Si/Si3N4/SiO2三元体系高温界面反应机理及润湿熔渗行为研究

A problem in the production of photovoltaic Si by directional solidification is the sticking of the Si ingots to the silica crucible walls, which often leads to contamination and cracking of Si ingots. To solve this problem, the microstructure of the Si3N4 coatings should be optimized and the interfacial reaction mechanism in the Si/Si3N4/SiO2 system requires to be clarified..This project proposes a comprehensive study on the interfacial reaction mechanism in the Si/Si3N4/SiO2 system. At first, Si3N4 porous coatings with different composition and microstructure will be prepared. Then, the reaction, wetting, and infiltration behavior of Si melt will be investigated by sessile drop method to establish the infiltration kinetics. Finally, a principle for microstructure design will be suggested and coatings with controlled microstructure will be prepared..After the execution of the project, Si3N4 coatings with novel microstructure and interfacial behaviors that can be manipulated will be developed, thus supporting the solar energy industry in both theory and practice.

在定向凝固多晶硅铸锭生产过程中，由于带Si3N4涂层的石英坩埚壁与硅铸锭发生粘连、污染而导致大尺寸Si铸锭中一级品切出率过低，是该行业长期未解决的技术难题。这表明涂层材料体系和结构不尽合理，本质原因在于Si/Si3N4/SiO2三元体系高温界面反应机理不清楚。.针对以上问题，本课题旨在系统研究Si/Si3N4/SiO2三元体系高温界面反应机理。首先制备具有不同组成、结构的Si3N4多孔涂层，通过座滴实验系统研究Si熔体对涂层的润湿、渗透、反应等界面行为，建立Si熔体对Si3N4/SiO2体系的熔渗动力学；此后，提出新型结构涂层材料的设计原则，并制备出结构可调控的涂层材料，最终实现对反应、润湿等界面行为的预测和调控，从而使Si铸锭中一级品率大幅度提高。.通过课题研究，发展出一种反应、润湿等界面行为可控的Si3N4涂层新材料，为我国太阳能多晶硅铸锭产业中的关键新材料及其制备技术提供理论支撑。

在定向凝固多晶硅铸锭生产过程中，由于带Si3N4涂层的石英坩埚壁与硅铸锭发生粘连、污染而导致大尺寸Si铸锭中一级品切出率过低，是该行业长期未解决的技术难题。这表明涂层材料体系和结构不尽合理，本质原因在于Si/Si3N4/SiO2三元体系高温界面反应机理不清楚。.针对以上问题，本课题首先制备出相含量、氧含量、颗粒尺寸与形态可控的Si3N4粉体，而后明确了Si熔体对Si3N4/SiO2润湿过程的控速环节与Si/Si3N4/SiO2界面反应的关系，揭示了Si3N4 多孔涂层的结构特征对Si/Si3N4/SiO2界面行为的影响机制。针对Si3N4粉末的三个重要性能特征（α/β 相组成、粒度、颗粒形貌），提出在石英坩埚内壁制备多孔Si3N4 涂层的结构设计原则。用燃烧合成法制备出单相Si2N2O粉体，成功开发出与高温Si熔体不反应、不润湿的新型Si2N2O脱模剂材料，从而可以达到提高一级品的目的。该涂层材料有望代替传统α-Si3N4材料在太阳能级多晶硅铸锭制备工艺中得到应用。