[发明专利]一种电子束高效、连续熔炼提纯多晶硅的方法及设备

说明书

技术领域

本发明属于用物理冶金技术提纯多晶硅的技术领域，特别涉及一种利用电子束熔炼多晶硅粉体技术去除多晶硅中杂质磷的方法，另外本发明还涉及其设备。

背景技术

太阳能级多晶硅材料是最主要的光伏材料，它应用于太阳能电池，可以将太阳能转化为电能，在常规能源紧缺的今天，太阳能具有巨大的应用价值，近年来，全球太阳能光伏产业迅速增长，太阳能电池产量快速增加，直接拉动了多晶硅需求的急剧膨胀。但太阳能级多晶硅材料高昂的制造成本以及复杂的制造工艺是制约光伏产业大发展的瓶颈，严重阻碍了我国太阳能电池的推广和使用。我国能够自主生产的太阳能级多晶硅不足需求的5%，绝大部分原材料需要进口，开发适合我国国情的太阳能级多晶硅制备技术符合国家能源战略的要求，是我国光伏产业大发展的必由之路。

目前，世界范围内制备太阳能电池用多晶硅材料已形成规模化生产，国外制备高纯多晶硅主要使用西门子法，具体为硅烷分解法和氯硅烷气相氢还原法，其中SiHCl₃法即西门子法是目前多晶硅制备的主流技术。SiHCl₃法的有用沉积比为1×10³，是Si H₄的100倍。西门子法沉积速度可达8～10μm/ min。一次通过的转换效率为5%～20%，沉积温度为1100℃，仅次于SiCl₄(1200℃)，耗电量为120kWh/kg左右，电耗也较高。国内SiHCl₃法的电耗经过多年的努力已由500 kWh/ kg 降至200kWh/kg，硅棒直径达到100mm左右。西门子法的不足之处在于其在流程的核心环节上采取了落后的热化学气相沉积，工艺流程的环节过多，一次转化率低，导致流程时间太长，增加了材耗、能耗成本。

为此，世界各国都在积极开发具有生产周期短、污染小、成本低、工艺相对简单、规模大小可控的制备高纯硅材料的新工艺方法，而冶金法由于具备以上优点，被认为是最能有效地降低多晶硅生产成本的技术之一，目前已成为世界各国竞相研发的热点。电子束熔炼技术是冶金法制备太阳能级多晶硅中重要的方法之一，它是利用高能量密度的电子束作为熔炼热源的工艺方法，一般的电子束熔炼方法是通过熔化块体硅料形成熔池后，在电子束产生的高温下，表面蒸发去除饱和蒸汽压较高的杂质如磷，铝等，而在块体硅料中杂质分布很不均匀，不利于杂质的去除，且块体硅料熔炼后杂质分布仍然不均匀，同时在以前的电子束熔炼多晶硅过程中，不能实现连续加料和连续出料，必须重复抽取真空和电子枪预热，不仅浪费时间，而且能耗很大，生产效率低，块体硅料的熔炼技术和不连续的熔炼工艺方式，大大增加了能耗，提高了电子束提纯多晶硅的成本。已知专利和文献中尚没有用电子束熔炼粉体硅料去除多晶硅中磷和连续加料和及连续出料的提纯方法。已知申请号为200810073986.X的发明专利，利用真空电子束熔炼炉达到提纯多晶硅的目的，能耗较大，效率较低，但该设备的缺点是不能进行粉体硅料的熔炼，同时也不能实现连续加料和连续出料，该方法与本发明提出的设备在原理和结构上具有很大的差别。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足问题，提供一种电子束高效、连续熔炼提纯多晶硅的方法，利用电子束熔炼粉体硅料，去除杂质磷，满足太阳能电池用硅材料的使用要求，同时实现连续加料和连续出料的工艺过程， 达到了连续熔炼提纯多晶硅的目的。本发明的另一目的是提供一种电子束高效、连续熔炼提纯多晶硅的设备，结构简单，易于操作，成本低，连续生产效率高。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种电子束高效、连续熔炼提纯多晶硅的方法，先通过电子束在坩埚中形成稳定的高纯硅熔池，然后将需提纯硅粉通过进料真空闸室连续落入熔池，快速熔化后熔炼，从而去除硅粉中的杂质磷，得到的低磷硅液周期性地从坩埚中溢出，在水冷倾斜铜槽中形成硅块，并落入收集筒中冷却，最后通过出料真空闸室连续出料，完成连续提纯多晶硅的工艺过程。

所述电子束高效、连续熔炼提纯多晶硅的方法，其具体步骤如下：

第一步备料：采用低磷高纯硅块置于真空设备中作载体，在其上面装粉桶中装入需提纯的高磷粉体硅料；

第二步预处理：将加料真空闸室抽真空到高真空0.002Pa以下；将出料真空闸室抽真空到高真空0.002Pa以下；将真空室抽真空到高真空0.002Pa以下；对坩埚、倾斜铜槽和收集筒进行冷却，保持其温度在25-45℃；给电子枪预热，设置高压为30-32kV，高压稳定5-10分钟后，关闭高压，设置电子枪束流为100-200mA进行预热，预热10-15分钟后，关闭电子枪束流；