[发明专利]光伏级硅冶炼用氮化硅骨架增强石英基陶瓷及其制备方法

说明书

本发明涉及一种光伏级硅冶炼用氮化硅骨架增强石英基陶瓷及其制备方法。其技术方案是：将单质硅粉、氮化硅粉、丙烯酸与2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸共聚物、木质素磺酸铵和去离子水混合，搅拌，制得陶瓷料浆I；将聚氨酯海绵浸入陶瓷料浆I中，浸渍后挤压或甩浆，干燥后在氮气气氛烧成，制得三维氮化硅骨架；将熔融石英粉、氮化硅粉、乳酸、粘结剂和去离子水混合，球磨，制得陶瓷料浆II；将三维氮化硅骨架置于石膏模具中，再将陶瓷料浆II倒入石膏模具中，静置，脱模，干燥后在空气或惰性气氛中烧成，制得光伏级硅冶炼用氮化硅骨架增强石英基陶瓷。本发明所制制品的抗折强度高和高温形变小，光伏级硅冶炼中无需石墨护板，能有效避免光伏硅污染。

技术领域

本发明属于石英基陶瓷技术领域。尤其涉及一种光伏级硅冶炼用氮化硅骨架增强石英基陶瓷及其制备方法。

背景技术

光伏级硅是目前最重要的光电转换材料，而石英陶瓷坩埚是制备过程中不可或缺的关键冶炼容器。对于当前石英陶瓷坩埚冶炼光伏级硅工艺而言，存在以下两个突出问题：首先，石英陶瓷坩埚仅能一次性使用，原因是在高温(1500℃)服役过程中，石英陶瓷坩埚不可避免发生析晶和晶型转变，且发生约5％的体积变化，导致坩埚发生开裂；其次，杂质元素污染硅熔体，大幅降低光伏级硅的光电转换效率和产率。导致硅熔体的污染问题的重要原因之一，是现有的生产技术中石墨护板的普遍应用，即：石英陶瓷坩埚通常与石墨护板配合使用，石墨护板固定于陶瓷坩埚外侧作为支撑材料，避免高温下因石英陶瓷坩埚软化而导致的坍塌。然而，石墨护板在高温下会与石英陶瓷坩埚反应(C+SiO₂＝SiO+CO和C+2SiO₂＝2SiO+CO₂)，形成CO、CO₂气体，气相物质会扩散进入硅熔体，一方面增大了硅液中C、O浓度，降低硅锭的纯度；另一方面，扩散进入硅熔体的C元素，极易与Si反应生成硬度较高的SiC，导致硅片切割过程中效率的降低。

由此可知，高温析晶和软化是光伏级硅冶炼用石英陶瓷坩埚急需解决的技术难题。针对高温析晶难题，目前被普遍认可的有效措施是在石英坩埚中引入氮化硅，以减少高温析晶。例如，“多晶硅铸锭用氮化硅结合熔融石英坩埚的制备方法”(CN105541311B)专利技术，通过向石英坩埚中添加氮化硅粉和单质硅粉，采用原位氮化、烧成工艺，制备氮化硅结合熔融石英陶瓷坩埚，能有效抑制石英的高温析晶，有望实现坩埚的重复使用。然而，由于需兼顾石英组分的高温析晶风险，该方法制备的氮化硅结合石英陶瓷的热处理温度偏低，氮化硅和石英颗粒的结合较弱，导致材料强度较低。更重要的是，该方法没有兼顾坩埚高温软化的技术难题。具体而言，该方法制备的氮化硅结合石英陶瓷中，氮化硅颗粒仅弥散分布于石英陶瓷中，对于整体材料的增强效果不足；高温服役中，石英相软化会带动整个陶瓷坩埚材料的软化，即该方法制备的氮化硅结合石英陶瓷坩埚仍然存在较大的软化风险。基于此，该工艺仍需使用石墨护板，不可避免致使杂质污染硅熔体问题持续出现，降低光伏级硅的光电转换效率和产率。

综上所述，现有技术所制备的陶瓷材料强度低，高温软化风险高；服役中仍然需要使用石墨护板，随之带来光伏硅污染以及产率降低的风险，使得光伏级硅冶炼工艺复杂，并增加了光伏级硅冶炼生产成本。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种光伏级硅冶炼用氮化硅骨架增强石英基陶瓷的制备方法，用该方法所制备的光伏级硅冶炼用氮化硅骨架增强石英基陶瓷的抗折强度高和高温变形小，能避免石墨护板的使用所带来的光伏硅污染以及切出率降低的风险，简化光伏级硅冶炼工艺，降低光伏级硅的生产成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的步骤是：

步骤一、将50～95质量份的单质硅粉、5～50质量份的氮化硅粉、0.2～1质量份的丙烯酸与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物、0.5～2质量份的木质素磺酸铵和20～40质量份的去离子水混合，搅拌20～40min，制得陶瓷料浆I。