一种用于光伏多晶硅生产的Si2N2O陶瓷粉体的制备方法与流程

本发明涉及si2n2o陶瓷粉体制备
技术领域：
。更具体地，涉及一种用于光伏多晶硅生产的si2n2o陶瓷粉体的制备方法。
背景技术：
：光伏多晶硅铸锭生产过程中，陶瓷坩埚是一个关键材料，硅料在坩埚内熔化、晶体生长、退火冷却，铸成多晶硅锭，将硅铸锭按照要求切割成硅片，便可用于制造太阳能电池。目前，光伏多晶硅铸锭生产中使用的是石英陶瓷坩埚。高温下硅熔体与石英坩埚发生反应，一方面导致杂质元素进入污染硅熔体，另一方面反应导致硅熔体与石英坩埚粘连，导致脱模时硅铸锭和坩埚发生开裂，严重影响多晶硅铸锭的品质和产率提升。因此，通常采用在石英坩埚表面涂覆氮化硅涂层的方法，阻止硅熔体与石英坩埚之间的反应，来减小脱模过程中造成的损耗。尽管如此，实际生产过程中石英坩埚也难以重复使用，这造成了光伏多晶硅的生产成本提高。从微观机制上看，硅熔体与石英在高温下发生si(l)+sio2(s)→2sio(g)脱氧反应侵蚀坩埚，而硅熔体冷却过程中的膨胀行为，使得硅侵入坩埚凹坑并产生较大应力，从而导致硅锭与石英坩埚发生粘连和开裂。使用氮化硅涂层后，这层多孔结构弱界面减缓了硅熔体对石英坩埚的侵蚀。实质上，硅熔体对sio2基体的接触角为～85°，接近不润湿；而对si3n4基体的接触角为～49°，是润湿的。氮化硅材料表面天然存在的薄层sio2膜，是多孔结构氮化硅涂层与硅熔体表现出不润湿性，减缓其侵蚀石英坩埚的关键所在。而这一薄层sio2膜，会随着脱氧反应进行而消失，使得硅熔体由不润湿变为润湿并最终渗透涂层而侵蚀坩埚。因而，采用对硅熔体不润湿的陶瓷材料，消除脱氧反应路径，解决硅锭与坩埚的粘连和开裂问题，是提升光伏多晶硅品质和产率，降低生产成本的必由之路。从材料体系上看，光伏多晶硅用陶瓷坩埚材料不仅要有优异的高温机械、热学性能，还要求不引入杂质并与硅熔体不润湿，这限制了材料的可选范围，其中si2n2o陶瓷是一个可能的选择。si2n2o陶瓷是一种高性能的高温结构陶瓷，具有优异的高温强度、抗热震性、热稳定性和抗氧化性。然而现有技术中，si2n2o陶瓷主要通过高温原位反应制备，这一个过程能耗高、周期长、成本高，限制其规模应用。因此，本发明提供了一种用于光伏多晶硅生产的si2n2o陶瓷粉体的制备方法，以解决上述问题。技术实现要素：本发明的一个目的在于提供一种用于光伏多晶硅生产的si2n2o陶瓷粉体的制备方法。该方法解决了现有技术中si2n2o陶瓷粉体的生产成本高等问题；生产的si2n2o陶瓷粉体可用于制备光伏多晶硅生产用陶瓷坩埚及脱模涂层，解决硅锭与坩埚粘连和开裂的问题，提高硅铸锭的品质和产率。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种用于光伏多晶硅生产的si2n2o陶瓷粉体的制备方法，包括如下步骤：将混合粉体置于氮气气氛中，诱发混合粉体发生自蔓延燃烧反应，得到si2n2o陶瓷粉体；其中，所述混合粉体包括si粉和sio2粉；所述混合粉体还包括si2n2o粉和/或nh4cl粉。优选地，按重量份数计，所述混合粉体包括：si粉35～56份；sio2粉25～40份；si2n2o粉大于0份且不超过40份。优选地，按重量份数计，所述混合粉体包括：si粉35～56份；sio2粉25～40份；nh4cl粉大于0份且不超过4份。优选地，按重量份数计，所述混合粉体包括：优选地，所述混合粉体置于高压燃烧合成设备中进行自蔓延燃烧反应。优选地，所述诱发混合粉体发生高温反应的具体方式为采用螺旋钨丝通电发热诱发混合粉体发生自蔓延燃烧反应。优选地，所述氮气的压力为1～4mpa。优选地，所述混合粉体中，所述si粉与sio2粉的重量比为1.4:1。另外，如无特殊说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。本发明的有益效果如下：本发明提出的用于光伏多晶硅生产的si2n2o陶瓷粉体的制备方法，利用反应放出的热量使未反应的部分达到可反应的温度进而发生反应，具有工艺简单、制备周期短、能耗低和成本低等特点。附图说明下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。图1示出本发明实施例1中制得的si2n2o陶瓷粉体的sem照片。图2示出本发明实施例2中硅熔体对si2n2o涂层的高温接触角照片。具体实施方式为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。本发明中，制备方法如无特殊说明则均为常规方法；所用的原料如无特别说明均可从公开的商业途径获得；所述百分比如无特殊说明均为质量百分比。现有技术中，si2n2o陶瓷主要通过高温原位反应制备，高温原位反应通常需要将原料加热到1500℃的高温下，进行长时间保温才能制得si2n2o，这一个过程能耗高、周期长、成本高，限制其规模应用。为解决上述问题，本发明提供了一种si2n2o陶瓷粉体的制备方法，利用反应放出的热量使未反应的部分达到可反应的温度进而发生反应，降低了所需能耗，且反应过程简单，周期短。具体地，本发明提出了一种用于光伏多晶硅生产的si2n2o陶瓷粉体的制备方法，包括如下步骤：将混合粉体置于氮气气氛中，诱发混合粉体发生自蔓延燃烧反应，得到si2n2o陶瓷粉体；其中，按重量份数计，所述混合粉体包括si粉和sio2粉；所述混合粉体还包括si2n2o粉和/或nh4cl粉。本发明仅需诱发混合粉体发生自蔓延燃烧反应即可得到si2n2o陶瓷粉体，反应过程简单，无需进行高温加热、长时间保温等；此外本发明利用诱发混合粉体进行高温反应放出的热量，使未反应的部分粉体达到可反应的温度进而继续发生反应，从而降低所需要的能耗，继而降低了生产成本；进一步地，本发明中混合粉体除si粉和sio2粉外，还加入了si2n2o粉和/或nh4cl粉，解决了si2n2o陶瓷粉体中si杂相、sio2杂相和si3n4杂相较多的问题。作为一个优选地实施方式，所述混合粉体置于高压燃烧合成设备中进行自蔓延燃烧反应。作为一个优选地实施方式，按重量份数计，所述混合粉体包括：si粉35～56份；sio2粉25～40份；si2n2o粉大于0份且不超过40份。当混合粉体中si2n2o粉重量份数>40份时，产物中有si3n4杂相存在。作为一个优选地实施方式，按重量份数计，所述混合粉体包括：si粉35～56份；sio2粉25～40份；nh4cl粉大于0份且不超过4份。当混合粉体中nh4cl粉重量份数>4份时，产物中有si3n4杂相存在。作为一个优选地实施方式，按重量份数计，所述混合粉体包括：si粉35～56份；sio2粉25～40份；si2n2o粉大于0份且不超过40份；nh4cl粉大于0份且不超过4份。当混合粉体中同时包含si2n2o粉和nh4cl粉时，减少了产物si2n2o陶瓷粉体中si杂相、sio2杂相和si3n4杂相的存在。具体地，所述诱发混合粉体发生高温反应的具体方式为采用螺旋钨丝通电发热诱发混合粉体发生自蔓延燃烧反应。进一步地，所述氮气的压力为1～4mpa；本发明技术人员经大量实验证实，在该压力范围内，获得的产品性能效果最优，超出该范围会造成产品性能降低。进一步地，所述混合粉体中，所述si粉与sio2粉的重量比为1.4:1；本发明技术人员经大量实验证实，在该重量比条件下，获得的产品性能效果最优，在该重量比条件下，产物si2n2o陶瓷粉体中不存在si杂相、sio2杂相和si3n4杂相。实施例1一种si2n2o陶瓷粉体的制备，包括如下步骤：将35g的si粉、25g的sio2粉和40g的si2n2o粉混合均匀得到混合粉体；在4mpa氮气气氛的高压燃烧合成设备中，采用螺旋钨丝通电发热诱发混合粉体发生自蔓延燃烧反应，得到si2n2o陶瓷粉体。对得到的陶瓷粉体进行xrd测试，结果表明，产物成分为si2n2o，无杂相生成；对得到的陶瓷粉体进行sem测试，结果表明，产物粒度细分布均匀，如图1所示；将得到的粉体制备成陶瓷涂层，涂覆于石英基板表面，进行高温座滴实验，测得硅熔体对si2n2o涂层的接触角为120°。实施例2一种si2n2o陶瓷粉体的制备，包括如下步骤：将42g的si粉、30g的sio2粉、27g的si2n2o粉和1g的nh4cl粉混合均匀得到混合粉体；在3mpa氮气气氛的高压燃烧合成设备中，采用螺旋钨丝通电发热诱发混合粉体发生自蔓延燃烧反应，得到si2n2o陶瓷粉体。对得到的陶瓷粉体进行xrd测试，结果表明，产物成分为si2n2o，无杂相生成；对得到的陶瓷粉体进行sem测试，结果表明，产物粒度细分布均匀；将得到的粉体制备成陶瓷涂层，涂覆于石英基板表面，进行高温座滴实验，测得硅熔体对si2n2o涂层的接触角为120°，如图2所示。实施例3一种si2n2o陶瓷粉体的制备，包括如下步骤：将49g的si粉、35g的sio2粉、13g的si2n2o粉和3g的nh4cl粉，混合均匀得到混合粉体；在2mpa氮气气氛的高压燃烧合成设备中，采用螺旋钨丝通电发热诱发混合粉体发生自蔓延燃烧反应，得到si2n2o陶瓷粉体。对得到的陶瓷粉体进行xrd测试，结果表明，产物成分为si2n2o，无杂相生成；对得到的陶瓷粉体进行sem测试，结果表明，产物粒度细分布均匀；将得到的粉体制备成陶瓷涂层，涂覆于石英基板表面，进行高温座滴实验，测得硅熔体对si2n2o涂层的接触角为120°。实施例4一种si2n2o陶瓷粉体的制备，包括如下步骤：将56g的si粉、40g的sio2粉和4g的nh4cl粉，混合均匀得到混合粉体；在1mpa氮气气氛的高压燃烧合成设备中，采用螺旋钨丝通电发热诱发混合粉体发生自蔓延燃烧反应，得到si2n2o陶瓷粉体。对得到的陶瓷粉体进行xrd测试，结果表明，产物成分为si2n2o，无杂相生成；对得到的陶瓷粉体进行sem测试，结果表明，产物粒度细分布均匀；将得到的粉体制备成陶瓷涂层，涂覆于石英基板表面，进行高温座滴实验，测得硅熔体对si2n2o涂层的接触角为120°。一些实施例为检验混合粉体配方对产物化学组成的影响，即方法步骤同实施例1，仅改变混合粉体中si粉、sio2粉、si2n2o粉和nh4cl粉的用量及比例，结果如下表。表1不同原料比例的结果实施例编号si粉/gsio2粉/gsi2n2o粉/gnh4cl粉/g产物化学组成558.341.700si2n2o、si3n4、si63624400si2n2o、si73426400si2n2o、sio2833.62442.40si2n2o、sio2931.522.5424si2n2o、si3n41055.439.605si2n2o、si3n4结果表明：当混合粉体中不添加si2n2o粉和nh4cl粉时，产物中有si和si3n4杂相存在；当混合粉体中si:sio2>1.4:1时，产物中有si杂相存在；当混合粉体中si:sio2<1.4:1时，产物中有sio2杂相存在；当混合粉体中si2n2o粉重量份数>40份时，产物中有si3n4杂相存在；当混合粉体中nh4cl粉重量份数>4份时，产物中有si3n4杂相存在。当混合粉体中si:sio2＝1.4:1，且混合粉体中si粉、sio2粉、si2n2o粉和nh4cl粉的用量在本发明给定范围内时，产物成分为si2n2o，无杂相生成。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。当前第1页12