太陽能級多晶矽大錠的製備方法
2023-12-01 01:30:46
專利名稱：太陽能級多晶矽大錠的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種多晶矽，尤其是涉及一種太陽能級多晶矽大錠的製備方法。
背景技術：
隨著光伏產業的發展，對太陽能級矽特別是多晶矽的需求非常大，國際上已經形成開發低成本、低能耗的太陽能級多晶矽生產的新工藝技術浪潮。現有的太陽能級矽材料鑄造工藝主要有定向凝固法和澆注法兩種。在定向凝固工藝中，設備的製造、成本和溫度梯度的控制，都存在一定的難度，國內外(1、林安中，劉方武，沈華元等.10kg級太陽電池用多晶矽錠的研究.太陽能學報，1992，13(2)107～110；2、席珍強，楊德仁，陳君.鑄造多晶矽的研究進展.材料導報，2001，15(2)66～69)主要在真空爐內採用石英坩堝實現定向凝固，該法存在產量小、成本高和設備利用率低等缺點。從生產多晶矽矽錠的發展方向來看，矽錠傾向於鑄造大錠的方向發展，採用大錠既能降低能耗，又能提高矽錠的可利用率。
發明內容
本發明的目的在於針對現有的太陽能級多晶矽鑄造工藝存在的產量小、成本高和設備利用率低等缺點，提供一種可明顯降低能耗與成本，設備簡單，成品率(開錠率)高的太陽能級多晶矽大錠的製備方法。
本發明包括以下步驟1)將矽料加入到加熱爐中加熱，使矽料全部熔化成矽水；2)向加熱爐中的矽水加入太陽能矽造渣劑，除去矽料中的磷和其他金屬雜質；3)向加熱爐中的矽水通入水蒸汽，對其除硼，得到熔融精煉後的矽水；4)將熔融精煉後的矽水溫度升高到1500～1700℃；5)將保溫爐內部和石墨模具電加熱至溫度為500～1400℃後，打開保溫爐爐蓋，將矽水倒入已經加熱的石墨模具中，在石墨模具上蓋上石墨板蓋，然後蓋上保溫爐爐蓋；6)控制保溫爐內矽水溫度在1450～1600℃，並使其靜置；7)調整保溫爐內部和石墨模具四周的溫度到1400～1430℃；8)控制保溫爐內部和石墨模具四周的溫度下降，直到溫度下降到1000～1200℃，使石墨模具中矽水的固液界面由表及裡逐漸向模具的中心移動，雜質逐漸向模具的中心集中；
9)讓逐漸凝固的結晶大錠在保溫爐內從1000～1200℃自然降溫，直到溫度下降到200～400℃，即可以將其從保溫爐中吊出來在空氣中自然冷卻，得目標產物太陽能級多晶矽大錠。
在步驟1)中，所述的矽料最好為1～3t，加熱爐最好為1～6臺，加熱爐可採用中頻感應爐。在步驟2)中，太陽能矽造渣劑選用矽酸鈣、矽酸鈉、碳酸鋇或硼砂等中的一種或二種，按質量比，矽水∶太陽能矽造渣劑＝100∶(2～15)。在步驟3)中，水蒸汽的流量最好在3.5～60L/min，通水蒸汽的時間為5～40min，最好為30min。在步驟4)中，將熔融精煉後的矽水的溫度最好升高到1650℃。在步驟5)中，最好將保溫爐內電加熱至溫度為1300℃。在步驟6)中，控制保溫爐內矽水溫度最好為1550℃，並使其靜置1～2h。在步驟7)中，調整保溫爐內部及石墨模具四周的溫度最好到1420℃。在步驟8)中，控制保溫爐內部及石墨模具四周的溫度的下降速度為5～50℃/h。在步驟9)中，讓逐漸凝固的結晶大錠在保溫爐內從1000～1200℃自然降溫的下降速度為50～300℃/h。
對太陽能級多晶矽大錠可進行去皮、破開、去除雜質集中的部分等精整和檢驗後得到多晶矽材料。
按此過程得到的矽錠的尺寸可達到(800mm×800mm×700mm)～(1200mm×1200mm×900mm)，其質量達到1～3t，比我國江西LDK集團生產的275Kg、德國公司生產的800Kg和日本的公司240～280Kg的矽錠都要大。同時，與現有的太陽能級多晶矽鑄造工藝相比，本發明所製得的矽錠成品部分無氣孔、無裂紋，晶體多為柱狀晶，只有中心少量為枝狀晶、並存在氣孔等鑄造缺陷；與同樣條件下生產的小矽錠相比，其能耗平均降低在40％以上，成本下降在50％，因此運用本發明能取得較大的經濟效益和社會效益。
圖1為本發明實施例所採用的保溫爐的主視結構示意圖。
圖2為本發明實施例所採用的保溫爐的俯視結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，保溫爐外殼1由厚度5mm的鋼板製成，內襯2依次採用三層標準耐火磚砌築，在底層採用耐火材料填充，以使坩堝石墨模具3能夠比較平穩地放置。在外殼1與內襯2之間設有保溫石棉板4，在中間採用矽碳棒加熱裝置加熱，加熱裝置的加熱溫度可調，溫度調節範圍在500～1400℃；中間擱置石墨模具3，以此裝矽液，石墨模具3採用高純度、高強度、高緻密性的石墨板製成，構成一整體。在石墨模具3上方有一蓋板5。
以下給出製備太陽能級多晶矽大錠的一些實例。
實施例1
將礦熱爐冶煉後的金屬矽水3t倒入5臺中頻感應爐中加熱，加入太陽能矽造渣劑矽酸鈣6％，除去矽料中的磷和其他金屬雜質，再通入水蒸汽，對其除硼，水蒸汽流量為30L/min，通水蒸汽時間為26min。將經過處理後的矽水的溫度過熱到1700℃，將矽水緩慢地倒入已經加熱到1000℃的保溫爐內，將保溫爐採用全功率加熱，控制保溫爐內溫度1500℃，使矽水靜置1h，將保溫爐的溫度快速下降到1400℃，保溫爐溫度的下降速度為7℃/h，直到保溫爐內溫度下降至1080℃。再將保溫爐溫度下降直到300℃，溫度下降速度為100℃/h，最後讓其在空氣中自然冷卻，獲得質量為2.3t的多晶矽大錠。
實施例2將矽料1.9t加入到4臺中頻感應爐中，直接採用全功率加熱，使矽料全部熔化，矽料熔化後先加入太陽能矽造渣劑碳酸鋇10％，除去矽料中的磷和其他金屬雜質，再通入水蒸汽，對其除硼，水蒸汽流量為27L/min，通水蒸汽時間為25min。將經過後的矽水的溫度過熱到1600℃，將矽水緩慢地倒入已經加熱到1250℃的保溫爐內，將保溫爐採用全功率加熱，控制保溫爐內溫度1600℃，使矽水靜置2h，將保溫爐的溫度快速下降到1420℃，將保溫爐的溫度繼續下降，溫度的下降速度為11℃/h，直到保溫爐內溫度下降至1150℃。再將保溫爐溫度繼續下降，直到保溫爐溫度下降到280℃，溫度下降速度為200℃/h，最後讓其快速自然冷卻，獲得質量為1.5t的多晶矽大錠。
實施例3將矽料1.5t加入到3臺中頻感應爐中，直接採用全功率加熱，使矽料全部熔化，矽料熔化後先加入太陽能矽造渣劑碳酸鋇4％、矽酸鈉4％，除去矽料中的磷和其他金屬雜質，再通入水蒸汽，對其除硼，水蒸汽流量為15L/min，通水蒸汽時間為40min。將經過後的矽水的溫度過熱到1500℃，將矽水緩慢地倒入已經加熱到1400℃的保溫爐內，將保溫爐採用全功率加熱，控制保溫爐內溫度1400℃，使矽水靜置1h，將保溫爐的溫度快速下降到1430℃，將保溫爐的溫度繼續下降，溫度的下降速度為40℃/h，直到保溫爐內溫度下降至1000℃。再將保溫爐溫度繼續下降，直到保溫爐溫度下降到200℃，溫度下降速度為300℃/h，最後讓其快速自然冷卻，獲得質量為1.2t的多晶矽大錠。
實施例4將礦熱爐冶煉後的金屬矽水2t倒入1臺中頻感應爐中加熱，加入太陽能矽造渣劑硼砂15％，除去矽料中的磷和其他金屬雜質，再通入水蒸汽，對其除硼，水蒸汽流量為3.5L/min，通水蒸汽時間為5min。將經過處理後的矽水的溫度過熱到1650℃，將矽水緩慢地倒入已經加熱到1350℃的保溫爐內，將保溫爐採用全功率加熱，控制保溫爐內溫度1550℃，使矽水靜置1.2h，將保溫爐的溫度快速下降到1410℃，保溫爐溫度的下降速度為30℃/h，直到保溫爐內溫度下降至1000℃。再將保溫爐溫度下降直到300℃，溫度下降速度為150℃/h，最後讓其在空氣中自然冷卻，即獲得1.5t多晶矽大錠。
實施例5將矽料1.4t加入到2臺中頻感應爐中，直接採用全功率加熱，使矽料全部熔化，矽料熔化後先加入太陽能矽造渣劑硼砂3％、矽酸鈣5％，除去矽料中的磷和其他金屬雜質，再通入水蒸汽，對其除硼，水蒸汽流量為60L/min，通水蒸汽時間為20min。將經過後的矽水的溫度過熱到1550℃，將矽水緩慢地倒入已經加熱到1400℃的保溫爐內，將保溫爐採用全功率加熱，控制保溫爐內溫度1480℃，使矽水靜置1.3h，將保溫爐的溫度快速下降到1425℃，將保溫爐的溫度繼續下降，溫度的下降速度為50℃/h，直到保溫爐內溫度下降至1180℃。再將保溫爐溫度繼續下降，直到保溫爐溫度下降到280℃，溫度下降速度為50℃/h，最後讓其在空氣中自然冷卻，即獲得1.15t多晶矽大錠。
實施例6將礦熱爐冶煉後的金屬矽水2.8t倒入6臺中頻感應爐中加熱；加入太陽能矽造渣劑矽酸鈣2％，除去矽料中的磷和其他金屬雜質，再通入水蒸汽，對其除硼，水蒸汽流量為40L/min，通水蒸汽時間為30min。將經過處理後的矽水的溫度過熱到1650℃，將矽水緩慢地倒入已經加熱到1200℃的保溫爐內，將保溫爐採用全功率加熱，控制保溫爐內溫度1500℃，使矽水靜置1h，將保溫爐的溫度快速下降到1400℃，保溫爐溫度的下降速度為7℃/h，直到保溫爐內溫度下降至1080℃。再將保溫爐溫度下降直到300℃，溫度下降速度為100℃/h，最後讓其在空氣中自然冷卻，獲得質量為2.2t的多晶矽大錠。
實施例7將礦熱爐冶煉後的金屬矽水1.5t倒入1臺中頻感應爐中加熱，加入太陽能矽造渣劑硼砂5％，除去矽料中的磷和其他金屬雜質，再通入水蒸汽，對其除硼，水蒸汽流量為3.5L/min，通水蒸汽時間為5min。將經過處理後的矽水的溫度過熱到1650℃，將矽水緩慢地倒入已經加熱到500℃的保溫爐內，將保溫爐採用全功率加熱，控制保溫爐內溫度1550℃，使矽水靜置1.2h，將保溫爐的溫度快速下降到1410℃，保溫爐溫度的下降速度為5℃/h，直到保溫爐內溫度下降至1200℃。再將保溫爐溫度下降直到400℃，溫度下降速度為150℃/h，最後讓其在空氣中自然冷卻，即獲得1.2t多晶矽大錠。
權利要求
1.太陽能級多晶矽大錠的製備方法，其特徵在於包括以下步驟1)將矽料加入到加熱爐中加熱，使矽料全部熔化成矽水；2)向加熱爐中的矽水加入太陽能矽造渣劑，除去矽料中的磷和其他金屬雜質；3)向加熱爐中的矽水通入水蒸汽，對其除硼，得到熔融精煉後的矽水；4)將熔融精煉後的矽水溫度升高到1500～1700℃；5)將保溫爐內部和石墨模具電加熱至溫度為500～1400℃後，打開保溫爐爐蓋，將矽水倒入已經加熱的石墨模具中，在石墨模具上蓋上石墨板蓋，然後蓋上保溫爐爐蓋；6)控制保溫爐內矽水溫度在1450～1600℃，並使其靜置；7)調整保溫爐內部和石墨模具四周的溫度到1400～1430℃；8)控制保溫爐內部和石墨模具四周的溫度下降，直到溫度下降到1000～1200℃，使石墨模具中矽水的固液界面由表及裡逐漸向模具的中心移動，雜質逐漸向模具的中心集中；9)讓逐漸凝固的結晶大錠在保溫爐內從1000～1200℃自然降溫，直到溫度下降到200～400℃，即可以將其從保溫爐中吊出來在空氣中自然冷卻，得目標產物太陽能級多晶矽大錠。
2.如權利要求1所述的太陽能級多晶矽大錠的製備方法，其特徵在於在步驟1)中，所述的加熱爐為1～6臺，加熱爐為中頻感應爐。
3.如權利要求1所述的太陽能級多晶矽大錠的製備方法，其特徵在於在步驟2)中，太陽能矽造渣劑選自矽酸鈣、矽酸鈉、碳酸鋇或硼砂中的一種或二種。
4.如權利要求1或3所述的太陽能級多晶矽大錠的製備方法，其特徵在於在步驟2)中，按質量比，矽水∶太陽能矽造渣劑＝100∶2～15。
5.如權利要求1所述的太陽能級多晶矽大錠的製備方法，其特徵在於在步驟3)中，水蒸汽的流量在3.5～60L/min，通水蒸汽的時間為5～40min。
6.如權利要求1所述的太陽能級多晶矽大錠的製備方法，其特徵在於在步驟4)中，將熔融精煉後的矽水的溫度升高到1650℃。
7.如權利要求1所述的太陽能級多晶矽大錠的製備方法，其特徵在於在步驟6)中，控制保溫爐內矽水溫度為1550℃，並使其靜置1～2h。
8.如權利要求1所述的太陽能級多晶矽大錠的製備方法，其特徵在於在步驟7)中，調整保溫爐內部及石墨模具四周的溫度到1420℃。
9.如權利要求1所述的太陽能級多晶矽大錠的製備方法，其特徵在於在步驟8)中，控制保溫爐內部及石墨模具四周的溫度的下降速度為5～50℃/h。
10.如權利要求1所述的太陽能級多晶矽大錠的製備方法，其特徵在於在步驟9)中，讓逐漸凝固的結晶大錠在保溫爐內從1000～1200℃自然降溫的下降速度為50～300℃/h。
全文摘要
太陽能級多晶矽大錠的製備方法，涉及一種多晶矽。提供一種可明顯降低能耗與成本，設備簡單，成品率高的太陽能級多晶矽大錠的製備方法。將矽料加熱熔化成矽水，加入太陽能矽造渣劑，除去雜質；向矽水通水蒸汽除硼，升溫到1500～1700℃；將保溫爐內部和石墨模具電加熱至溫度為500～1400℃後，矽水倒入石墨模具中，控制保溫爐內矽水溫度在1450～1600℃，調整保溫爐內部和石墨模具四周的溫度到1400～1430℃，再下降到1000～1200℃，使石墨模具中矽水的固液界面由表及裡逐漸向模具的中心移動，雜質逐漸向模具的中心集中；讓保溫爐內從1000～1200℃自然降溫到200～400℃，自然冷卻即可。
文檔編號C30B28/00GK101092741SQ200710009238
公開日2007年12月26日 申請日期2007年7月17日 優先權日2007年7月17日
發明者蘇智毅, 洪永強, 楊繼榮 申請人:佳科太陽能矽(廈門)有限公司