[发明专利]一种利用脉冲电流分离多晶硅中杂质元素的方法及多晶硅

说明书

本发明提供了一种利用脉冲电流分离多晶硅中杂质元素的方法及多晶硅，涉及多晶硅净化技术领域，能够通过施加脉冲电流，仅依靠电场作用下元素在熔体中的溶解度降低来一次性去除硅熔体中的杂质元素；该方法通过向多晶硅熔体中施加脉冲电流降低多晶硅熔体的电阻率，进而降低杂质铁在多晶硅基体中的溶解度，促使多晶硅熔体中的杂质铁呈析出状态，并在重力作用下下沉至多晶硅熔体底部，实现杂质分离；在杂质分离且多晶硅熔体凝固后将多晶硅铸锭底部切除，得到高纯多晶硅铸锭。本发明提供的技术方案适用于多晶硅净化的过程中。

技术领域

本发明涉及多晶硅净化技术领域，尤其涉及一种利用脉冲电流分离多晶硅中杂质元素的方法及多晶硅。

背景技术

随着煤炭、石油等传统资源的不断消耗，人类正面临着巨大的能源需求挑战。太阳能具有安全、可靠、清洁等特点，缓解了其他能源的供应压力，同时也具有很大的市场需求。制造太阳能电池的主要原料主要是多晶硅，随着能源需求的急剧增加以及光伏发电成本的不断降低，未来太阳能光伏产业的高速发展必然会推动太阳能电池原材料多晶硅的发展。而多晶硅中含有的杂质元素严重损害电池的光电转换效率，成为制约光伏产业发展的限制因素。铁元素是多晶硅中最常见的金属杂质，它充当了少数载流子的复合中心，缩短了材料的寿命。研究表明，当铁含量从0.01ppm增加到0.1ppm时，太阳能级多晶硅的转换效率降低了16.7％，因此提高多晶硅纯度的重要性不言而喻。

目前太阳能级多晶硅材料的制备技术分为化学法和物理法。化学法主要包括改良西门子法、硅烷法等。西门子法主要包括三氯氢硅的制备、提纯以及硅还原等步骤，对设备的要求严格，生产成本高。尽管该方法在工业上的应用历史已经大约50年，但随着太阳能级硅片需求的迅速增加，西门子法已经无法满足大规模太阳能级硅片的制备。硅烷法是利用高纯度硅烷热分解制备多晶硅，硅烷中硅量较高，容易提纯且分解温度较低。硅烷的制备是该提纯工艺的关键，主流生产工艺有：硅镁合金法工艺 (Komatsu硅化镁法)；氯硅烷歧化工艺(Union Carbide歧化法)；金属氢化物工艺(MEMC公司发明的新硅烷法)三种。但工业制备硅烷过程中存在爆炸危险，安全性难以保障，因此硅烷法也没有在工业上得到大规模应用。

物理法包括定向凝固、造渣精炼、酸洗和真空电子束熔炼。定向凝固技术是利用杂质元素在固相硅和液相硅中的溶解度不同，把杂质元素推移到硅锭的最后凝固部分，然后切除最后凝固部分，从而得到纯度较高的多晶硅锭；造渣精炼是选用密度较小的二元或多元造渣剂与硅或者硅合金以一定比例共同熔炼，熔渣中的氧和熔体中杂质发生反应生成氧化物并进入熔渣中，熔渣漂浮在熔体表面，凝固后可直接去除，从而达到多晶硅提纯的目的；酸洗工艺具有操作简单，可行性高等优点，是冶金法提纯多晶硅比较常见的手段。对于偏析杂质去除效果较好，但是无法去除固溶在硅晶体中的杂质，且会造成一定的环境污染；真空电子束熔炼是指在高真空条件下利用高能电子束轰击材料表面使其熔化，硅中饱和蒸气压较大的P、 Al、Ca等杂质往往能够从熔体中挥发从而降低凝固后硅锭的杂质含量，起到提纯多晶硅的作用，该方法熔炼速度快，对特定元素去除能力较强。然而，该方法在熔炼过程中电子束能量利用率偏低、批量生产成本大等缺点使其难以大规模量化生产高纯多晶硅。综上所述，传统除杂技术均存在能耗大、产能小、生产效率低、成本高及环境污染等缺点，并不契合当今绿色工业发展要求。

专利(CN 101823717 A)公开了一种多晶硅的除铁方法，该方法是将多晶硅块粉碎、球磨后筛选得到硅粉，将硅粉用有机溶剂进行去油处理，然后将去油后的硅粉放在酸中浸泡，酸浸过程加入Fe、Ti³⁺、SO₃^2-等还原剂，浸泡时间为1-48h，再进行清洗烘干，最后得到铁含量低于100ppm 的多晶硅原料。常规的多晶硅除杂工艺中存在生产能耗高、材料损耗大，环境污染严重等问题，因此，亟待寻求一种低成本、高回收率、低污染、操作简易的去除多晶硅除杂新技术。

因此，有必要研究一种利用脉冲电流分离多晶硅中杂质元素的方法及多晶硅来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

发明内容