CN107759229A

CN107759229A - 一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法

Info

Publication number: CN107759229A
Application number: CN201711058293.9A
Authority: CN
Inventors: 高顺博; 谢炎; 宾际云; 李江岑
Original assignee: YANTAI HEJING CERAMIC NEW MATERIALS CO Ltd
Current assignee: YANTAI HEJING CERAMIC NEW MATERIALS CO Ltd
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2018-03-06

Abstract

本发明涉及一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，包括以下工艺：料浆制备、生坯坯体成型、反应烧结，本工艺摒弃传统坩埚一直使用的熔融石英砂作为坩埚坯体成型的基本原料，而是创造性的使用高纯硅粉为主要原料，避免了硅锭中杂质的主要来源熔融石英砂，也降低了引入氧元素的可能性，同时，采用我司独有的凝胶注凝成型工艺，解决了氮化硅坩埚难以实现一次性、大尺寸成型的困难。

Description

一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，尤其涉及一种用于多晶铸锭行业,可大幅减少甚至消除红区，减少硅片光衰的高纯无氧坩埚制备方法。

背景技术

传统多晶硅铸锭以熔融石英坩埚为主要容器，在1500～1600℃的苛刻条件下经过加热、熔化、长晶、退火、冷却等步骤，虽然在整个过程中，坩埚内壁有氮化硅涂层做隔离保护，但仍有大量杂质渗透到硅锭里，尤其Fe等金属对硅锭品质有严重影响，导致硅锭红区异常。坩埚本体中的氧元素进入到硅锭中，增大后期电池片的光衰，影响太阳能电池的发电效率和长期稳定使用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，通过对现有传统铸锭工艺的大的革新，减少乃至消除坩埚对于硅锭的污染，减少杂质及氧的影响，提高转换效率，减少光衰，提高太阳能电池片的效率及使用寿命。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，包括以下工艺：料浆制备、生坯坯体成型、反应烧结，其特征在于：所述工艺步骤具体如下：

1)料浆制备：将的3-5批不同粒径大小的硅粉，硅粉质量20％的氮化硅粉，按照大粒径——小粒径——大粒径的加料顺序，加入到混料机中进行混合，混料结束后，向混料机里加入高纯水，混合一段时间(一般情况下是1-12个小时，具体时间可以根据生产情况确定，制药混合均匀即可)后，依次加入反应所需的有机单体、交联剂、引发剂、催化剂、分散剂，混合0.5～1.5小时，得到混合均匀一致的料浆，该料浆为固相含量高，流动性好，粘度低的均一稳定悬浮液；

2)排泡：将步骤1)中得到的混合均匀的料浆缓慢转入预先清洗干净的浇注罐，同时对浇筑罐内部进行抽真空，在转移过程中一方面要利用压力作用将搅拌浆压入浇注罐中，同时要对浇注罐中的料浆进行二次抽真空排泡；

3)生坯坯体成型：将步骤2)中排泡结束的料浆注入到指定形状的模具中，然后将模具推入烘箱进行反应，得到生坯，具体的，利用压强原理，通过浇注罐注入到特定形状、尺寸的不锈钢模具中，并进行保压，以得到致密度高，气泡少，内部结构致密均匀的坯体，浇注结束将模具置于中转区放置，消除内部的气泡；

4)固化：将步骤3)中得到的生坯脱模，然后放置在养护房中进行干燥固化脱胶；

5)养护：将脱模后得到的Si坯体推入养护房中进行养护干燥，使坯体强度得到较大提高，便于后续进行修坯打磨；

6)反应烧结：将干燥脱胶后的生坯放入氮化炉中进行反应烧结，得到氮化硅坩埚。

进一步的，步骤1)所述的硅粉为纯度≥98％的高纯硅粉，粒径与重量分别为2份重量的100～200um硅粉，3份重量的粒径70～100um硅粉，3份重量的40～70um硅粉，2份重量的20～40um硅粉，2份重量的20～30um的α-Si3N4粉体，2份重量的电阻率为18.2的高纯水。

进一步的，步骤1)，有机单体为3％～5％wt丙烯酰胺(AM)，交联剂为0.5％～2％wt的NN-亚甲基双丙烯酰胺，引发剂是0.5％～1％wt的过硫酸铵，催化剂是0.5％～1％wt的四甲基乙二胺，分散剂1％～3％wt的聚丙烯酸钠复合添加剂。

进一步的，步骤1)中所述混料机为卧式混料机。

进一步的，步骤2)中料浆转入浇注罐的放浆速度为1900-1920g/L。

进一步的，步骤3)中所述模具为厚度为20-40mm、内部光滑的组合式一体化模具。

进一步的，步骤3)中所述烘箱温度为90-100℃，反应时间为1.5-2小时。

进一步的，步骤5)中所述养护房为全封闭，干燥温度最高为150℃、干燥时间为20-30小时。

进一步的，步骤6)中所述烧结炉为微波烧结炉。

进一步的，步骤3)中所述模具为不锈钢材质。

进一步的，步骤5)养护过程为：升温阶段，室温——100℃，3～5℃/h，保温阶段，80～120℃，保温10～15小时，养护结束。

本发明的有益效果是：本发明申请摒弃传统坩埚一直使用的熔融石英砂作为坩埚坯体成型的基本原料，而是创造性的使用高纯硅粉为主要原料，避免了硅锭中杂质的主要来源熔融石英砂，也降低了引入氧元素的可能性，同时，采用我司独有的凝胶注凝成型工艺，解决了氮化硅坩埚难以实现一次性、大尺寸成型的困难。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，包括以下工艺：料浆制备、生坯坯体成型、反应烧结，其特征在于：所述工艺步骤具体如下：

1)料浆制备：将的3-5批不同粒径大小的硅粉，硅粉质量20％的氮化硅粉，按照大粒径——小粒径——大粒径的加料顺序，加入到混料机中进行混合，混料结束后，向混料机里加入高纯水，混合一段时间后依次加入反应所需的有机单体、交联剂、引发剂、催化剂、分散剂，混合0.5～1.5小时，得到混合均匀一致的料浆，该料浆为固相含量高，流动性好，粘度低的均一稳定悬浮液；

其中，步骤1)所述的硅粉为纯度≥98％的高纯硅粉，粒径与重量分别为2份重量的100～200um硅粉，3份重量的粒径70～100um硅粉，3份重量的40～70um硅粉，2份重量的20～40um硅粉，2份重量的20～30um的α-Si3N4粉体，2份重量的电阻率为18.2的高纯水。

其中，步骤1)，有机单体为3％～5％wt丙烯酰胺(AM)，交联剂为0.5％～2％wt的NN-亚甲基双丙烯酰胺，引发剂是0.5％～1％wt的过硫酸铵，催化剂是0.5％～1％wt的四甲基乙二胺，分散剂1％～3％wt的聚丙烯酸钠复合添加剂。

其中，步骤1)中所述混料机为卧式混料机。

其中，步骤2)中料浆转入浇注罐的放浆速度为1900-1920g/L。

其中，步骤3)中所述模具为厚度为20-40mm、内部光滑的组合式一体化模具。

其中，步骤3)中所述烘箱温度为90-100℃，反应时间为1.5-2小时。

其中，步骤5)中所述养护房为全封闭，干燥温度最高为150℃、干燥时间为20-30小时。

其中，步骤6)中所述烧结炉为微波烧结炉。

步骤3)中所述模具为不锈钢材质。

其中，步骤5)养护过程为：升温阶段，室温——100℃，3～5℃/h，保温阶段，80～120℃，保温10～15小时，养护结束。

实施实例1氮化硅基-90％硅粉+10％氮化硅粉成型制备方式

制备过程为：

1)，以高纯硅粉、氮化硅粉为主要直加原料，制备了固相体积比为75％硅粉的稳定悬浮液。基于对凝胶注凝成型工艺的运用，通过往高纯硅粉-氮化硅粉混溶悬浮液加入的反应所需的有机单体、交联剂、引发剂、催化剂、分散剂，通过对悬浮液的Zeta电位、粘度、分散性的测试，制备出了固相含量高，流动性好，粘度低的均一稳定悬浮液；

2)，将混有高纯硅粉、氮化硅粉以及反应所需化学添加剂的稳定悬浮液，从搅拌桶中转移到已清洗完毕、备好待用的真空浇注罐中，转移过程中一方面要利用压力作用将搅拌浆压入真空浇注罐中，同时要对抽进罐中的料浆进行二次抽真空排泡；

3)，将真空浇注罐中的浇注料浆，利用压强原理，通过浇注管注入到特定形状、尺寸的不锈钢模具中，并进行保压，已得到致密度高，气泡少，内部结构致密均匀的坯体，浇注结束将模具置于中转区放置，消除内部的气泡；

4)，静置程序结束的模具放入到烘箱中进行固化反应，反应结束后降温冷却脱模即得到凝胶注凝成型的净尺寸的Si坯体

5)，将脱模后得到的Si坯体推入养护房中进行养护干燥，使坯体强度得到较大提高，便于后续进行修坯打磨；

6)，干燥好的生坯放入氮化烧结炉进行反应烧结，最后得到所需的氮化硅坩埚

实施实例2熔融石英基-90％硅粉+10％二氧化硅粉成型制备方式

制备过程为：

1)，以高纯硅粉为主要直加原料，料浆中加入Wt％10的熔融石英浆，制备了固相体积比为75％硅粉的稳定悬浮液。基于对凝胶注凝成型工艺的运用，通过往高纯硅粉-熔融石英混溶悬浮液加入的反应所需的有机单体、交联剂、引发剂、催化剂、分散剂，通过对悬浮液的Zeta电位、粘度、分散性的测试，制备出了固相含量高，流动性好，粘度低的均一稳定悬浮液；

2)，将混有高纯硅粉、熔融石英以及反应所需化学添加剂的稳定悬浮液，从搅拌桶中转移到已清洗完毕、备好待用的真空浇注罐中，转移过程中一方面要利用压力作用将搅拌浆压入真空浇注罐中，同时要对抽进罐中的料浆进行二次抽真空排泡；

实施实例3全硅粉基成型制备方式

制备过程为：

1)，以高纯硅粉为唯一直加原料，制备了固相体积比为75％硅粉的稳定悬浮液。基于对凝胶注凝成型工艺的运用，通过往高纯硅粉混溶悬浮液加入的反应所需的有机单体、交联剂、引发剂、催化剂、分散剂，通过对悬浮液的Zeta电位、粘度、分散性的测试，制备出了固相含量高，流动性好，粘度低的均一稳定悬浮液；

2)，将混有高纯硅粉以及反应所需化学添加剂的稳定悬浮液，从搅拌桶中转移到已清洗完毕、备好待用的真空浇注罐中，转移过程中一方面要利用压力作用将搅拌浆压入真空浇注罐中，同时要对抽进罐中的料浆进行二次抽真空排泡；

以高纯硅粉为主体，适量配以氮化硅粉或熔融石英浆为添加剂，可有效提高生坯坯体成型的强度与合格率，同时控制了引入的杂质及氧含量，提高了铸锭产品的质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，包括以下工艺：料浆制备、生坯坯体成型、反应烧结，其特征在于：所述工艺步骤具体如下：

1)料浆制备：将的3-5批不同粒径大小的硅粉，硅粉质量20％的氮化硅粉，按照大粒径——小粒径——大粒径的加料顺序，加入到混料机中进行混合，混料结束后，向混料机里加入高纯水，混合一段时间后依次加入反应所需的有机单体、交联剂、引发剂、催化剂、分散剂，混合0.5～1.5小时，得到混合均匀一致的料浆；

2)排泡：将步骤1)中得到的混合均匀的料浆缓慢转入预先清洗干净的浇注罐，同时对浇筑罐内部进行抽真空；

3)生坯坯体成型：将步骤2)中排泡结束的料浆注入到指定形状的模具中，然后将模具推入烘箱进行反应，得到生坯；

4)固化：将步骤3)中得到的生坯脱模，然后放置在烘箱中进行干燥固化反应，反应结束后降温冷却、脱模，得到凝胶注凝成型的硅坯体；

2.根据权利要求1所述的一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的硅粉为纯度≥98％的高纯硅粉，粒径与重量分别为2份重量的100～200um硅粉，3份重量的粒径70～100um硅粉，3份重量的40～70um硅粉，2份重量的20～40um硅粉，2份重量的20～30um的α-Si3N4粉体，2份重量的电阻率为18.2的高纯水。

3.根据权利要求1所述的一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，其特征在于：步骤1)，有机单体为3％～5％wt丙烯酰胺(AM)，交联剂为0.5％～2％wt的NN-亚甲基双丙烯酰胺，引发剂是0.5％～1％wt的过硫酸铵，催化剂是0.5％～1％wt的四甲基乙二胺，分散剂1％～3％wt的聚丙烯酸钠复合添加剂。

4.根据权利要求1所述的一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述混料机为卧式混料机。

5.根据权利要求1所述的一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，其特征在于：步骤2)中料浆转入浇注罐的放浆速度为1900-1920g/L。

6.根据权利要求1所述的一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述模具为厚度为20-40mm、内部光滑的组合式一体化模具。

7.根据权利要求1所述的一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述烘箱温度为90-100℃，反应时间为1.5-2小时。

8.根据权利要求1所述的一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，其特征在于：步骤5)所述养护房为全封闭，干燥温度最高为150℃、干燥时间为20-30小时。

9.根据权利要求1所述的一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，其特征在于：步骤5)养护过程为：升温阶段，室温——100℃，3～5℃/h，保温阶段，80～120℃，保温10～15小时，养护结束。

10.根据权利要求1或6所述的一种用于多晶铸锭高纯无氧坩埚的制备方法，其特征在于：步骤6)所述烧结炉为微波烧结炉。