[发明专利]一种多晶硅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，尤其是涉及一种多晶硅提纯装置及提纯方法。

背景技术

近年来，石油价格的不断上涨以及传统能源对环境染污问题日趋严重已成为各国经济持 续发展面临的两大难题。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。目前，太阳能电池工业转换材料绝大多数都采用晶体硅材料(多晶硅)， 其原料来源主要是用化学方法获得，即改良西门子法、硅烷法和流化床法。这些方法不仅投 资大、能耗高、周期长，一般一条年产1000吨多晶硅的生产线需要10亿人民币以上。如果 处理不好副产品四氯化硅的循环利用，将对环境造成严重污染。用化学法制备的多晶硅的成 本达到30～45美元/公斤，对于光伏产业的大规模生产来说过于昂贵。所以研究开发一种低 成本且环保的太阳能级多晶硅的生产技术是非常必要的。物理冶金法提纯多晶硅则为这一发 展趋势提供了可能。

关于太阳能级多晶硅必须满足的纯度要求，目前能够为行业所认同的杂质含量范围为：P 在0.5ppmw以下，B在0.3ppmw以下，Al、Fe、Ca等金属杂质总含量小于0.1ppmw，同时 太阳能电池行业一般还要求硅片导电类型为P型，比电阻为0.5Ω·cm以上。

物理冶金法提纯多晶硅主要涉及的工艺有酸洗，吹气造渣精炼，真空感应熔炼，定向凝 固，电子束及等离子束熔炼等。

真空感应熔炼除杂主要是利用硅中某些杂质元素如P，Al，Ca等饱和蒸汽压远大于硅， 在一定的高真空下，使杂质挥发进入气相中，可以得到很好的除杂效果。Noriyoshi Yuge等人 (Noriyoshi Yuge，Kazuhiro Hanazawa，Kohji Nishikawa and Hisaei Terashima；Removal of phosphorus，aluminum and calcium by evaporation in molten silicon[J].Nippon Kinzoku Gakkaishi，Journal of the Japan Institute of Metals，1997，61(10)：1086)的研究结果表明，在温 度1915K，真空度8.0×10^-3～3.6×10^-2Pa的条件下将磷的含量降低至0.1ppmw以下。但是在工 业化生产中，要获得高温高真空的实验条件对设备的设计与制造有很高的要求，单台作业周 期长，不易实现规模化生产。

等离子技术是利用等离子枪产生的高温使B与H₂O或H₂等弱氧化性气体反应生成挥发性 气体而将B除去，可以将B含量降至相当低的水平(低于0.1ppmw)，同时对C和O的去除也相 当明显，如美国专利US5972107；但由于等离子体作用范围小，耗电量大，处理几公斤多晶 硅就需要一个多h的时间。工业化生产设备较复杂且不易控制，产量低，成本高。

酸洗也称为湿法冶金，主要通过酸(盐酸、硝酸和氢氟酸等)与硅粉表面的金属杂质反 应使之进入液体中而达到去除的目的。酸洗工艺一般可以使工业硅的纯度达到4N(简单以Fe， Al，Ca的含量总和来表示)。马文会等(YU Zhan-liang，MA Wen-hui；Removal of iron and aluminum impurities from metallurgical grade-silicon with hydrometallurgical route， Trans.Nonferrous Met.Soc.China，17(2007)s1030-s1033)对酸洗工艺进行了较为深入的探索， 在酸的种类、浓度、用量、温度、反应时间及酸洗工艺上都做了一定的研究。

定向凝固技术提纯太阳能级硅的基本原理是利用杂质元素在固相和液相中的分凝效应达 到提纯的目的，同时通过单向热流控制获得沿生长方向整齐排列的柱状晶组织。目前常用的太 阳能电池用多晶硅锭的定向凝固生长方法主要有浇铸法、布里奇曼法、热交换法(HEM)和 电磁铸造法(EMC)。实际生产当中大都采用热交换法与布里奇曼法相结合的技术。需要强调 的是定向凝固炉的设计上必须仅仅保持纵向温度梯度，防止横向的热流，其定向凝固的生长 速率可从0.5cm/h提高到1.5～2.0cm/h，晶粒尺寸可达到毫米级。