一種太陽能多晶硅鑄錠用氮化硅粉料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽能多晶硅鑄錠用氮化硅粉料及其制備方法，屬于無機非金屬材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]多晶硅鑄錠是整個光伏產(chǎn)業(yè)鏈中的一個非常重要的基礎(chǔ)工序，所鑄造的硅錠的質(zhì)量直接影響太陽能電池片的光電轉(zhuǎn)化效率。氮化硅由于其優(yōu)異的耐高溫、化學穩(wěn)定性高、熱膨脹系數(shù)小等性能廣泛用作多晶硅鑄錠過程中脫模劑，是鑄錠過程中必不可少的一部分，起到脫模效果的同時，更好的阻隔了氧和其他雜質(zhì)對硅錠的污染。
[0003]目前已研究開發(fā)的氮化硅粉體的制備方法有:硅粉直接氮化法、碳熱還原二氧化硅法、化學氣相沉積法、熱分解法、自蔓延高溫合成法以及溶膠凝膠法等。其中自蔓延高溫合成法制備氮化硅具有工藝簡單、能耗低、成本低、效率高、純度高的優(yōu)點，越來越受到科研工作者的重視。一般采用硅粉、稀釋劑、添加劑按照一定比例在高壓氮氣或其他含氮混合氣體下進行點火合成，依靠燃燒波的蔓延完成整個反應(yīng)過程。添加劑一般選擇齒化銨(氯化銨、氟化銨或兩者混合物)，在合成過程中分解，一方面氨氣作為活性氣體參與硅粉的氮化反應(yīng)，另一方面鹵化銨分解屬于吸熱反應(yīng)，能夠吸收反應(yīng)體系放出的部分熱量，防止體系過熱導(dǎo)致的自燒結(jié)。但鹵化銨分解時產(chǎn)生的有毒有害氣體氯化氫和氟化氫，不僅危害人體健康，而且對設(shè)備和廠房造成一定程度的腐蝕，后處理尾氣的過程增加了生產(chǎn)成本。
[0004]目前，市場上氮化硅呈白色或灰白色粉末，在噴涂石英坩禍的過程中由于坩禍內(nèi)壁也是白色，且涂層厚度較薄，僅為10?1500μπι，噴涂過程中易出現(xiàn)噴涂不均勻，涂層覆蓋不致密的情況，這類缺陷肉眼不易被發(fā)現(xiàn)，造成鑄錠過程中，硅熔融體與石英坩禍直接接觸，不僅影響硅錠的脫模效果導(dǎo)致“粘鍋”，還會導(dǎo)致太陽能多晶硅純度降低，嚴重的會引發(fā)安全事故。另外，純氮化硅涂層雖然已被廣泛用于脫模劑，但其導(dǎo)熱系數(shù)較低(理論值為25W/(m*k))，不利于熱量的傳導(dǎo)，對于對熱場分布要求嚴格的多晶硅鑄錠過程并不利，極易造成坩禍內(nèi)同一平面溫度梯度的差異，形核得不到控制，產(chǎn)生位錯導(dǎo)致晶體定向生長效果較差，且較大的橫向和縱向溫差造成的熱應(yīng)力極可能導(dǎo)致硅錠碎裂，進而影響成片率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種太陽能多晶硅鑄錠用氮化硅粉料及其制備方法，本方法不僅氮化硅粉料制備過程簡單，反應(yīng)過程無任何有毒有害氣體產(chǎn)生，適于大規(guī)模生產(chǎn)，而且通過控制反應(yīng)參數(shù)經(jīng)一步反應(yīng)即可得到純度高、含微量碳化硅微粉的青綠色高導(dǎo)熱氮化硅粉料，有利于噴涂過程中涂層均勻性的判定，同時涂層中含有的微量碳化硅提高了涂層的導(dǎo)熱率，并提供勻質(zhì)形核點，有利于均勻成核和多晶硅定向生長，提高成片率。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種太陽能多晶硅鑄錠用氮化硅粉料，由硅粉、稀釋劑和添加劑組成，其中，硅粉占硅粉、稀釋劑和添加劑總重量的25%?50%，稀釋劑占硅粉、稀釋劑和添加劑總重量的40%?65%，添加劑占硅粉、稀釋劑和添加劑總重量的5%?15%。
[0007]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進。
[0008]進一步，所述硅粉純度2 99.99%，粒徑0.1?25μπι，中位粒徑2.5?5.Ομπι;所述稀釋劑為氮化硅粉體，純度2 99.99%，α相含量2 90%，粒徑0.1?50μπι，中位粒徑3.0?7.0μm;所述添加劑為碳酸銨、碳酸氫銨、尿素中的一種或任意幾種的混合物，純度2 99%。
[0009]本發(fā)明還提供一種太陽能多晶硅鑄錠用氮化硅粉料的制備方法，包括:
[0010]1)稱取硅粉、稀釋劑和添加劑，其中，硅粉占硅粉、稀釋劑和添加劑總重量的25%?50 %，稀釋劑占硅粉、稀釋劑和添加劑總重量的40 %?65 %，添加劑占硅粉、稀釋劑和添加劑總重量的5%?15%，用混料機混合均勻，得混合物；
[0011 ] 2)將1)得到的混合物以0.6?2.0g/cm3的松裝密度裝入容器中，容器放入反應(yīng)器中，密封反應(yīng)器，抽真空至-0.5MPa，再充入高純氮氣，壓力控制在3?6MPa，點火，混合物進行自蔓延合成反應(yīng)，反應(yīng)開始后打開反應(yīng)器夾層冷卻水；
[0012]3)當反應(yīng)器中壓力降至2)所述壓力的60%時，反應(yīng)完成，放凈反應(yīng)器內(nèi)的氣體，得氮化硅微粉，將氮化硅微粉研磨分級，得太陽能多晶硅鑄錠用氮化硅粉料。
[0013]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進。
[0014]進一步，在2)中，所述反應(yīng)器為耐高溫高壓工業(yè)反應(yīng)器。
[0015]進一步，在2)中，所述高純氮氣指除去氧氣及水的純度大于99.999%的氮氣。
[0016]進一步，在3)中，所述氮化硅微粉的純度之99.99%，鐵含量<lOppm，α相含量之80%，中位粒徑2.5?5.0μπι。
[0017]進一步，在3)中，所述氮化硅粉料的顏色為青綠色，含有0.5%?3.0%的碳化硅微粉，導(dǎo)熱率30?55W/(m*k)，純度2 99.99%，鐵含量< 15ppm，a相含量> 80%，中位粒徑1.0?1.5μπι0
[0018]使用本發(fā)明制備的青綠色、高導(dǎo)熱氮化硅粉料進行噴涂時，涂層厚度150_200μπι，涂層顏色均勻，并嚴密覆蓋石英坩禍內(nèi)壁，經(jīng)干燥、焙燒和冷卻后即可進行多晶硅鑄錠。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
[0020](1)本發(fā)明氮化硅粉料制備過程簡單，所采用的添加劑在反應(yīng)過程無任何有毒有害氣體產(chǎn)生，不需尾氣處理，耗能低，符合綠色環(huán)保的理念；
[0021](2)通過控制反應(yīng)條件(氮氣壓力、原料配比)經(jīng)一步合成反應(yīng)即可得到純度高、a相含量高、含微量碳化硅微粉的青綠色氮化硅粉料，適于大規(guī)模生產(chǎn)；
[0022](3)青綠色氮化硅粉料有利于噴涂過程中涂層均勻性的判定，防止噴涂過程中涂層覆蓋不致密不均勻?qū)е碌蔫T錠過程中硅熔融體與石英坩禍直接接觸情況的發(fā)生，有利于硅錠的脫模和太陽能多晶硅純度的提高；
[0023](4)應(yīng)用本發(fā)明制備的氮化硅粉料按常規(guī)噴涂工藝進行噴涂后，涂層中含有的微量碳化硅微粉，除具備氮化硅的耐高溫、化學穩(wěn)定性高、熱膨脹系數(shù)小的優(yōu)點外，還具備高導(dǎo)熱的特性(導(dǎo)熱系數(shù)理論值為60W/(m*k))，提高氮化硅涂層的導(dǎo)熱率(氮化硅導(dǎo)熱系數(shù)理論值為25W/(m*k))，并提供勻質(zhì)形核點，有利于坩禍內(nèi)部形成均勻的熱場，使晶體形核均勻、位錯少、速度慢，晶粒有足夠的時間長大，促進多晶硅定向生長，提高成片率。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明實施例1?3中合成產(chǎn)物的X射線衍射圖譜，圖中1、2和3分別對應(yīng)實施例1、2和3制備的產(chǎn)物。
【具體實施方式】
[0025]以下對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0026]實施例1
[0027]1)按比例稱取硅粉、氮化硅粉體和碳酸銨，其中，硅粉重量占硅粉、氮化硅粉體和碳酸銨總重量的30 %，氮化硅粉體重量占硅粉、氮化硅粉體和碳酸銨總重量的60 %，碳酸銨重量占硅粉、氮化硅粉體和碳酸銨總重量的10%，
[0028]所述硅粉純度2 99.99%，粒徑0.1?25μπι，中位粒徑3.5μπι；
[0029]所述氮化硅粉體的純度2 99.99%，α相含量90 %，粒徑0.1?50μπι，中位粒徑5.0μm；
[0030]所述碳酸銨的純度299% ;
[0031 ] 2)將1)稱取的物料利用“V”型混料機進行混料均勻，混料時間15分鐘；
[0032]3)將2)混合均勻后的物料以1.2g/cm3的松裝密度裝入石墨坩禍中，再將石墨坩禍放入耐高溫高壓工業(yè)反應(yīng)器中，將耐高溫高壓工業(yè)反應(yīng)器密封，抽真空至-0.5MPa，再充入高純氮氣，壓力控制在5.0MPa，點火，混合物進行自蔓延合成反應(yīng)，反應(yīng)開始后打開耐高溫高壓工業(yè)反應(yīng)器夾層冷卻水，
[0033]所述高純氮氣需經(jīng)過脫水、脫氧處理，純度1 99.999% ;
[0034]4)當耐高溫高壓工業(yè)反應(yīng)器壓力降至3.0MPa時，反應(yīng)完成，放凈耐高溫高壓工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)的氣體，得到疏松的塊狀青綠色產(chǎn)物氮化硅微粉，
[0035]所述氮化硅微粉的純度2 99.99%，鐵含量4.0??111，€[相含量92%，中位粒徑4.(^111;
[0036]5)將4)所制備的氮化硅微粉進行研磨分級，得到太陽能多晶硅鑄錠用青綠色、高導(dǎo)熱氮化硅粉料，
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