[发明专利]制备多晶硅的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备多晶硅的方法，特别是用冶金法制备太阳能级多晶硅的方法。

背景技术

随着全球能源消耗量的不断提高，常规的非可再生能源已经不能满足大多数国家的需求。根据世界能源权威机构的分析，按照目前已经探明的化石能源储量以及开采速度来计算，全球石油剩余量可开采年限仅40年，天然气剩余量可采年仅60年，煤炭剩余量可采年限仅120年。另一方面，一次性能源的开采和应用也是造成生态破坏和全球环境污染的一个重要原因。因此，可再生新能源的开发和使用关系到人类和社会的长久发展。

新能源光伏发电产业，作为可再生清洁能源，因其具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便、资源广阔等其他常规能源所不具备的优点，被公认是21世纪重要的新能源，已广泛应用在并网发电、民用发电、公共设施以及一体化节能建筑等方面，目前晶体硅光伏发电系统占据新能源光伏发电市场的主要地位。随着多晶硅提纯技术的应用及硅片加工技术进一步成熟，光电转换效率的提高以及其他工艺技术的发展，包括新能源光伏发电在内的可再生能源完全有可能完成从补充能源到常规能源的角色转换。

高纯多晶硅材料是光伏发电产业的基础产品，其生产技术的进步是光伏发电产业能否推广和应用发展的重要环节。如何降低太阳能多晶硅的成本、减少环境污染、降低生产能耗、提高生产安全的可靠性是光伏产业发展的重要课题。

冶金级硅中的杂质几乎含有元素周期表中所有元素，可分为两类：一类是金属杂质元素，以Fe、Al、Ca三种元素为代表；另一类是非金属元素，以磷和硼两种元素为代表。太阳能级多晶硅其电性能指标对这些杂质含量的控制有严格要求。特别是对磷和硼元素的含量要求非常严格，一般地要求硼的含量小于0.4ppm，磷的含量小于0.7ppm。提纯过程中硼和磷两种元素由于其化学特性的特殊性成为物理法提纯技术世界性难题。

目前世界上各国生产多晶硅的方法主要有化学法和冶金法。化学法以改良的西门子法为主。化学法在工艺过程中改变硅的化学状态，经过一系列的化学反应提纯后，再还原成硅。例如改良的西门子法主要利用冶金级硅与无水氯化氢反应生成三氯氢硅(SiHCl₃)，再通过精馏得到高纯三氯氢硅，最后将提纯后的三氯氢硅在还原炉内还原成高纯多晶硅。其优点是多晶硅产品的纯度高，可达到电子级的要求，其缺点是能耗大、有污染并且会有大量难以处理的四氯化硅(SiCl₄)副产物产生。随着全球对环境保护的提高和全球金融危机影响，市场需求更低价格的太阳能级多晶硅。在此情况下，对成本低、环境友好的提纯多晶硅的方法的要求日益紧迫，而冶金法提纯多晶硅在这方面的优势逐渐体现了出来。

冶金法主要为物理提纯技术，也称物理法。物理法在工艺过程中保持硅的化学状态不变，通过一系列物理变化对硅进行提纯。其优点是，工艺流程较短、污染小、能耗较低，其缺点是提纯程度较低，并且不能将硅中的硼和磷杂质同时降低到太阳能级多晶硅的要求，甚至需要单独进行除磷或除硼的步骤。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种制备多晶硅的方法，其采用冶金法，能同时将硼和磷的含量降低到太阳能级多晶硅的要求，而不需要额外的除磷或除硼步骤。本发明的方法工艺简单、能耗低、无污染物排放、操作简便。

根据本发明的方法，其包括以下步骤：

1)在空气气氛，1大气压下，将原料硅熔融成液态硅；

2)将造渣剂分批次加入到熔融的液态硅中，精炼并滤去渣体；

3)将通过步骤2)提纯后的液态硅进行定向冷却，得到硅锭。

根据本发明，在空气气氛，1大气压下，将原料硅放入精炼炉中加热熔融，形成液态硅。原料硅的加入量可根据精炼炉容量而定。在一个实施例中，在所选用的原料硅中，硼的含量小于等于100ppm，磷的含量小于等于30ppm。

根据本发明，向液态硅中加入造渣剂，以将硅中的硼、磷杂质转变成渣体并在随后的步骤中排出。在一个实施例中，所述造渣剂为碱性造渣剂。优选地，所述碱性造渣剂由30％-40％重量的CaO，10％-30％重量的Na₂CO₃和40％-50％重量的SiO₂组成，更优选地，所述碱性造渣剂包含36％重量的CaO、18％重量的Na₂CO₃和46％重量的SiO₂。