用于多晶硅铸锭的高效免喷涂熔融石英坩埚的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于石英坩埚制造领域，具体涉及一种用于多晶硅铸锭的高效免喷涂熔融 石英坩埚的制造方法。
【背景技术】
[0002] 太阳能多晶硅的迅猛发展，大大加快了多晶硅熔融铸锭所使用的熔融石英坩埚的 研究发展。行业内由于坩埚成品率的问题，目前所生产的石英坩埚大多是未喷涂的，使用者 在用这种坩埚时必须自备喷涂设备，在成品坩埚内部喷上一层氮化硅涂层，然后在i〇〇〇°C 以上烧结24个小时以上才能开始装入纯硅料进行使用。市场上也有少量免喷涂石英坩埚， 但这只是在坩埚生产后继续喷涂并烧结，工艺并没有改变，而且这种工艺生产周期长，耗能 巨大。现行坩埚生产中的打磨工序是在坩埚烧结以后进行，由于烧结后的坩埚硬度很高，导 致对设备和磨具的要求也高，而且打磨过程中需要用大量的水进行冷却。另外用普通的免 喷涂熔融石英坩埚难以生产高转换效率的硅锭。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种用于多晶硅铸锭的高效免喷涂熔融 石英坩埚的制造方法，该法可使石英坩埚的生产周期缩短，减化了客户使用坩埚的工艺，大 大降低了能耗，提高了坩埚成品率，同时提高了硅锭的转换效率。
[0004] 本发明的目的可以通过以下措施达到：
[0005] -种用于多晶硅铸锭的高效免喷涂熔融石英坩埚的制造方法:对免喷涂熔融石英 坩埚的毛坯打磨、清洁预处理，然后在该毛坯内底面上依次喷涂40~60目和70~90目的高 纯石英砂颗粒，再在毛坯的内表面喷涂〇. 2~0.7_的氮化硅涂层，最后将该毛坯在梭式窑 炉中于1090~1180 °C下烧结14~24小时，即得。
[0006] 本方法中必需在氮化硅涂层内按顺序喷涂一定厚度的两层高纯石英砂颗粒层，所 采用的高纯石英粉的粒径分别为40~60目和70~90目，进一步优选45~50目和80~85目。 进一步的，喷涂40~60目（优选45~50目）高纯石英砂颗粒后得到的高纯石英砂层的厚度为 0.6~1.0mm，喷涂70~90目（优选80~85目）高纯石英砂颗粒后得到的高纯石英砂层的厚度 为0.7~1. 1mm。本发明发现通过在氮化娃涂层内按顺序喷涂特定厚度和特定粒径的两层高 纯石英砂颗粒层，进一步配合低温烧结条件，可以大幅提高坩埚的成品率至80 %左右，并使 所制备的硅锭的光电转换效率达18%左右，而这两层高纯石英砂颗粒层的粒径和厚度如不 在特定的范围内时，则成品率降低超过10 %，且所制备的硅锭的光电转换效率只在一般水 平。
[0007] 本发明进一步提供了更具体的用于多晶硅铸锭的高效免喷涂熔融石英坩埚的制 造方法，其包括如下步骤：
[0008] (1)将块状及粒状高纯熔融石英原料一起通过球磨研磨进行湿法造粒，研磨后的 料衆粒径为1 Own~50μηι;
[0009] (2)将料浆充分搅拌后，再加入粉状高纯熔融石英原料混合均匀，然后注入石膏模 具中进行充分的脱水成型，脱模；
[0010] (3)脱模后的坯体在180°C以下进行干燥，制得毛坯；
[0011] (4)对毛坯进行打磨、清洁预处理；
[0012] (5)在毛坯内底面喷涂20~100目的高纯石英砂颗粒；
[0013] (6)在毛坯内表面喷涂0.2~0.7mm的氮化硅涂层；
[0014] (7)将喷有氮化硅涂层的毛坯在梭式窑炉中于1000~1300°C下烧结14~24小时。
[0015]本发明的高纯熔融石英原料，其纯度一般在99.9%以上。本方法可得到高效免喷 涂熔融石英坩埚。
[0016] 步骤（1)中，块状高纯熔融石英原料与粒状高纯熔融石英原料的质量比为25~30: 70~75,所述块状高纯熔融石英原料的粒径为20~60nm，所述粒状高纯熔融石英原料的粒 径为5~20nm。
[0017] 步骤(1)中湿法造粒过程中加入两种高纯熔融石英原料质量20~30%的水。
[0018]粉状高纯熔融石英原料与步骤（1)中所述料浆的质量比为30~40:70~60,所述粉 状高纯熔融石英原料粒径为50~200目。
[0019]步骤(2)中料浆在加入粉状高纯熔融石英原料前充分搅拌72小时以上，优选为72 ~200小时，进一步优选为100~170小时。该步骤中的脱水成型时间一般为5~20小时，优选 为10~15小时。
[0020] 步骤(3)中干燥温度优选为100~180 °C。
[0021]步骤(4)中的预处理包括对坯体进行打磨和清洁步骤，打磨过程特别是采用砂轮 打磨毛坯底部，该打磨过程一般只需5~25分钟;清洁过程特别是清洁毛坯内表面。
[0022] 步骤(5)中在所述毛坯内底面上按顺利依次喷涂45~50目和80~85目的高纯石英 砂颗粒，喷涂45~50目高纯石英砂颗粒后得到的高纯石英砂层的厚度为0.6~1.0mm，喷涂 80~85目高纯石英砂颗粒后得到的高纯石英砂层的厚度为0.7~1. 1mm。
[0023]步骤(6)中所述氮化娃涂层为20~25wt%的Si3N4水溶液，该氮化娃涂层的厚度优 选为0 · 5mm 〇
[0024]步骤(7)结束后可采用超声波无损探伤或X射线检查烧结好的石英坩埚，检测坩埚 的成品率及其他性能。
[0025] 本方法在现有工艺的基础上，将打磨步骤从成品后处理提至毛坯预处理，不仅大 大降低了处理难度，而且减少了处理设备和用料消耗。本法克服了由于成品率低而将氮化 硅后涂的限制，将毛坯烧结和氮化硅涂层制备合二为一，在其他步骤的配合下，不仅简化了 工艺流程，更极大地减少了能源消耗和设备投入，还提高了坩埚的制备成品率，使成品率从 60 %左右提高至80 %左右。同时又提高了所制备的硅锭的转换效率，使转换效率从17 %左 右提尚至18%左右。
[0026]本发明的方法与无喷涂坩埚相比，因为将坩埚生产中的烧结和氮化硅涂层的烧结 合二为一，缩短了生产周期，较之前缩短了 30%;简化了客户的生产工艺，提高了客户的生 产效率;提高了成品率、成品光电转换效率及企业的经济效益。
[0027]本方法与现有的免喷涂坩埚相比，大大降低了能耗，较之前节省了40%以上。
[0028]本方法与现有的免喷涂坩埚相比，大大提高了所制备的硅锭的光电转换效率。
[0029] 本工艺与现有的工艺相比，提前进行底部研磨预处理杜绝了水资源的浪费，降低 了处理难度，也提高了原料的利用率。
【具体实施方式】
[0030] 实施例1
[0031] 将500kg粒径为50~60mm的块状高纯熔融石英原料和1500kg粒径为10~20mm的粒 状高纯熔融石英原料(块状及粒状高纯熔融石英原料的质量组分:二氧化硅>99.9%，氧化 错<2000ppm,氧化铁<50ppm,氧化钠<50ppm,其它组分为原料中不可避免的杂质；下同），投 入球磨机中加入500kg的水进行湿法研磨，研磨后的料衆粒径控制在1 Ομπι~30μηι。
[0032]将料浆导出球磨机后进行搅拌120小时，检查料浆的物理及化学性能；再加入 1349kg的干粉（100目粉状高纯熔融石英原料)进行充分搅拌;搅拌均匀后转入浇注罐注入 石膏模具中，在模具中静置10个小时后进行脱模。