專利名稱：多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層及其制備工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明為一種碳材料表面涂層及其制備工藝，尤其是一種多晶硅鑄錠爐用碳材料構件表面的防碳污染涂層及其制備工藝。
背景技術：
現(xiàn)代光伏產業(yè)85%以上基于晶體硅片太陽電池，其中一半以上基于多晶硅片太陽電池。所需的多晶硅片由定向凝固的多晶硅鑄錠切割制得。生產過程中多晶硅鑄錠爐內涉及1500°C以上高溫，因此多晶硅鑄錠爐內普遍采用碳材料，包括石墨和碳-碳復合材料， 制造耐溫結構件。多年以來業(yè)界共認，碳材料結構件表面會通過與爐內高溫環(huán)境中的殘余氧、氧化硅甚至與石英接觸反應釋放一氧化碳氣體，一氧化碳進而與硅熔體反應釋放碳，從而造成硅熔體的碳污染，使鑄造多晶硅材料中碳含量增高。曾有實驗以純金屬鉬結構支承件代替石墨結構支承件進行多晶硅鑄錠實驗，結果發(fā)現(xiàn)所得鑄錠表層碳化硅完全消除，內部碳含量下降 50% (F. Schimid 等，Journal of Electrochemical Society, 1979 年 6 月刊，P. 935)。但金屬鉬在1400°C以上高溫下會發(fā)生蠕變而變形，而且還存在鉬污染隱患，不能滿足長期使用需要。因此迄今為止，沒有適當材料可以代替多晶硅鑄錠爐內使用的這些碳材料，由碳材料構件造成的硅熔體碳污染問題依然存在。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層及其制備工藝，避免碳材料結構件對硅熔體的碳污染。一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其成份為碳化硅，制備工藝為通過硅-碳相互作用在碳材料表面原位生長，包括在碳材料表面提供均布硅源，在1200-1600°C 下使之與碳相互反應，原位生長形成碳化硅層。一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其成份為碳化硅，制備工藝為以硅熔體作為硅源，將石墨或碳-碳復合材料埋置于石英坩堝中的純硅原料中，硅料總量保證其熔融后石墨或碳-碳復合材料能夠全部為硅熔體所浸沒。將此石英坩堝在氬氣保護的電阻爐中加熱至1420-1550°C使其中硅料熔融，之后保溫20-100分鐘，然后以石墨夾具將石墨或碳-碳復合材料從熔體中夾出，隨爐斷電降溫后將石墨或碳-碳復合材料從爐內取出； 以體積比為1-3 1 10-30的HF-HNO3-H2O混合酸溶液或15-35%氫氧化鈉溶液溶解去除石墨或碳-碳復合材料表面沾附殘存的硅，之后以去離子水漂洗，即在石墨或碳-碳復合材料表面獲得致密多晶組織的碳化硅涂層。一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其成份為碳化硅，制備工藝為以硅粉為硅源，將硅粉與水、乙醇及聚乙二醇配成漿液，噴涂于石墨表面，烘干后在電阻爐中在氬氣保護下加熱到1200-1600°C保溫40-120分鐘后隨爐冷卻，即在石墨表面獲得致密多晶組織的碳化硅涂層。其中漿液制備方法為把硅粉、水、乙醇、粘結劑以重量比為10-40:100:0-100:20-100的比例混合，攪拌10-30分鐘，即得。其中粘結劑為聚乙二醇、硅溶膠、麥芽糊精或其組合。本發(fā)明的效果包括運用本發(fā)明技術制備的碳化硅涂層的組織結構及機械性能與施加碳化硅涂層后多晶硅鑄錠中碳含量的下降程度，分述如下
(1)所制備涂層表面的X射線衍射譜見圖1，顯示涂層材料為立方碳化硅。(2)將所制備涂層試樣剖面暴露于空氣進行熱疲勞試驗(每個疲勞周期為1250°C 保溫50分鐘和水冷至室溫10分鐘，共10個周期)，試驗完成后顯示a)相對于碳而言，涂層基本不與氧反應、不發(fā)生刻蝕而凸顯；b)涂層厚度達到1 mm，形成一個表面殼層；c)涂層與碳材料結合良好。(3)對多晶硅坩堝頂部碳材料蓋板底表面采用本發(fā)明技術制備施加碳化硅涂層， 將此涂層蓋板應用于多晶硅鑄錠生產，以傅里葉紅外光譜儀測定所得鑄錠中平均碳含量， 結果為1.2 ppm左右，為同等條件下用普通石墨蓋板條件下生產的鑄錠的平均碳含量 (5. 2 ppm)的 23%。(4)將石墨試樣和采用本發(fā)明工藝在不同實施條件下在石墨表面制備的涂層試樣在空氣中進行熱疲勞試驗(每個疲勞周期為1250°C保溫50分鐘+水冷至室溫10分鐘，共 10個周期)過程中試樣的單位面積失重曲線見圖2。顯示石墨由于氧化而嚴重失重，而施加涂層后，視具體實施例不同，則不發(fā)生失重或只發(fā)生微小失重。因此本發(fā)明工藝可制得致密、與碳材料結合良好的碳化硅涂層，能夠有效防止多晶硅鑄錠生產過程中碳材料耐溫結構件對硅材料的污染，降低多晶硅鑄錠中碳含量。
圖1采用本發(fā)明工藝在碳材料表面制備的涂層的X射線衍射譜。圖2石墨試樣和采用本發(fā)明工藝在不同實施條件下在石墨表面制備的涂層試樣在空氣中熱疲勞試驗過程(每個疲勞周期為1250°C保溫50分鐘和水冷至室溫10分鐘)中試樣的單位面積失重曲線。
具體實施例方式下面結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。實施例1:
一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其成份為碳化硅，制備工藝為以硅熔體作為硅源，將石墨試塊埋置于石英坩堝中的純硅原料中，硅料總量保證其熔融后石墨試塊能夠全部為硅熔體所浸沒。將此石英坩堝在氬氣保護的電阻爐中加熱至1450°C使其中硅料熔融，之后保溫20分鐘，然后以石墨夾具將石墨試塊從熔體中夾出，隨爐斷電降溫后將石墨試塊從爐內取出；以體積比為3 1 15的HF-HNO3-H2O混合酸溶液溶解去除石墨試塊表面沾附殘存的硅，之后以去離子水漂洗，即得。實施例2:
一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其成份為碳化硅，制備工藝為以硅熔體作為硅源，將碳-碳復合材料試塊埋置于石英坩堝中的純硅原料中，硅料總量保證其熔融后碳-碳復合材料試塊能夠全部為硅熔體所浸沒。將此石英坩堝在氬氣保護的電阻爐中加熱至1450°C使其中硅料熔融，之后保溫20分鐘，然后以石墨夾具將碳-碳復合材料試塊從熔體中夾出，隨爐斷電降溫后將碳-碳復合材料試塊從爐內取出；以體積比為3 1 15 的HF-HNO3-H2O混合酸溶液溶解去除碳-碳復合材料試塊表面沾附殘存的硅，之后以去離子水漂洗，即得。實施例3:
一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其成份為碳化硅，制備工藝為以硅粉為硅源，將硅粉與水、乙醇及聚乙二醇配成漿液，噴涂于石墨表面，烘干后在電阻爐中在氬氣保護下加熱到1460°C保溫60分鐘后隨爐冷卻，即得。其中漿液的制備方法為把硅粉、水、乙醇、聚乙二醇以重量比為20:100:50:80的比例混合，攪拌30分鐘，即得。實施例4:
一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其成份為碳化硅，制備工藝為以硅粉為硅源，將硅粉與水、乙醇及硅溶膠配成漿液，噴涂于石墨表面，烘干后在電阻爐中在氬氣保護下加熱到1460°C保溫60分鐘后隨爐冷卻，即得。其中漿液的制備方法為把硅粉、水、乙醇、硅溶膠以重量比為20:100:50:50的比例混合，攪拌40分鐘，即得。實施例5
一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其成份為碳化硅，制備工藝為以硅粉為硅源，將硅粉與水及麥芽糊精配成漿液噴涂于石墨表面，烘干后在電阻爐中在氬氣保護下加熱到1460°C保溫60分鐘后隨爐冷卻，即得。其中漿液的制備方法為把硅粉、水、麥芽糊精以重量比為15 =100:50的比例混合，攪拌30分鐘，即得。實施例6
一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其成份為碳化硅，制備工藝為漿液的制備方法為把硅粉、水、乙醇、聚乙二醇以重量比為15 100:40:50的比例混合，攪拌30分鐘，即得。其余同實施例3。實施例7
一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其成份為碳化硅，制備工藝為漿液的制備方法為把硅粉水乙醇聚乙二醇以重量比為25:100:70:85的比例混合，攪拌30分
鐘，即得。其余同實施例3。實施例8
一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其成份為碳化硅，制備工藝為以硅粉為硅源。將硅粉與水、乙醇及聚乙二醇配成漿液，噴涂于多晶硅鑄錠坩堝石墨蓋板的底表面， 烘干后將此蓋板底面朝上水平放置于電阻爐中，在氬氣保護下加熱到1460°C保溫80分鐘后隨爐冷卻。將所得涂層蓋板代替普通石墨蓋板作為鑄錠坩堝頂部蓋板，應用于多晶硅鑄錠生長。其中漿液的制備方法為把硅粉水乙醇聚乙二醇以重量比為20:100:50:80的比例混合，攪拌30分鐘，即得。實施例9:
一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其成份為碳化硅，制備工藝為以硅粉為硅源，將硅粉與水、聚乙二醇配成漿液，噴涂于石墨表面，烘干后在電阻爐中在氬氣保護下加熱到1200°C保溫40分鐘后隨爐冷卻，即在石墨表面獲得致密多晶組織的碳化硅涂層。其中漿液制備方法為把硅粉、水、粘結劑以重量比為10:100:20的比例混合，攪拌10分鐘，即得。其中粘結劑為聚乙二醇、硅溶膠、麥芽糊精或其組合。實施例10
一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其成份為碳化硅，制備工藝為以硅粉為硅源，將硅粉與水、乙醇及聚乙二醇配成漿液，噴涂于石墨表面，烘干后在電阻爐中在氬氣保護下加熱到1600°C保溫120分鐘后隨爐冷卻，即在石墨表面獲得致密多晶組織的碳化硅涂層。其中漿液制備方法為把硅粉、水、乙醇、粘結劑以重量比為40:100:100:100的比
例混合，攪拌30分鐘，即得。其中粘結劑為聚乙二醇、硅溶膠、麥芽糊精或其組合。
實施例1-7的實驗分析數(shù)據如下表所示
權利要求
1.一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其特征為成份為碳化硅。
2.如權利要求1中所述的一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層，其特征為制備方法是通過硅-碳相互作用在碳材料表面原位生長，包括在碳材料表面提供均布硅源， 在1200-1600°C下使之與碳相互反應，原位生長形成碳化硅層。
3.如權利要求2中所述的一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層的制備方法， 其特征為以硅熔體作為硅源，將石墨埋置于石英坩堝中的純硅原料中，硅料總量保證其熔融后石墨能夠全部為硅熔體所浸沒；將此石英坩堝在氬氣保護的電阻爐中加熱至 1420-1550°C使其中硅料熔融，之后保溫20-100分鐘，然后以石墨夾具將石墨從熔體中夾出，隨爐斷電降溫后將石墨從爐內取出；以體積比為1-3 1 10-30的HF-HNO3-H2O混合酸溶液或15-35%氫氧化鈉溶液溶解去除石墨表面沾附殘存的硅，之后以去離子水漂洗，即在石墨表面獲得致密多晶組織的碳化硅涂層。
4.如權利要求2中所述的一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層的制備方法，其特征為以硅熔體作為硅源，將碳-碳復合材料埋置于石英坩堝中的純硅原料中，硅料總量保證其熔融后碳-碳復合材料能夠全部為硅熔體所浸沒；將此石英坩堝在氬氣保護的電阻爐中加熱至1420-1550°C使其中硅料熔融，之后保溫20-100分鐘，然后以石墨夾具將碳-碳復合材料從熔體中夾出，隨爐斷電降溫后將碳-碳復合材料從爐內取出；以體積比為1-3 1 10-30的HF-HNO3-H2O混合酸溶液或15-35%氫氧化鈉溶液溶解去除碳-碳復合材料表面沾附殘存的硅，之后以去離子水漂洗，即在碳-碳復合材料表面獲得致密多晶組織的碳化硅涂層。
5.如權利要求2中所述的一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層的制備方法，其特征為以硅粉為硅源，將硅粉與水、乙醇及聚乙二醇配成漿液，噴涂于石墨表面，烘干后在電阻爐中在氬氣保護下加熱到1200-1600°C保溫40-120分鐘后隨爐冷卻，即在石墨表面獲得致密多晶組織的碳化硅涂層。
6.如權利要求5中所述的一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層的制備方法，其特征為漿液制備方法是把硅粉、水、乙醇、粘結劑以重量比為10-40:100:0-100:20-100的比例混合，攪拌10-30分鐘，粘結劑為聚乙二醇、硅溶膠、麥芽糊精或其組合。
7.如權利要求2中所述的一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層的制備方法，其特征為以硅粉為硅源，將硅粉與水、乙醇及聚乙二醇配成漿液，噴涂于石墨表面，烘干后在電阻爐中在氬氣保護下加熱到1460°C保溫60分鐘后隨爐冷卻，即得。
8.如權利要求7中所述的一種多晶硅鑄錠爐用碳材料的防碳污染涂層的制備方法， 其特征為漿液制備方法是把硅粉、水、乙醇、聚乙二醇以重量比為20:100:50:80的比例混合，攪拌30分鐘，即得。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多晶硅鑄錠爐用碳材料構件的防碳污染涂層及其制備工藝。其成份為碳化硅，其制備工藝為通過硅-碳相互作用在碳材料表面原位生長，包括在碳材料表面施加均勻分布的硅源，然后在高溫下保溫，使表面發(fā)生硅-碳相互作用而原位形成碳化硅層。本發(fā)明工藝可制得致密、與碳材料結合良好的碳化硅晶體涂層，能夠有效防止多晶硅鑄錠生產過程中碳材料耐溫結構件對硅材料的污染，降低多晶硅鑄錠中碳含量。
文檔編號C30B28/06GK102409405SQ201110242948
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月23日 優(yōu)先權日2011年8月23日
發(fā)明者周浪 申請人:周浪