[发明专利]一种去除多晶硅中金属杂质的方法以及装置

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能级多晶硅提纯领域，尤其是涉及一种电泳除金属杂质的方法，另外还涉及其设备。

背景技术

据国际权威机构预测，到2050年，可再生能源将超越燃煤等化石燃料发电成为全世界各国的主导能源来源，其中光伏发电将占据最重要的位置。太阳能光伏产业的发展，离不开硅材料的基础支撑。硅是地壳中含量仅次于氧的第二大元素，构成地壳总质量的25.7%，超过了氧之外的所有元素的总和。虽然多晶硅作为太阳能电池的基本原料，得到了迅猛的发展，但是多晶硅提纯技术仍是太阳能产业发展的难题。

太阳能级多晶硅要求杂质含量范围为：P小于0.1ppm，B小于0.3ppm，Al、Fe、Ca等金属杂质总含量小于0.1ppm。对于太阳能硅而言，金属杂质通过影响硅材料的电阻率和少数载流子的寿命，进而影响了太阳能电池的光电转换效率。因此除去硅中的金属杂质对于太阳能级硅来说非常重要。

目前除去金属杂质的方法主要有酸洗法和定向凝固法。酸洗法是金属杂质在凝固过程，杂质元素聚集或偏聚在晶界、孔隙处，将多晶硅粉碎并研磨，杂质将沿着多晶硅晶粒破裂，杂质将富集在硅粉的表面，由于硅具有强的抗酸性，利用强酸将杂质溶解，从而达到将杂质与硅分离、去除的目的。定向凝固除金属杂质方法的基本原理是利用杂质元素在固相和液相中的分凝效应来达到提纯的目的。目前，通过定向凝固去除金属杂质的装置多种多样，成本不同。

中国专利第ZL201110031566.7公开了一种电子束除磷、除金属的耦合提纯多晶硅的方法，先通过电子束在低磷、低金属的高纯锭的顶部形成稳定熔池，后将需提纯的硅粉落入熔池熔炼，实现粉体的快速熔化去除硅粉中的挥发性杂质磷，同时，进行定向拉锭使低磷多晶硅进行定向凝固生长，通过分凝效果去除多晶硅中的金属杂质。中国专利申请CN102732959A公开了多晶硅铸锭炉和多晶硅铸锭的方法，所用铸锭炉保温体部分分为上、下保温体，结构复杂。中国专利CN202658268U公开了多晶硅铸锭炉，该铸锭炉需对上部及侧部进行加热，能耗高。上述专利使用的设备为化学法定向凝固炉，该设备主要用于化学法硅料长晶，设备昂贵、成本高。物理法定向凝固主要去除杂质，因此该设备不适合物理法。

发明内容

本发明的目的是提供一种去除多晶硅中金属杂质的方法，去除效果明显，能耗低、且清洁无污染。所得硅锭的金属杂质含量小于0.1ppm。

本发明的另一个目的是提供一种上述去除多晶硅中金属杂质的装置，该装置结构简单，且容易操作。

为实现本发明的第一个发明目的，一种去除多晶硅中金属杂质的方法，包括如下步骤：

（1）将原料硅在石墨坩埚中熔化；

（2）将石墨板放置于熔融硅液的上表面，石墨板与外界直流电压的负极相接，石墨坩埚底部与外界直流电压的正极相接，所施加的直流电压为10～100V；

（3）通电2～4h后，在通电状态下，石墨坩埚以0.10～0.15mm/min的速率下降，离开加热区，进行定向凝固，冷却后取出硅锭，切除上层杂质富集区，得到提纯后多晶硅。

在步骤（1）中，原料硅可以通过多种方式熔化。本发明优选采用感应加热，使熔融硅液的温度保持在1450～1550°C。

感应加热的时候，采用中频熔融原料硅，中频炉功率控制在100～200KW。

本发明在熔融的硅液表面放置石墨板，并与外界直流电压的负极相接，向硅液施加一定的直流电压，使得熔融硅液中的金属杂质在电场的作用下向负极迁移，由于本发明采用感应加热的方式保持硅液的温度，感应加热的方式同时也能起到搅拌作用，能够使得硅液中的尽可能多的金属杂质富集在电极周围后，进行定向凝固，可以将硅液中的金属杂质很好的去除，得到硅锭中含有极微量的金属杂质。

所述的原料硅为酸洗后的硅粉，其粒径在40～200目，金属杂质含量为Fe<200ppm，Al<200ppm，Ca<50ppm。

本发明的所述的原料的质量在80～200kg。

所施加的直流电压为20～70V。

本发明的在通电2～4h以后，硅液中的金属杂质富集在石墨板（负极板），然后在通电状态下，石墨坩埚以0.10～0.15mm/min的速度下降离开感应区，该沉降速度对金属杂质的去除效果是至关重要的，在这个速率之间，保证硅液在离开加热区后能一层层快速凝固；高于0.15mm/min，硅液离开加热区无法实现快速凝固，效果差；低于0.10mm/min，凝固效果与0.10mm/min接近，但是耗时长、能耗高。