其中，氮化硅本身不会有析晶问题，能够通过高温烧结提高强度，使用过程中不会开裂。例如，“一种氮化硅坩埚的制作方法”(CN104744051B)专利技术以氮化硅粉体为原料，采用等静压成型方式，制备了氮化硅坩埚，既避免了对硅锭的污染，又提高了生产安全性。另外，氮化硅对石英陶瓷具有抑制析晶效果。因此，将氮化硅引入石英陶瓷中，制备氮化硅结合石英坩埚，也能降低因析晶带来的坩埚开裂风险。如“光伏级硅铸锭用氮化硅结合熔融石英坩埚的制备方法”(CN105541311B)专利技术通过硅粉原位氮化，制得氮化硅结合石英复合陶瓷坩埚，降低了生产成本，且可以重复使用。然而，氮化硅与硅熔体的接触角为～49°，两者润湿，极易导致坩埚与硅锭的粘连。而根据Cassie方程(cosθ＝α_SiO2cosθ_SiO2+(1-α_SiO2)cosθ_Si3N4)预测，硅熔体与氮化硅结合熔融石英的接触角介于49°和83°之间，会发生润湿和粘连。显然，氮化硅坩埚和氮化硅结合熔融石英坩埚难以解决硅锭与坩埚粘连问题。

综上所述，现有技术所制备的坩埚难以在保证不开裂的基础上解决硅锭与坩埚粘连问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种冶炼光伏级硅用氮氧化硅/石英复合陶瓷坩埚的制备方法，用该方法所制备的冶炼光伏级硅用氮氧化硅/石英复合陶瓷坩埚在保证不开裂的基础上能实现凝固后硅锭与所制坩埚之间分离，避免粘连。

为实现本发明，本发明采用的技术方案的步骤是：

步骤一、将70～85质量份的氮氧化硅前驱体和15～30质量份的熔融石英粉体混合，在混合气氛和1400～1700℃条件下保温2～10h，自然冷却，研磨，制得氮氧化硅粉体。

步骤二、将50～100质量份的所述氮氧化硅粉体、0～50质量份的熔融石英粉体、0.3～1质量份的分散剂、0.1～2质量份的胶凝剂和30～70质量份的去离子水置入球磨罐中，混合16～24h，制得陶瓷料浆。

步骤三、将所述陶瓷料浆注入模具中，在30～90℃水浴条件下保温0.5～3h，脱模，制得复合陶瓷坯体。