专利名称：一种晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层的制作方法。
背景技术：
在晶体硅铸锭生产中，氮化硅涂层起到隔绝硅熔体和熔融石英坩埚，从而起到阻止坩埚本体内的杂质向硅料中的扩散并污染硅料，同时保证硅锭与坩埚不发生粘连从而实现顺利脱模的重要作用，因而在晶体硅铸锭过程中氮化硅涂层必不可少。对于晶体硅铸锭而言，氮化硅涂层不同区域所处环境不同，如图I所示，其中硅液线位置为固、液、气三相交界区，此处硅熔体与氮化硅涂层的基体，熔融石英坩埚的反应相对最为强烈，同时此处的氮化硅涂层还受到硅液体波动的侵蚀，并且在硅晶体生长的过程中硅液线逐渐上升，对氮化硅涂层产生一定的物理冲击，因而此处的氮化硅涂层最易剥落， 失效。其中最重要的影响因素为硅熔体与熔融石英坩埚的反应程度，这一反应与此处氮化硅涂层的致密度存在相互影响的关系。因而如何增强这一区域氮化硅涂层的致密度是解决粘埚问题的关键之一。对于常规铸锭通常采用的喷涂烧结法制备氮化硅涂层而言，其弊端实现而易见的在喷涂操作过程中，相对一部分氮化硅粉随排风一起流失，既造成氮化硅粉的浪费又造成环境的污染，而1100°c左右的烧结温度需要大量电能及运行时间，因而亟待改善。目前国内外已见通过在氮化硅浆料中引入粘结剂实现氮化硅涂层早期强度提高的相关研究报道，如R. Einhaus等人在氮化硅涂层中引入PVA作为成膜剂，以喷涂制备氮化硅涂层的实验研究，但由于氮化硅涂层与硅熔体间非浸润性的破坏，导致硅锭开裂，如图2所示。另据申请号为201110258563.7的专利中报道以聚乙烯醇、聚丙烯酸等作为粘结采用喷涂法制备免烧结氮化硅涂层的报道，但实验证明该方法制备的氮化硅涂层强度较差，粘埚现象严重无法正常使用。综上所述，目前提高氮化硅涂层强度仍然是本领域一项重要课题，当前虽然已见通过引入粘结剂的方法来提高涂层成膜性能和早期强度的研究，但由于无法控制有机物对涂层非浸润性的影响，目前仍然无法用于实际生产；而相关专利提及在喷涂过程中使用粘结剂的方法，由于没有从根本上改善颗粒排列结构，无法从根本上提高氮化硅涂层的强度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层的制作方法，该方法可以避免氮化硅涂层在喷涂过程中粉尘的产生，进一步提高氮化硅粉的有效利用率，降低氮化硅粉的用量，从而降低生产成本；同时由于避免粉尘的产生，增强了操作过程中的环境友好性，降低了对人体的伤害；制得的氮化硅涂层的致密度和非浸润性强，不易粘祸，制成的娃淀好。
本发明的上述技术问题是通过如下技术方案来实现的一种晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层的制作方法，采用液相沉积的方法在坩埚内壁的易粘埚区域制得氮化硅涂层后，对该区域氮化硅涂层进行致密化和非浸润性处理，并采用液相沉积的方法在坩埚内壁的其它区域制得氮化硅涂层，最后将氮化硅涂层进行低温烘烤或免烧结处理，获得晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层。本发明所述坩埚内壁的易粘埚区域主要为坩埚的硅液线区域以及坩埚内部的棱、角区域。本发明制得氮化硅涂层的方式为直接将氮化硅浆料涂布在坩埚内壁的易粘埚区域或其它区域，通过氮化硅颗粒自动沉积，将氮化硅浆料涂布于坩埚的内壁，也称之为液相沉积法。相比较于现有技术中通常采用气体喷雾的方式进行喷涂，本发明采用上述液相沉积的方式，可以更好的将氮化硅浆料涂布于坩埚的易粘埚区域，涂布的氮化硅涂层的孔隙率低，强度高。
通常来说，涂布氮化硅浆料的方式大体由以下几种刷涂、辊涂、喷涂以及浇注等，现有技术中大多采用气体喷雾的方式进行喷涂，实际上，采用刷涂和辊涂的方式制得的氮化硅涂层的孔隙率要远小于喷涂以及浇注的方式，相比较而言，刷涂的方法较辊涂的方法要好，辊涂的方法较喷涂的方法要好，喷涂又优于浇注的方式，采用刷涂的方式获得的氮化硅涂层更加致密些，本发明对坩埚内壁的易粘埚区域的氮化硅涂层采用刷涂的方式，对于坩埚内壁的其它区域，对氮化硅涂层的要求不太高的地方，采用喷涂、辊涂以及浇注或者其中两种相结合的方式。本发明所述氮化硅浆料由氮化硅粉末、纯水和粘结剂按重量份比为100:70^450:0. Γ15 配制而成。本发明所述粘结剂为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、聚乙烯醇和胶体二氧化硅中的一种或几种。本发明所述致密化处理为在坩埚的易粘埚区域的氮化硅浆料的干燥过程中，通过搅动、振动或挤压机械作用使坩埚易粘埚区域的氮化硅颗粒呈致密化排列，获得致密化氮化硅涂层。本发明所述非浸润性处理为对致密化的氮化硅涂层表面进行表面打磨、抛光及吸附干燥氮化硅粉，获得非浸润性氮化硅涂层。所谓非浸润性即是在硅晶体的铸锭过程中，熔融的硅料不易进入氮化硅涂层中，通过非浸润性处理，可以提高硅熔体与氮化硅涂层之间的非浸润性，防止粘埚现象的发生，并确保硅晶体的纯度。关于非浸润性的定义，非浸润性与浸润性是相对的指标，主要是指液体对固体的润湿程度，其主要标准为浸润角的大小，如图7中所示，对于硅熔体(液体)和氮化硅涂层(固体)而言，两者之间的非浸润性指的是硅熔体与氮化硅涂层表面接触时，液体边缘处与氮化硅涂层之间的夹角的大小，这个夹角越大(> 90° )说明二者间非浸润性越好，反之，如果二者间夹角越小，说明二者之间非浸润性越差(如图7中的C所示)。对于氮化硅涂层而言，两者间非浸润性越大越好，这样硅熔体凝固后可以与涂层完全分离，而如果两者间相互浸润，也就是说非浸润性降低，则很可能导致粘埚。采用本发明中的方法制备获得的氮化硅涂层，由于孔隙率低，强度好，所以不需烧结，如需烘烤时，本发明低温烘烤处理时的温度为低于500°C ;与常规氮化硅涂层需要在IlOO0C左右的烧结温度相比，烧结温度降低了近600 V。本发明具有如下优点(I)本发明通过对易粘埚区域(主要指硅液线)的氮化硅涂层进行致密化处理，获得的氮化硅涂层相对于传统方法如喷涂法制得的氮化硅涂层的孔隙率可以降低40%以上；在强度方面，本发明制备的氮化硅涂层的强度提高一到两个等级，尤其是烧结前涂层强度得到显著提高，可大大减低装料过程中因硅料磕碰导致的涂层损伤，具体硬度性能见下表I ;表I不同方法制备氮化硅涂层铅笔硬度测试
权利要求
1.一种晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层的制作方法，其特征是采用液相沉积的方法在坩埚内壁的易粘埚区域制得氮化硅涂层后，对该区域氮化硅涂层进行致密化和非浸润性处理，并采用液相沉积的方法在坩埚内壁的其它区域制得氮化硅涂层，最后将氮化硅涂层进行低温烘烤或免烧结处理，获得晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层。
2.根据权利要求I所述的晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层的制作方法，其特征是所述坩埚内壁的易粘埚区域主要为坩埚的硅液线区域以及坩埚内部的棱、角区域。
3.根据权利要求I或2所述的晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层的制作方法，其特征是制得氮化硅涂层的方式为直接将氮化硅浆料涂布在坩埚内壁的易粘埚区域或坩埚内壁的其它区域，氮化硅浆料中氮化硅颗粒自动沉积，将氮化硅浆料涂布于坩埚的内壁上。
4.根据权利要求3所述的晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层的制作方法，其特征是所述氮化硅浆料由氮化硅粉末、纯水和粘结剂按重量份比为100:7(T450:0. f 15配制而成。
5.根据权利要求4所述的晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层的制作方法，其特征是所述粘结剂为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、聚乙烯醇和胶体二氧化硅中的一种或几种。
6.根据权利要求I或2所述的晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层的制作方法，其特征是所述致密化处理为在坩埚的易粘埚区域的氮化硅浆料的干燥过程中，通过搅动、振动或挤压机械作用使坩埚易粘埚区域的氮化硅颗粒呈致密化排列，获得致密化氮化硅涂层。
7.根据权利要求I或2所述的晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层的制作方法，其特征是所述非浸润性处理为对致密化的氮化硅涂层表面进行表面打磨、抛光及吸附干燥氮化硅粉，获得非浸润性氮化硅涂层。
8.根据权利要求I或2所述的晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层的制作方法，其特征是低温烘烤处理时的温度为低于500°C。
全文摘要
本发明公开了一种晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层的制作方法，采用液相沉积的方法在坩埚内壁的易粘埚区域制得氮化硅涂层后，对该区域氮化硅涂层进行致密化和非浸润性处理，并采用液相沉积的方法在坩埚内壁的其它区域制得氮化硅涂层，最后将氮化硅涂层进行低温烘烤或免烧结处理，获得晶体硅铸锭用坩埚氮化硅涂层。该方法可显著提高氮化硅涂层整体强度，尤其可以提高易粘埚区域涂层的强度及其对硅熔体的非浸润性，可有效避免粘埚现象的发生，避免了氮化硅粉尘的产生，进一步提高了氮化硅粉的有效利用率，降低了生产成本，增强了操作过程中的环境友好性，降低了对人体的伤害；并且由于无需或仅需低温烘烤，减少了能源的浪费缩短了生产周期。
文档编号C03C17/22GK102898034SQ20121036932
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者黄新明, 尹长浩, 周海萍, 钟根香 申请人:东海晶澳太阳能科技有限公司, 南京工业大学