[发明专利]太阳能级多晶硅的提纯装置及提纯方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多晶硅，尤其是涉及一种太阳能级多晶硅的提纯装置及提纯方法。

背景技术

所谓的“提纯”是指根据形成基质元素或杂质元素的物理化学性质，通过合适的物理化 学工艺去除基质中的杂质元素。

对于被用作半导体材料的硅而言，目前，最成熟也是最大规模的生产工艺是西门子法或 改良的西门子法。这类工艺首先将硅石通过C还原得到纯度至少为98％的工业硅，然后将工 业硅在1400℃左右的高温下与HCl反应生成SiHCl₃(或SiCl₄)，经过蒸馏提纯后，再在西门 子反应器(或流态床)中用高纯H₂还原得到纯度最高可达12N的高纯多晶硅。到现在为止， 全世界90％的多晶硅都是利用此工艺生产。这类方法初期投资大、建设周期长、能耗大、成 本高，且中间产品SiHCl₃(或SiCl₄)有剧毒，需大量使用液氯和氢气，存在环保及安全隐患。

近年来，随着石油价格的不断上涨，以及全世界范围内的环境染污问题日趋严重，太阳 能以其分布广泛、清洁无污染等优点成为解决能源危机和环境恶化的一个重要途径而倍受青 睐，关于高效率太阳能电池及相关材料的开发和研制已经成为世界各发达国家重点投入和扶 持的科技项目。

目前太阳能电池工业转换材料绝大多数都采用硅，而用于生产太阳电池的硅材料主要来 自于半导体工业的废料。目前硅原料(多晶硅)的缺乏严重威胁到光伏产业的增长。作为硅 集成电路和器件用的多晶硅原料是由西门子法生产的，因此来自半导体级硅的废料并不会显 著增加。但随着光伏产业的迅速发展，这些硅原料已远远不能满足太阳电池的需求，硅原料 已经成为光伏产业发展的最主要的瓶颈之一。因此，研究开发一种低成本太阳能级多晶硅的 生产技术是非常必要的。

制造太阳能电池用的多晶硅，其纯度要求在6N(即99.9999％)以上，其中P、B含量都 必须小于0.1ppmw，而Al、Fe、Ti等金属杂质要求小于0.05ppmw，C、O则应小于1ppmw。

对于金属杂质Fe、Ti等，由于其在硅中的分凝系数比较大，因此通过严格的定向凝固可 以达到很好的去除效果，基本可以满足太阳能电池的要求。

对于P杂质，由于其在高温下的饱和蒸气压远远大于硅，因此通过真空熔炼的方法，在 一定的高真空下，使磷挥发进入气相中，可以得到很好的除磷效果，如日本专利JP2905353。 而对于B杂质，因其在硅中的分凝系数(0.8)接近于1，无法通过定向凝固去除，且其沸点 高达2550℃，因此通过真空的办法也没有明显去除效果。但B的氧化物在真空下比较容易挥 发，也较容易进入SiO₂的碱性融渣中，因此目前除B的主要方法是在真空下通氧化性气体， 如美国专利US5972107；或者通过造渣工艺，如美国专利US5788945；以及二者相结合的方 法，如美国专利US6,368,403B1。另外，C、O等杂质通过通入水蒸气也可以达到很好的去除 效果。