多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料及其涂覆方法与流程

本发明属于多晶硅铸锭技术领域，尤其是涉及一种多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料及其涂覆方法。

背景技术：

光伏发电是当前最重要的清洁能源之一，具有极大的发展潜力。制约光伏行业发展的关键因素，一方面是光电转化效率低，另一方面是成本偏高。光伏硅片是生产太阳能电池和组件的基本材料，用于生产光伏硅片的多晶硅纯度必须在6N级以上(即非硅杂质总含量在1ppm以下)，否则光伏电池的性能将受到很大的负面影响。近几年，多晶硅片生产技术有了显著进步，多晶铸锭技术已从G4(每个硅锭重约270公斤，可切4×4＝16个硅方)进步到G5(5×5＝25个硅方)，然后又进步到G6(6×6＝36个硅方)。并且，所生产多晶硅铸锭的单位体积逐步增大，成品率增加，且单位体积多晶硅铸锭的制造成本逐步降低。

实际生产过程中，太阳能多晶硅铸锭时，需使用石英坩埚来填装硅料，且将硅料投入石英坩埚后，通常情况下还需经预热、熔化(也称熔料)、长晶(也称定向凝固结晶)、退火、冷却等步骤，才能完成多晶硅铸锭过程。目前，太阳能多晶硅铸锭过程中，所采用的坩埚喷涂过程中使用的是Si₃N₄材料作为喷涂材料，但因Si₃N₄材料本身的导热性能差、不稳定性等特点，使铸锭过程中容易形成硬质点，并且铸锭成品底部的含氧量较高，对产品的质量有很大的影响。另外，Si₃N₄材料虽然能有效隔离硅液和坩埚反应，但是Si₃N₄和硅液发生反应后形成红区，易引入杂质Si₃N₄并形成硬质点，对铸锭成品的质量影响很大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料，该涂层材料以氮化硼作为主要原料，能有效增大坩埚底部导热效果，并能降低坩埚底部氧含量，同时稳定性好，铸锭过程中不易形成硬质点，能有效保证铸锭成品的质量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料，其特征在于：由以下重量份的原料制成：有机胶结剂1份，去离子水2～2.5份，氮化硼0.8～1.2份。

上述多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料，其特征是：所述有机粘结剂为有机硅胶粘剂、酚醛-氯丁橡胶胶粘剂、环氧胶粘剂、瞬间胶粘剂、丙烯酸胶粘剂、聚乙烯醇胶粘剂、聚醋酸乙烯胶粘剂、AE丙烯酸酯胶、聚乙烯醇缩丁醛胶粘剂或玻璃胶。

上述多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料，其特征是：所述氮化硼为六方氮化硼。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好的多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料的涂覆方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、涂层喷涂液配制：将有机胶结剂、去离子水和氮化硼均匀混合，得到涂层喷涂液；

步骤二、喷涂：采用喷涂设备将步骤一中所述涂层喷涂液均匀喷涂至坩埚的内部底面上，所述坩埚内部底面上1m²区域内喷涂的所述涂层喷涂液中所含氮化硼的质量为100g～200g；

所述坩埚为多晶硅铸锭炉用石英坩埚；

步骤三、烘干：将步骤二中所述坩埚水平放置于烘干设备内，并采用所述烘干设备且在80℃～100℃温度条件下对喷涂至坩埚内部底面上的所述涂层喷涂液进行烘干，获得底部涂层。

上述方法，其特征是：步骤二中所述喷涂设备为液体喷枪。

上述方法，其特征是：步骤三中所述烘干设备为烘箱。

上述方法，其特征是：步骤二中所述坩埚为立方体坩埚；步骤三中所述坩埚和所述烘箱均呈水平布设；

所述烘箱包括箱体、布设在坩埚底部的底部加热器和四个分别布设在坩埚的四个侧壁外侧的侧部加热器，四个所述侧部加热器均位于底部加热器上方，所述底部加热器呈水平布设，四个所述侧部加热器均呈竖直向布设；所述底部加热器上设置有供坩埚放置的石墨垫块。

上述方法，其特征是：步骤二中进行喷涂时，所述坩埚内部底面上1m²区域内喷涂的所述涂层喷涂液中所含氮化硼的质量为100g～150g。

上述方法，其特征是：步骤三中进行烘干时，先采用所述烘干设备将坩埚加热至80℃～100℃，再进行保温直至喷涂至坩埚内部底面上的所述涂层喷涂液烘干为止。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、所采用的涂层材料由有机胶结剂、去离子水和氮化硼，成本较低且配制简便。

2、所采用的涂层材料以氮化硼作为主要原料，能有效增大坩埚底部导热效果，并能降低坩埚底部氧含量，同时稳定性好，铸锭过程中不易形成硬质点，能有效保证铸锭成品的质量。

3、所采用的涂层材料能有效降低多晶硅铸锭的成本，由于硼本身为多晶硅铸锭时所用的一种掺杂剂，但单质硼的成本相当高；而采用本发明中公开的涂层材料涂覆后制备多晶硅铸锭坩埚底部涂层时，能减少单质硼的掺杂量，甚至避免添加单质硼，从而能有效降低多晶硅铸锭成本。

4、所采用的涂覆方法设计合理且实现简便、使用效果好，能简便、快速在坩埚底部制作一层底部涂层，并且制作好的底部涂层质量好，涂覆过程易于控制。同时，所采用的烘干结构设计合理且成本较低、使用效果货，能简便、快速完成坩埚底部涂层的烘干过程，并且加热效果好，能有效保证加工成型的坩埚底部涂层厚度均匀且质量好。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明带底部涂层的坩埚的结构示意图。

图2为本发明烘箱的结构示意图。

图3为本发明在多晶硅铸锭坩埚底部涂覆氮化硼涂层材料的方法流程框图。

附图标记说明:

1—坩埚； 2—底部涂层； 3—底部加热器；

4—侧部加热器； 5—石墨垫块。

具体实施方式

实施例1

本实施例中，所制备的多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料，由以下重量份的原料制成：有机胶结剂1份，去离子水2.2份，氮化硼1份。

本实施例中，所述有机胶结剂为酚醛-氯丁橡胶胶粘剂。

其中，酚醛-氯丁橡胶胶粘剂的种类较多，主要包括铁锚801强力胶、百得胶、JX-15-1胶、FN-303胶、CX-401胶、XY-401胶、CH-406胶等。上述酚醛-氯丁橡胶胶粘剂均为市售的商品，能直接获得。

实际使用时，所述有机胶结剂也可以为有机硅胶粘剂、环氧胶粘剂、瞬间胶粘剂、丙烯酸胶粘剂、聚乙烯醇胶粘剂、聚醋酸乙烯胶粘剂、AE丙烯酸酯胶、聚乙烯醇缩丁醛胶粘剂或玻璃胶。

其中，有机硅胶粘剂(也称为有机硅胶黏剂)分单组分、双组分、室温硫化和加热硫化等多种，室温硫化型的主要产品牌号有703、704、FS-203、GD-400等。按照固化温度，有机硅胶粘剂可分为高温固化、低温固化和室温固化三类。本发明所采用的有机硅胶粘剂为低温固化类有机硅胶粘剂。

环氧胶粘剂为过氯乙烯环氧胶粘剂或呋喃改性环氧胶粘剂。

瞬间胶粘剂也称为瞬间胶，常用的是α-氰基丙烯酸乙酯，商品牌号为502胶；医用的α-氰基丙烯酸丁酯，商品牌号为504胶。

丙烯酸胶粘剂，市售的品种有SA-200、AB胶、J-39、J-50、SGA-404、丙烯酸酯胶等。

本实施例中，所述氮化硼为氮化硼粉末。

本实施例中，所述氮化硼为六方氮化硼。

如图3所示的一种将所述氮化硼涂层材料在多晶硅铸锭坩埚底部涂覆的方法，包括以下步骤：

步骤一、涂层喷涂液配制：将有机胶结剂、去离子水和氮化硼均匀混合，得到涂层喷涂液；

步骤二、喷涂：采用喷涂设备将步骤一中所述涂层喷涂液均匀喷涂至坩埚1的内部底面上，所述坩埚1内部底面上1m²区域内喷涂的所述涂层喷涂液中所含氮化硼的质量为100g～150g；

所述坩埚1为多晶硅铸锭炉用石英坩埚；

步骤三、烘干：将步骤二中所述坩埚1水平放置于烘干设备内，并采用所述烘干设备且在90℃温度条件下对喷涂至坩埚1内部底面上的所述涂层喷涂液进行烘干，获得底部涂层2，详见图1。

本实施例中，步骤二中所述喷涂设备为液体喷枪。

实际使用时，步骤二中所述喷涂设备也可以为其它类型的液体喷涂设备。

本实施例中，步骤三中所述烘干设备为烘箱。

如图2所示，步骤二中所述坩埚1为立方体坩埚；步骤三中所述坩埚1和所述烘箱均呈水平布设；

所述烘箱包括箱体、布设在坩埚1底部的底部加热器3和四个分别布设在坩埚1的四个侧壁外侧的侧部加热器4，四个所述侧部加热器4均位于底部加热器3上方，所述底部加热器3呈水平布设，四个所述侧部加热器4均呈竖直向布设；所述底部加热器3上设置有供坩埚1放置的石墨垫块5。

本实施例中，步骤二中进行喷涂时，所述坩埚1内部底面上1m²区域内喷涂的所述涂层喷涂液中所含氮化硼的质量为150g。

优选地，步骤二中进行喷涂时，所述坩埚1内部底面上1m²区域内喷涂的所述涂层喷涂液中所含氮化硼的质量为100g～150g。

实际使用过程中，可根据具体需要，对坩埚1内部底面上1m²区域内喷涂的所述涂层喷涂液中所含氮化硼的质量进行相应调整。

本实施例中，步骤三中进行烘干时，先采用所述烘干设备将坩埚1加热至90℃，再进行保温直至喷涂至坩埚1内部底面上的所述涂层喷涂液烘干为止。

实际进行烘干时，可根据具体需要，对烘干温度进行相应调整。

由于所述底部涂层中含有的氮化硼具有导热性能好、稳定性好、耐高温性能好等优点，能有效增强坩埚1底部的导热效果，能有效提高熔化效率，并且坩埚1底部气体的难以排除，能有效降低坩埚1底部的氧含量，使铸锭成品底部的含氧量降低。同时，氮化硼和氧在高温下反应生成B₂O₃以及二氧化氮气体(NO₂)等，能进一步降低坩埚1底部的氧含量，并且生成的B₂O₃比Si₃N₄稳定，铸锭过程中不易形成硬质点，因而能有效降低铸锭成品的硬质点，同时能有效提高铸锭成品的少子寿命，能有效提高铸锭成品的质量。

实际使用时，采用多晶硅铸锭炉，并利用带底部涂层2的坩埚1进行多晶硅铸锭即可。并且，所采用的多晶硅铸锭方法为常规的多晶硅铸锭方法，具体为全熔多晶硅铸锭法。

目前，多晶硅铸锭方法主要有半熔铸锭法和全熔铸锭法两种，半熔铸锭法也称为有籽晶铸锭多晶硅法，是指采用毫米级硅料作为形核中心进行外延生长，铸造低缺陷高品质的多晶硅铸锭；全熔铸锭法也称为无籽晶铸锭多晶硅法或无籽晶高效多晶硅技术，是指采用非硅材料在坩埚底部制备表面粗糙的异质形核层，通过控制形核层的粗糙度与形核时过冷度来获得较大形核率，铸造低缺陷高品质多晶硅铸锭。目前，多晶硅铸锭方法以全熔铸锭法为主。

本实施例中，与常规坩埚相比，采用多晶硅铸锭炉且利用带底部涂层2的坩埚1进行多晶硅铸锭后，加工成型铸锭成品的表面无杂质，无粘埚现象，铸锭底部含氧量降低60％以上，少子寿命＞5.5us(微秒)，硬质点比例＜0.5％，成品率为75％。

实施例2

本实施例中，所制备的多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料，由以下重量份的原料制成：有机胶结剂1份，去离子水2份，氮化硼0.8份。

本实施例中，所述有机胶结剂为有机硅胶粘剂。

本实施例中，所制备的多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料的其余原料均与实施例1相同。

本实施例中，所采用的氮化硼涂层材料涂覆方法，与实施例1不同的是：步骤二中进行喷涂时，所述坩埚1内部底面上1m²区域内喷涂的所述涂层喷涂液中所含氮化硼的质量为100g；步骤三中进行烘干时，采用所述烘干设备且在80℃温度条件下对喷涂至坩埚1内部底面上的所述涂层喷涂液进行烘干，并且先采用所述烘干设备将坩埚1加热至80℃，再进行保温直至喷涂至坩埚1内部底面上的所述涂层喷涂液烘干为止。

本实施例中，所采用氮化硼涂层材料涂覆方法的其余步骤和工艺参数均与实施例1相同。

本实施例中，与常规坩埚相比，采用多晶硅铸锭炉且利用带底部涂层2的坩埚1进行多晶硅铸锭后，加工成型铸锭成品的表面无杂质，无粘埚现象，铸锭底部含氧量降低64％以上，少子寿命＞5.5us(微秒)，硬质点比例＜0.5％，成品率为72％。

实施例3

本实施例中，所制备的多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料，由以下重量份的原料制成：有机胶结剂1份，去离子水2.5份，氮化硼0.8份。

本实施例中，所述有机胶结剂为环氧胶粘剂。

本实施例中，所制备的多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料的其余原料均与实施例1相同。

本实施例中，所采用的氮化硼涂层材料涂覆方法，与实施例1不同的是：步骤二中进行喷涂时，所述坩埚1内部底面上1m²区域内喷涂的所述涂层喷涂液中所含氮化硼的质量为130g；步骤三中进行烘干时，采用所述烘干设备且在100℃温度条件下对喷涂至坩埚1内部底面上的所述涂层喷涂液进行烘干，并且先采用所述烘干设备将坩埚1加热至100℃，再进行保温直至喷涂至坩埚1内部底面上的所述涂层喷涂液烘干为止。

本实施例中，所采用氮化硼涂层材料涂覆方法的其余步骤和工艺参数均与实施例1相同。

本实施例中，与常规坩埚相比，采用多晶硅铸锭炉且利用带底部涂层2的坩埚1进行多晶硅铸锭后，加工成型铸锭成品的表面无杂质，无粘埚现象，铸锭底部含氧量降低72％以上，少子寿命＞5.5us(微秒)，硬质点比例＜0.5％，成品率为80％。

实施例4

本实施例中，所制备的多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料，由以下重量份的原料制成：有机胶结剂1份，去离子水2.5份，氮化硼1.2份。

本实施例中，所述有机胶结剂为瞬间胶粘剂。

本实施例中，所制备的多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料的其余原料均与实施例1相同。

本实施例中，所采用的氮化硼涂层材料涂覆方法，与实施例1不同的是：步骤二中进行喷涂时，所述坩埚1内部底面上1m²区域内喷涂的所述涂层喷涂液中所含氮化硼的质量为180g。

本实施例中，所采用氮化硼涂层材料涂覆方法的其余步骤和工艺参数均与实施例1相同。

本实施例中，与常规坩埚相比，采用多晶硅铸锭炉且利用带底部涂层2的坩埚1进行多晶硅铸锭后，加工成型铸锭成品的表面无杂质，无粘埚现象，铸锭底部含氧量降低65％以上，少子寿命＞5.5us(微秒)，硬质点比例＜0.5％，成品率为68％。

实施例5

本实施例中，所制备的多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料，由以下重量份的原料制成：有机胶结剂1份，去离子水2份，氮化硼1.2份。

本实施例中，所述有机胶结剂为丙烯酸胶粘剂。

本实施例中，所制备的多晶硅铸锭坩埚底部氮化硼涂层材料的其余原料均与实施例1相同。

本实施例中，所采用的氮化硼涂层材料涂覆方法，与实施例1不同的是：步骤二中进行喷涂时，所述坩埚1内部底面上1m²区域内喷涂的所述涂层喷涂液中所含氮化硼的质量为200g。

本实施例中，所采用氮化硼涂层材料涂覆方法的其余步骤和工艺参数均与实施例1相同。

本实施例中，与常规坩埚相比，采用多晶硅铸锭炉且利用带底部涂层2的坩埚1进行多晶硅铸锭后，加工成型铸锭成品的表面无杂质，无粘埚现象，铸锭底部含氧量降低60％以上，少子寿命＞5.5us(微秒)，硬质点比例＜0.5％，成品率为65％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。