高純多晶矽的提純系統及提純方法

2023-11-07 09:27:12

專利名稱：高純多晶矽的提純系統及提純方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製備高純多晶矽的提純系統，及用該系統製備高純多晶矽的 方法。
背景技術：
隨著光伏產業的迅猛發展，生產晶體矽太陽電池的多晶矽原料需求量越來越大。 目前高純多晶矽主要是由改良西門子法生產，該方法雖然獲得的多晶矽純度高，但生產過 程能耗過大，使其價格居高不下，不能滿足太陽電池的低成本發展要求，阻礙了光伏發電的 普及。近年來，一些製備太陽能級多晶矽的新技術、新方法得到了快速發展，不僅包括爐外 精煉、真空精煉、溼法冶金、定向凝固等傳統提純工藝，還包括等離子束除硼和電子束除磷 等先進冶煉工藝。熔鹽電解是製取輕金屬的基本工業生產方法，也是唯一的方法。如鎂、鋁、鈣、鋰、 鈉等金屬都是用熔鹽電解法製得的，其中鋁、鎂的熔鹽電解已形成大規模工業生產。人們也 對熔鹽電解法獲取高純矽進行了有益嘗試，中國專利申請號200710065906. 1公開了一種 將廢光纖預製棒(二氧化矽)熔鹽電解還原生成高純矽，然後聯合真空精煉處理製備太陽 能級矽的方法。中國專利申請號200910084349. 7中提出一種高純矽的製備方法，將工業矽 和高純銅的混合粉料為陽極，以高純鋁為陰極進行熔鹽電解，首先獲得鋁矽合金，然後採用 電磁感應熔煉、分步結晶、真空蒸餾提純的組合方式獲得高純矽。以上兩個專利採用了不同 熔鹽電解方法，儘管最終獲得的矽材料純度較高，但電解過程效率太低，而且必須配合複雜 的後處理工藝，因此還不適合大規模的生產應用。電遷移提純通常應用於稀土金屬的提純生產，但由於所需電流密度大、時間長，尚 未能用來大量提純金屬，目前僅在某些研究領域中製取小量超高純金屬。日本專利特開 平6-206719中介紹了一種矽的電遷移提純方法，在不使用熔鹽的情況下，將兩個電極插入 熔融矽液中，通電後矽熔體中的雜質受電場作用分別向陽極和陰極區域聚集，一定時間後， 急速冷卻兩個電極，使電極附近富集雜質的矽液在電極上凝固，取出電極，從而起到除雜效 果。雖然此種方法在一定程度上能達到提純的目的，但高溫條件下操作複雜，只能在小型試 驗裝置上進行，很難在實際生產中使用，更無法實現連續的工業化生產，生產效率太低。

發明內容
為了解決上述已有技術存在的問題，本發明的目的是提出一種提純高純多晶矽的 提純系統，及用該系統製備高純多晶矽的方法。採用本發明的系統及製備方法可以實現高 純多晶矽的大規模連續生產。本發明的高純多晶矽的提純系統包括置於密閉腔體中的矽料熔化裝置、電遷移 裝置和定向凝固裝置。矽料熔化裝置和電遷移裝置通過第一溢流管連接，電遷移裝置和定 向凝固裝置通過第二溢流管連接。所述的矽料熔化裝置由置於中頻感應圈中的熔化坩堝組成，在熔化坩堝上方，密閉腔體頂面安置有真空加料裝置。第一溢流管從熔化坩堝底部正中間伸入熔化坩堝內，伸入高度為熔化坩堝深度的1/3至2/3，第一溢流管的上埠安置有防止矽塊落入溢流管的 分料錐，第一溢流管的下端穿過電遷移保溫腔，熔化的矽液通過第一溢流管流入電遷移槽 的一端。所述的電遷移裝置包括架空在電遷移保溫腔中的電遷移槽，在電遷移槽長度方 向的相對兩側分別設置有電極板，通過導線與密閉腔體外的直流電源連接。電遷移槽的另 一端有三根橫向均布的從遷移保溫腔底部穿入電遷移槽內的溢流管，這三根溢流管的伸入 高度為電遷移槽深度的1/3至2/3，它們之間由固定在電遷移槽橫向側壁的分流擋板分隔， 其中中間的一根為收集高純矽液的第二溢流管，兩邊的為收集高雜質濃度矽液的第三溢流 管，第三溢流管通向回收槽，第二溢流管通向定向凝固爐的凝固坩堝中，分流擋板的高度高 於伸入電遷移槽內溢流管的高度，分流擋板的長度為溢流管直徑的2至3倍。所述的定向凝固裝置由置於凝固保溫腔中的升降平臺，升降平臺上置有凝固坩 堝，凝固坩堝四周設置有電阻加熱器。升降平臺由支撐杆支撐，由密閉腔體外的升降裝置控 制。本發明的高純多晶矽的提純方法步驟如下A.首先對密閉腔體抽真空或通入保護性氣體，通過加料裝置向矽料熔化爐的熔化 坩堝加入矽料，同時對中頻感應加熱圈施加功率，使矽料熔化成矽液，並使矽液達到熔化坩 堝內的溢流管的高度，保持矽液溫度穩定在1450 1600°C，使矽液具有良好的流動性。B.隨後繼續加入矽料，使矽液通過第一溢流管流入電遷移槽內，同時對電遷移槽 內的電極板施加電場，隨著電遷移槽內矽液增多，當電遷移槽內液面達到電遷移槽內的溢 流管的高度時，使矽液中的電流密度達到1 lOOA/cm2，矽液溫度維持在1450 1600°C。C.隨著矽液從電遷移槽一端流入從另一端溢流管流出，在電遷移槽內會形成勻速 的定向流動，調節矽料加入速度，使矽液在電遷移槽內的停留時間達到10分鐘以上，在直 流電場的作用下，矽液經電遷移作用後，經過分流擋板分流，中間純度較高的矽液經第二溢 流管流入定向凝固爐的坩堝中進行鑄錠，兩邊純度較低的矽液經第三溢流管流入回收槽待 重新處理。D.在電遷移槽矽液流入定向凝固裝置的定向凝固坩堝之前，調節電阻加熱器將定 向凝固坩堝的溫度加熱至1420 1500°C，隨著定向凝固坩堝內的矽液高度增加，驅動升降 裝置，逐漸下降平臺，使坩堝底部的溫度降低，晶體從坩堝底部開始向上生長，調節加熱功 率與坩堝下降速度，使晶體的生長速度為5 50mm/h。Ε.最後將定向凝固獲得高純的多晶矽錠，切去頭部和尾部，以及四周與坩堝接觸 的部分，餘下部分可直接用於切片製作太陽電池。本發明的優點是1)提純效果好，整個工藝不僅具有電遷移提純作用，還具有定向凝固提純作用。2)設備簡單，整個工藝流程中所使用的設備均為普通設備，容易實現，投資規模 小。3)生產效率高，可以實現大規模連續生產。無繁瑣操作，自動化程度高。4)無汙染，整個流程沒有廢氣、廢水、廢渣等產生，操作環境良好。


圖1為本發明提純系統的結構示意圖；圖2為圖1中的電遷移槽的俯視圖；圖3為圖2中電遷移槽的A-A剖面示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明見圖1，本發明的高純多晶矽的提純系統包括置於密閉腔體1中的矽料熔化裝置2、電遷移裝置3和定向凝固裝置4。矽料熔化裝置和電遷移裝置通過第一溢流管21連接， 電遷移裝置和定向凝固裝置通過第二溢流管31連接。所述的矽料熔化裝置由置於中頻感應圈22中的熔化坩堝23組成，在熔化坩堝上 方，密閉腔體1的頂面安置有真空加料裝置5。第一溢流管21從熔化坩堝底部正中間伸入 熔化坩堝內，伸入高度為熔化坩堝深度的1/3至2/3，第一溢流管的上埠安置有防止矽塊 落入溢流管的分料錐51，第一溢流管21的下端伸入電遷移保溫腔32，熔化的矽液通過第一 溢流管流入電遷移槽33的一端。所述的電遷移裝置3包括架空在電遷移保溫腔32中的電遷移槽33，在電遷移槽 的長度方向的相對兩側分別設置有電極板34，通過導線與密閉腔體1外的直流電源(圖1 中未畫出)連接。電遷移槽33的另一端有三根橫向均布的從電遷移保溫腔32底部穿入電 遷移槽內的溢流管，這三根溢流管的伸入高度為電遷移槽深度的1/3至2/3，它們之間由固 定在電遷移槽橫向側壁的分流擋板35分隔，其中中間的一根為收集高純矽液的第二溢流 管31，兩邊為收集高雜質濃度矽液的第三溢流管36，第三溢流管通向回收槽37，第二溢流 管通向定向凝固裝置4的凝固坩堝41上方，分流擋板35的高度要高於電遷移槽內溢流管 高度，分流擋板的長度為溢流管直徑的2至3倍。電極板34採用高純石墨製成，電極板與 矽液流動方向平行。本發明的電遷移裝置所起的作用是在緩慢流動的熔融矽液上施加一個與流動方 向垂直的水平直流電場。在矽液流動的同時，雜質在電場的作用下向兩側的電極區域遷移， 即陽離子或具有陽離子特性的雜質(以下統稱為陽離子雜質)向陰極方向遷移，陰離子或 具有陰離子特性的雜質(以下統稱為陰離子雜質)向陽極方向遷移，從而在垂直矽液流向 的截面上形成兩側濃度高、中間濃度低的雜質分布狀態。採用分流擋板將中間純淨的矽液 與兩側雜質含量高的矽液分開，使它們分別流入不同的容器，達到提純矽的目的。所述的定向凝固裝置4包括置於凝固保溫腔42中的周圍置有電阻加熱器44的 凝固坩堝41，凝固坩堝41置於升降平臺43上，升降平臺由支撐杆45支撐，由密閉腔體外的 升降控制裝置46控制。本發明的提純方法主要包括三個方面1)控制矽液流速將需要提純的矽料置於矽料熔化裝置內加熱熔化，採用中頻感 應加熱的方式將矽塊速熔化，矽液溫度穩定在1450 1600°C，使其保持良好的流動性。逐 漸添加矽料，使矽液通過溢流管流入電遷移槽一端，在電遷移槽內形成矽液的定向流動。通 過調節加料速度來控制矽液在電遷移槽的流速，矽液從電遷移槽一端流入，從另一端的溢 流管流出，停留時間不能少於10分鐘，對於1米長的電遷移槽來說，矽液的流動速度應小於0. 1米/分鐘。2)控制電場強度在電遷移槽兩側平行於矽液流動方向設置電極，連接直流電 源，使矽液中形成垂直矽液流動方向的水平電場。電場強度的大小根據電遷移槽形狀、保溫 性能等具體條件而定，一般電流密度控制在1 lOOA/cm2之間，保證電流在矽液中產生的 焦耳熱足夠維持矽液溫度，並使其具有良好的流動性。3)分流陽離子雜質和陰離子雜質在強電場作用下分別向電遷移槽兩側的陰極 和陽極方向遷移，並在電極附近富集。當矽液經過一段時間的電遷移作用流到接近溢流口 時，採用分流擋板將中間的高純矽液與兩側的高雜質濃度矽液分開，使高純矽液通過溢流 管流入定向凝固裝置的坩堝中進行鑄錠，高雜質濃度矽液流入回收容器，待回收處理。
權利要求
一種高純多晶矽的提純系統，包括置於密閉腔體(1)中的矽料熔化裝置(2)、電遷移裝置(3)和定向凝固裝置(4)，其特徵在於矽料熔化裝置和電遷移裝置通過第一溢流管(21)連接，電遷移裝置和定向凝固裝置通過第二溢流管(31)連接；所述的矽料熔化裝置(2)由置於中頻感應圈(22)中的熔化坩堝(23)組成，在熔化坩堝上方，密閉腔體(1)的頂面安置有真空加料裝置(5)；第一溢流管(21)從熔化坩堝底部正中間伸入熔化坩堝(23)內，伸入高度為熔化坩堝深度的1/3至2/3，第一溢流管的上埠安置有防止矽塊落入溢流管的分料錐(51)，第一溢流管(21)的下端伸入電遷移保溫腔(32)，熔化的矽液通過第一溢流管流入電遷移槽(33)的一端；所述的電遷移裝置(3)包括架空在電遷移保溫腔(32)中的電遷移槽(33)，在電遷移槽的長度方向的相對兩側分別設置有電極板(34)，通過導線與密閉腔體(1)外的直流電源連接；電遷移槽(33)的另一端有三根橫向均布的從電遷移保溫腔(32)底部穿入電遷移槽(33)內的溢流管，這三根溢流管的伸入高度為電遷移槽深度的1/3至2/3，它們之間由固定在電遷移槽橫向側壁的分流擋板(35)分隔，其中中間的一根為收集高純矽液的第二溢流管(31)，兩邊為收集高雜質濃度矽液的第三溢流管(36)，第三溢流管通向回收槽(37)，第二溢流管通向定向凝固裝置(4)的凝固坩堝(41)中，分流擋板(35)的高度高於第二溢流管的高度，分流擋板的長度為溢流管直徑的2至3倍；所述的定向凝固裝置(4)包括置於凝固保溫腔(42)中的周圍置有電阻加熱器(44)的凝固坩堝(41)，凝固坩堝(41)置於升降平臺(43)上，升降平臺由支撐杆(45)支撐，由密閉腔體外的升降控制裝置(46)控制。
2.一種高純多晶矽的提純方法，其特徵在於步驟如下A.首先對密閉腔體(1)抽真空或通入保護性氣體，通過加料裝置(5)向矽料熔化裝置 (2)的熔化坩堝(23)加入矽料，同時對中頻感應加熱圈(22)施加功率，使矽料熔化成矽液， 並使矽液達到熔化坩堝內的第一溢流管(21)的高度，保持矽液溫度穩定在1450 1600°C， 使矽液具有良好的流動性；B.隨後繼續加入矽料，使矽液通過第一溢流管(21)流入電遷移槽(33)內，同時對電遷 移槽內的電極板(34)施加電場，隨著電遷移槽內矽液增多，當電遷移槽內液面達到電遷移 槽內的溢流管的高度時，使矽液中的電流密度達到1 lOOA/cm2，維持矽液溫度在1450 1600 0C ；C.矽液從電遷移槽一端流入從另一端溢流流出，在電遷移槽內形成勻速的定向流動， 調節矽料加入速度，使矽液在電遷移槽內的停留時間達到10分鐘以上，在直流電場的作用 下，矽液經電遷移作用後，經過分流擋板分流，中間純度較高的矽液經第二溢流管(31)流 入凝固坩堝(41)中進行鑄錠，兩邊純度較低的矽液經第三溢流管(36)流入回收槽(37)待 重新處理；D.在電遷移槽矽液流入定向凝固裝置(4)的定向凝固坩堝(41)之前，調節電阻加熱 器(44)，溫度加熱至1420 1500°C，隨著定向凝固坩堝內的矽液高度增加，驅動升降裝置 (46)，使平臺(43)逐漸下降，使坩堝底部的溫度降低，晶體從坩堝底部開始向上生長，調節 加熱功率與坩堝下降速度，使晶體的生長速度為5 50mm/h ；E.最後將定向凝固獲得高純的多晶矽錠，切去頭部和尾部，以及四周與坩堝接觸的部分，餘下部分可直接用於切片製作太陽電池 。
全文摘要
本發明公開了一種高純多晶矽的提純系統及用該系統製備高純多晶矽的方法，該系統包括置於密閉腔體中的矽料熔化裝置、電遷移裝置和定向凝固裝置。矽料熔化裝置和電遷移裝置通過第一溢流管連接，電遷移裝置和定向凝固裝置通過第二溢流管連接。該方法的特徵是對熔融矽液施加一個垂直於矽液流動方向的水平直流電場，在電場作用下，矽液中陽離子雜質和陰離子雜質分別向陰極和陽極方向遷移，並在兩側電極區域聚集，利用分流擋板使高雜質濃度矽液和高純矽液分開，並將高純矽液進行定向凝固鑄錠，最終獲得高純多晶矽錠。本發明的優點是可以實現高純矽的大規模連續提純生產，具有提純效果好、設備簡單、投資少、生產成本低的優點。
文檔編號C30B29/06GK101824650SQ201010177389
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月20日 優先權日2010年5月20日
發明者徐璟玉, 戴寧, 熊斌, 胡建鋒, 蔣君祥, 褚君浩 申請人:上海太陽能電池研究與發展中心