[发明专利]一种大尺寸氮化硅坩埚的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大尺寸氮化硅坩埚的制备方法，属于坩埚技术领域。

背景技术

作为一种可再生的资源，太阳能越来越受到人们的关注，开发太阳能资源已成为经济发展的新动力之一。在利用太阳能的太阳电池中，多晶硅电池的性价比较高，成为最有优势的太阳能发电装置，市场占有率在80％以上。硅晶的制备过程直接影响着太阳能电池的性能品质和生产成本，石英坩埚(主要成分是二氧化硅)是多晶硅铸锭生产的必需品，然而采用石英坩埚存在很多问题。

石英坩埚主要用以在1400℃以上的高温环境中持续较长时间使硅变成熔融态，然后降温制备得到硅晶。而熔融状态中的硅液可与其接触的二氧化硅反应生成一氧化硅，将氧引入到硅液中，从而污染了硅液。熔融的硅液与二氧化硅发生反应，促使硅粘附在石英坩埚上，由于二氧化硅与硅的热膨胀系数不同，当石英坩埚与硅发生粘结时，在晶体冷却的过程中极可能造成晶体硅或石英坩埚破裂。且石英坩埚的抗热震性较差，在高温下会软化变形，并且由于急剧冷却而产生裂纹，导致其在生产中不能多次重复使用，只能使用一次，增加了生产成本。

氮化硅坩埚具有优良的高温稳定性能，逐渐成为硅晶制备用的首选替换坩埚。氮化硅坩埚较之石英坩埚，在高温环境中不仅有足够的强度，还具有优异的抗热震性，即使在高温后急剧冷却的情况下也不会产生裂纹，因此可以在硅晶制备过程中多次重复使用，延长了硅晶制备所用坩埚的使用寿命，降低了硅晶制备的成本。

目前，氮化硅坩埚主要添加Al₂O₃、MgO、Y₂O₃、CeO₂等金属氧化物为烧结助剂，而用添加金属氧化物的氮化硅坩埚制备硅晶后，硅晶中的氧含量和金属杂质含量增大，特别是高浓度氧会在硅晶中形成氧沉淀，甚至会在晶界和位错处大量聚集，引起硅材料少子寿命降低，甚至直接成为电池的短路通道，从而影响硅晶电池的电池效率。因而，上述方法制备的氮化硅坩埚不适合硅晶的制备，而且硅锭越大，产品的质量就越好。因此大尺寸、杂质含量少的氮化硅坩埚成为硅晶铸锭中优选的坩埚，但目前，此类坩埚的报道并不多见。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种大尺寸氮化硅坩埚的制备方法。本发明制备的氮化硅坩埚氧含量及金属杂质含量低，且尺寸大，将其应用于多晶硅铸锭中可以得到质量更高的硅晶。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种大尺寸氮化硅坩埚的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氮化硅粉、分散剂、烧结助剂、粘结剂与溶剂混合均匀，得到浆料；

(2)将步骤(1)得到的浆料边搅拌边注入石膏模具的型腔内，并将模具置于恒温恒湿环境中吸水排水，得到成型固化的坯体；

(3)拆掉模具的模芯和边模，将步骤(2)所得成型固化的坯体置于固化炉中，使产品固化并干燥，得到生坯；

(4)将步骤(3)所得生坯置于气压烧结炉内，进行分段烧结，待烧结结束后，降温，泄压出炉，即得氮化硅坩埚。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤(1)中，所述氮化硅粉中α相含量≥80％，纯度≥99.99％，粒度为亚微米级。

进一步，步骤(1)中，所述分散剂为硅烷偶联剂、聚丙烯酸、腐植酸、聚乙二醇中的一种或多种，所述分散剂的纯度≥99.9％，所述分散剂的添加量为氮化硅粉体重量的1～3％。

进一步，步骤(1)中，所述烧结助剂为纯度≥99.99％的亚微米级二氧化硅和氮化硅镁，所述二氧化硅和氮化硅镁的质量比为1:1～1:9，所述烧结助剂的添加量为氮化硅粉体重量的1～10％。

进一步，步骤(1)中，所述粘结剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、环氧树脂中的一种或多种，所述粘结剂的纯度≥99.9％，所述聚乙烯醇的聚合度为300～3000，所述环氧树脂的环氧值为0.25～0.45，所述粘结剂的添加量为氮化硅粉体重量的1～3‰。

进一步，步骤(1)中，所述溶剂为水和体积分数≥95％的乙醇溶液按体积比1:1组成的混合物，所述溶剂的添加量为氮化硅粉体重量的30％～70％。

进一步，步骤(1)中，所述浆料的固相体积含量为59～79％vol，粘度<1.2Pa·s。

进一步，步骤(2)中，所述石膏模具的型腔尺寸为长600～1300mm、宽600～1300mm、高400～700mm、厚度5～20mm，所述注浆成型方式为实心注浆，所述恒温恒湿环境为温度为25℃±1℃、湿度为50±5％，所述成型时间为20小时。