[发明专利]电子束垂直、水平诱导硅定向凝固除杂的方法

说明书

本发明涉及一种电子束垂直、水平诱导硅定向凝固除杂的方法，属于硅的纯化技术领域。其通过电子束的诱导，使硅液自下而上定向凝固，硅中的金属杂质由于分凝作用向液相富集；当硅液凝固到一定高度时，控制电子束扫描的区域，诱导金属杂质沿水平方向收敛到杂质收集区。本发明通过电子束诱导将金属杂质富集到铸锭顶部后，进一步富集到特定区域，抑制了金属杂质的反扩散，杂质去除效果更好。

技术领域

本发明涉及一种电子束垂直、水平诱导硅定向凝固除杂的方法，属于硅的纯化技术领域。

背景技术

传统化石能源的消耗带来了资源枯竭和环境污染的双重压力，以太阳能为代表的新能源将在未来成为能源供应的主体。近年来，太阳能光伏产业发展迅速，光伏装机容量不断增加。多晶硅材料是太阳能光伏产业的主要原材料，随着光伏产业的高速发展，对多晶硅材料的需求也急剧增长，预计2020年全球多晶硅需求量将超过30万吨，比2012年翻一番。

太阳能电池的性能受到多晶硅纯度的影响。Al和Ca是硅中的主要杂质元素，会影响硅材料的电阻率和少数载流子寿命等电学性能，降低太阳能电池的光电转换效率。为满足太阳能电池的性能要求，硅中Al和Ca的含量需要被降低到0.1ppmw以下。由于Al和Ca在硅凝固过程中存在分凝效应，可以采用定向凝固技术将其去除。但是，由于Al和Ca的分凝系数不足够小，一次定向凝固后，其含量尚不能满足硅材料的纯度要求，目前的解决办法是采用多次定向凝固或者加入酸洗过程进行提纯，但是这些方法将大大提高生产的成本并且造成环保的压力。

考虑到Al和Ca的饱和蒸气压远远大于硅的特点，电子束熔炼可以提供高温、高真空的环境使Al和Ca从硅中蒸发去除，同时利用电子束熔炼过程中温度场的特点使硅定向凝固，利用蒸发和分凝机制的耦合进一步去除这两种杂质。专利一种电子束诱导定向凝固除杂的方法(专利号ZL201210289971.3)发明了一种电子束诱导硅定向凝固去除金属杂质的方法，即利用电子束高温熔炼去除硅中的磷等挥发性杂质后，通过逐渐降低电子束功率使硅液自下而上凝固，将金属杂质富集在硅锭的顶部。将顶部富含金属杂质的部分切割掉，剩余部分就是合格的硅材料。该技术将金属杂质富集在硅锭顶部，硅锭顶部一定厚度的区域需要被切除，切除面积大，材料利用率低。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种新的电子束垂直、水平诱导硅定向凝固除杂的方法。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种电子束垂直、水平诱导硅定向凝固除杂的方法，通过电子束的诱导，使硅液自下而上定向凝固，硅中的金属杂质由于分凝作用向液相富集；当硅液凝固到一定高度时，控制电子束扫描的区域，诱导金属杂质沿水平方向收敛到杂质收集区。

本申请利用垂直诱导与水平诱导相结合的方式，先用电子束进行垂直诱导，将金属杂质富集到铸锭顶部，再用电子束水平诱导，将金属杂质进一步富集到特定区域，抑制了金属杂质的反扩散，杂质去除效果更好。

传统的凝固方式只能将金属杂质富集在铸锭顶部，整个顶部区域需要被切除，需要被切除的区域占整个铸锭的25％以上。本发明将金属杂质富集到杂质收集区，该区域占整个铸锭的10％以内。

进一步地，采用逐渐降低电子束功率的方式实现硅液自下而上定向凝固。

本发明所述的电子束垂直、水平诱导硅定向凝固除杂的方法，包括以下步骤：

A、备料：将硅料装入第一坩埚内，将经提纯的硅料装入第二坩埚作为底料；底料可以防止硅液的热冲击对第二坩埚造成损坏。

B、预热电子枪：备料完成后，将电子束炉抽真空，预热电子枪；

C、熔化硅料：启动电子枪，熔炼电子枪照射熔化第一坩埚内的硅料，第三电子枪照射熔化第二坩埚内的硅料；

D、熔炼硅料：熔炼电子枪照射熔炼第一坩埚内的硅料；