[发明专利]一种高纯液体多晶硅的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及多晶硅制造技术领域，具体涉及一种高纯液体多晶硅的制备方法。

背景技术

多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原材料，是全球电子工业及光伏产业的基础，全球的多晶硅有超过80%是用于光伏行业。生产出来的多晶硅还需要经过熔融，铸锭，切片等工序再制备成电池片。在这个过程中，生产高纯多晶硅工序和多晶硅熔融工序需要消耗大量的能量，降低能耗迫切需要。目前，工业上大规模生产高纯度多晶硅的最主要方法为改良西门子法以及流化床法。主要采用三氯氢硅或硅烷进行化学气相沉积法生产，主要的反应方程式如下：SiHCL₃+H₂ =Si+HCL，SiH₄=Si+H₂。

改良西门子法所生产的多晶硅占当今世界生产总量的70~80%。改良西门子法的生产流程是利用硅源性气体，如三氯氢硅、硅烷等氯硅烷类气体在钟罩式氢还原炉内在一定温度下进行化学气相沉积反应得到高纯多晶硅。在钟罩式氢还原炉反应器中，安装有数对直径很小的硅芯棒，一般直径在7mm左右，反应开始首先要给硅芯通电，使之达到一定温度，然后通入硅源性气体，在高热的硅芯表面发生还原反应，使硅沉积在硅芯表面，硅芯直径不断长大。反应过程中还需要采用稀释性气体，如氢气、氮气等。流化床法是利用硅源性气体在流化床中，在高纯硅颗粒晶种表面沉积，形成大颗粒而采出。

目前，改良的西门子工艺或具有技术成熟度高的优点。但是在生产效率和能耗方面也存在显著的缺点。由于采用钟罩式反应器，在硅棒长大到一定尺寸（如50~300mm）后必须使反应器降温并取出产品，因此只能采用间歇操作，能耗高，此外硅棒的沉积比表面积小，反应速度慢，时间长能耗高。

同时，已有多晶硅制备方法还有另一种就是采用上述硅源性气体通入到已经加有高纯多晶硅细颗粒晶种的流化床中，硅源性气体与稀释性气体如氢气等同时通入到流化床中，使多晶硅颗粒在流化床中流化，在一定温度下，硅源性气体会在多晶硅晶种表面沉积分解制备得高纯多晶硅颗粒。在这个过程中，也会有一部分硅源性气体在流化床空间直接分解成无定型硅细粉。这种方法的优点是在沉积阶段能耗低，但是由于生产过程中生成的颗粒较细，会吸附未反应的气体，同时，由于颗粒处于流化状态，与反应器不断摩擦，诸多原因造成产品质量比较差，并且原生多晶硅细颗粒晶种比较难处理，反应过程中也会产生大量的细粉，尾气中无定型多晶硅颗粒多，随着尾气进入到尾气处理装置而浪费了多晶硅细颗粒，使多晶硅损耗增高。另一方面，流化床多晶硅方法需要有一个制备多晶硅晶种的系统，在该过程中也会导致多晶硅晶种质量受到污染的风险。另外，流化床内部需要各种不同的内件，包括分布板，破泡器等，是的设备的结构复杂。

此外，改良西门子工艺或者流化床多晶硅法，生产出来的多晶硅都是固体形式，主要是棒状或颗粒状。多晶硅的产品不论是棒状多晶硅或者粒状多晶硅，在进行下一步制备太阳能硅片之前都需要将其进行粉碎，装入到高纯坩埚中，在多晶硅铸锭炉中采用电加热的方法进行加热，使多晶硅料重新熔化，重结晶，冷却，再进行相关开方切片或拉晶，使用固体多晶硅料用于太阳能方面增加了加工工序和生产成本，不仅容易引入额外的杂质，对太阳能硅片的发电效率产生影响，同时需要消耗大量的电能去熔化固体多晶硅，增加了成本。

发明内容

本发明的目的是为了克服目前多晶硅的制备方法中存在的主要问题，提供一种高纯液体多晶硅的制备方法。这些问题主要反应在：改良西门子工艺中的包括生产效率低、反应速度慢、反应时间长以及能耗高能耗高；流化床法中包括反应过程中会产生大量的细粉、尾气中无定型多晶硅颗粒多、多晶硅损耗高以及设备的结构复杂；同时二者制备的多晶硅在进行下一步使用之前都要经过重新熔化，重结晶，冷却，再进行相关开方切片或拉晶的加工工序，不仅容易引入额外的杂质，对太阳能硅片的发电效率产生影响，同时需要消耗大量的电能去熔化固体多晶硅，增加了成本。本发明通过将含硅气体直接反应得到液体硅，从而将液体硅直接用于下一步的铸锭以及切片或拉晶，减少了工艺步骤，达到解决上述问题的目的。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种高纯液体多晶硅的制备方法，包括以下步骤：

1）将含硅气体通入预热器进行预热，预热温度为60-350℃；预热是为了让气体的温度预先升高，将气体的加热分为多级加热，从而节约能源，提高热量利用率。

2）将步骤1）预热后的含硅气体初步加热升温，温度小于含硅气体的分解温度，升温至400-800℃；将气体的加热分为多级加热，从而节约能源，提高热量利用率。