專利名稱：一種生產(chǎn)p型太陽能電池用多晶硅的工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于冶煉技術領域，涉及一種生產(chǎn)P型太陽能電池用多晶硅的工藝。
背景技術：
目前國內外生產(chǎn)多晶硅的方法主要是化學法和物理法。所謂化學法就是金屬硅中的硅元素參加化學反應，變?yōu)楣璧幕衔锼穆然杌蛉葰涔?，然后把硅的化合物從雜質中分離出來，最后，把硅單質還原出，生成多晶硅。其他化學法還有硅垸法和硫化床法等。國內化學法面臨的問題主要是化學污染。金屬硅的氫氯化，會帶來有害的氣體和液體，而三氯氫硅的還原，也會帶來有害氣體的排放，這些有害物質，不僅污染環(huán)境，而且也增加了企業(yè)的成本。由于回收的技術比較復雜，國內還沒有哪個工廠能夠完全進行回收的全閉環(huán)生產(chǎn)?？傊瘜W法生產(chǎn)多晶硅投資巨大，工藝復雜，污染隱患嚴重，嚴重影響我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
物理法就是金屬硅中的硅元素不參加化學反應，而是用不同的物理方法分步去除不同的雜質而達到生產(chǎn)的目的，因為這一方法在很多方面與冶金爐外精煉法的方法類似，所以也稱冶金法。做為太陽能電池用多晶硅材
料，硅純度達到6-7個9就可以滿足要求，因此，從降低太陽能電池成本的角度，在允許的雜質范圍內重點發(fā)展成本低廉的提煉方 是未來的發(fā)展方向，物理法太陽電池多晶硅就是其中最有潛力的方法之一。具體來說，以冶金級工業(yè)硅為原料，通過不同的物理方法分步去除雜
質，生產(chǎn)多晶硅。因為對太陽能電池來說，P、 B、 C、 O、 Fe、 O、 Ni、Cu、 Zn、 Ca、 Mg、 Al等金屬元素，P、 B是要嚴格控制的元素，所以從工業(yè)硅冶煉開始，在整個過程中，從原料挑選和工具使用上嚴格限制上述元素混入。
傳統(tǒng)的生產(chǎn)多晶硅物理法有以冶金級工業(yè)硅為原料，采用向硅液中吹氣，除去雜質；或采用造渣靜置澄清，向硅液中加入造渣劑，將硅液在保持精煉溫度和熔劑覆蓋條件下保持一段時間，使雜質上浮或下沉而去除；或采用常溫浸酸，除去硅粉表面的鐵等金屬雜質；或采用在真空條件下，經(jīng)過脫氣、分解、揮發(fā)和脫氧達到除雜，如磷等；或采用將硅液從坩堝中倒入另一模具中，利用定向凝固形成晶錠的過程除去雜質，如鐵、鈦、銅等金屬雜質。
現(xiàn)有企業(yè)一般采用上述物理法中的一種或兩種以上的方法組合生產(chǎn)多晶硅。存在著工藝不連續(xù)，能耗高，污染環(huán)境，設備使用壽命短，生產(chǎn)安全隱患大，產(chǎn)品質量不穩(wěn)定等缺陷。

發(fā)明內容
發(fā)明人在多年從事多晶硅領域的研究活動中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有P型太陽能電池用多晶硅的生產(chǎn)方法存在著一定缺陷，經(jīng)過分析和探索，目的在于提供一種生產(chǎn)P型太陽能電池用多晶硅的工藝,能夠較好地克服現(xiàn)有生產(chǎn)P型太陽能電池用多晶硅方法存在的問題。
本發(fā)明所采取的技術方案是 一種生產(chǎn)P型太陽能電池用多晶硅的工藝，采用以下流程步驟1. 選取硅原料。以冶金級工業(yè)硅為原料，選取原料中金屬雜質，磷、硼
雜質主要雜質含量限量指標；
2. 硅液造渣分離雜質。將原料喂入中頻加熱爐內熔化成硅液，向硅液中添加入造渣劑，充分攪拌均勻，靜止并保溫，使磷硼等非金屬雜質揮發(fā)或隨渣上漂或沉底，與硅分離；
3. 真空直拉除雜。利用直拉單晶方法，將單晶直拉爐改進，采用真空式直拉爐，將中頻加熱爐通過帶有閥門的導管與真空式直拉爐連通，將由中頻加熱爐經(jīng)過造渣分渣后的硅液導入真空式直拉爐加熱容器內，在抽真空條件下?lián)]發(fā)除去磷等非金屬雜質；以定向籽晶為生長晶核，垂直旋轉提升，拉出多晶硅過程中，使金屬雜質及其它雜質留在容器殘液中除去；
4. 光照硅液分離雜質。采用光照真空式直拉爐，即在真空式直拉爐加熱容器上方布設電光源，對導入真空式直拉爐容器內的硅液在直拉多晶硅過程中同時對硅液和籽晶進行波段光照射，使難以分離的雜質變成離子狀態(tài)，有助于除去；
5. 鑄錠過程除雜。利用將提拉出的多晶硅棒融化，退火、冷卻，定向凝固成型多晶硅錠后，經(jīng)過檢測切除雜質不合格部分。
經(jīng)過上述步驟，生產(chǎn)出符合P型太陽能電池等級的多晶硅材料。本發(fā)明采用上述技術方案和措施，對傳統(tǒng)的生產(chǎn)多晶硅的方法加以重
大改進，棄掉常溫浸酸(或堿)除雜方法，增加光照硅液分離雜質、真空
直拉除去雜質及光照與真空直拉相結合方式。
常溫浸酸(或堿)除雜方法，雖然對金屬雜質去除效果較好，但只能
除去硅粉粒表面雜質，對于粉粒內部的雜質除雜效果不明顯，而且排放廢液嚴重污染環(huán)境，還需要加以處理；
增加采用光照硅液分離雜質步驟，就是利用光的量子作用，使雜質狀態(tài)發(fā)生變化，變成離子狀態(tài)，某些難以除去的雜質在某波段光的照射作用下，變成容易分離的離子，有助于更快更多地與硅分離，也彌補了棄掉浸酸(或堿)除雜步驟后的除雜效果；
增加真空直拉除雜步驟，就是利用傳統(tǒng)的直拉單晶方法，并對單晶直拉爐加以改進，將原來向單晶直拉爐加入惰性氣體改為抽真空的真空式直拉爐，使多晶硅液在真空、無雜氣、光照、直拉環(huán)境條件下，利用硅和磷蒸氣壓不同、磷的蒸氣壓大的特點，可以較好地揮發(fā)除去磷；在提拉過程中金屬和其它雜質留在殘液中，達到超標程度集中除去；從而確保提取后的多晶硅達到或超過符合P型太陽能電池等級標準的要求。
本發(fā)明還將造渣后的硅液通過導管從中頻加熱爐內直接導入真空式直拉爐，不僅巧妙地利用直拉爐內負壓，能自動地將高溫熔化的硅液從上游容器內連續(xù)倒入下游容器，而且克服了傳統(tǒng)工藝不連續(xù)輸料，二次倒料吊裝存在的安全隱患，二次熔化消耗能源，增加坩堝使用成本等缺陷。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的多晶硅生產(chǎn)方法相比，具有工藝科學，流程連續(xù)，節(jié)約能源，減輕污染，設備使用壽命延長，生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質量穩(wěn)定可靠等顯著優(yōu)點。


圖1表示本發(fā)明一種生產(chǎn)P型太陽能電池用多晶硅的工藝的工藝流程方框圖2表示本發(fā)明一種生產(chǎn)P型太陽能電池用多晶硅的工藝其中真空直拉除雜、光照硅液步驟涉及的光照真空式直拉爐結構示意圖。
具體實施例方式
結合附圖及實施例，進一步說明本發(fā)明"一種生產(chǎn)P型太陽能電池用多晶硅的工藝"的具體步驟及有關設備的具體結構。
本發(fā)明一種生產(chǎn)P型太陽能電池用多晶硅的工藝的實施例，參見圖1,采用以下流程步驟
1. 選取硅原料。以冶金級工業(yè)硅為原料，選取原料中金屬雜質，磷、硼雜質主要雜質含量限量指標；金屬雜質限控在100PPm以內，磷等V族元素限控在10PPm左右，硼等III族元素控制在lPPm以下；
2. 硅液造渣。將原料喂入中頻加熱爐內熔化成硅液，向硅液中加入至少一種造渣劑，比如氧化鈣，碳酸鈉...等。充分攪拌均勻，靜止10—30分鐘，并保持溫度在150(TC左右，使磷、硼和其它非金屬雜質揮發(fā)或氧化，隨渣上漂或沉底，與硅分離；
3. 真空直拉除雜。參見圖l,圖2,采用真空式直拉爐(1)，利用直拉單晶方法，將單晶直拉爐改進，取消底部惰性氣體排放口，將上部惰性氣體進口改為抽真空口 (3)，增設上游硅液導入口 (2)，將中頻加熱爐通過帶有閥門的導管(圖中未示)與真空式直拉爐上游硅液導入口 (2)連通，打開導管閥門，直拉爐內繼續(xù)抽真空，中頻加熱爐經(jīng)過造渣分渣后的硅液在真空條件下自動導入真空式直拉爐加熱容器內；關閉導管閥門，以定向籽晶為生長晶核，垂直旋轉提升，在拉出多晶硅過程中，抽真空并穩(wěn)定在10-2Torr以下，在真空狀態(tài)下，磷的蒸氣壓大可以較好地揮發(fā)除去，金屬雜質及其它雜質留在容器殘液中除去；4. 光照硅液。參見圖l，圖2，采用光照真空式直拉爐，即在真空式直拉爐(1)的加熱容器(5)上方布設電光源(4),光波長lmm-705nm，對由上游硅液導入口 (2)導入真空式直拉爐容器內的硅液在直拉多晶硅過程中協(xié)同對硅液和籽晶進行波段光照射，使金屬雜質變成易分離的離子；
5. 鑄錠過程除雜。將上面提拉出的多晶硅棒加熱熔化，經(jīng)定向冷卻、定向凝固成型多晶硅鑄錠，對鑄錠經(jīng)過遷移率和電阻率檢測確定雜質分布區(qū)域，切掉不合格部分，得太陽能電池等級多晶硅。
經(jīng)過上述步驟，穩(wěn)定地生產(chǎn)出純度達到6-7個9的符合P型太陽能電池等級的多晶硅材料。
權利要求
1、一種生產(chǎn)P型太陽能電池用多晶硅的工藝，其特征是采用以下流程步驟1).選取硅原料，以冶金級工業(yè)硅為原料，選取原料中金屬雜質，磷、硼雜質主要雜質含量限量指標；2).硅液造渣，將原料喂入中頻加熱爐內熔化成硅液，向硅液中添加入造渣劑，充分攪拌均勻，靜止并保溫，使磷硼等非金屬雜質揮發(fā)或隨渣上漂或沉底，與硅分離；3).真空直拉除雜，利用直拉單晶方法，將單晶直拉爐改進，采用真空式直拉爐，將中頻加熱爐通過帶有閥門的導管與真空式直拉爐連通，將由中頻加熱爐經(jīng)過造渣分渣后的硅液導入真空式直拉爐加熱容器內，在抽真空條件下?lián)]發(fā)除去磷等非金屬雜質；以定向籽晶為生長晶核，垂直旋轉提升，拉出多晶硅過程中，使金屬雜質及其它雜質留在容器殘液中除去；4).光照硅液分離雜質，采用光照真空式直拉爐，即在真空式直拉爐加熱容器上方布設電光源，對導入真空式直拉爐容器內的硅液在直拉多晶硅過程中同時對硅液和籽晶進行波段光照射，使難以分離的雜質變成離子狀態(tài)，有助于除去；5).鑄錠過程除雜，利用將提拉出的多晶硅棒融化，退火、冷卻，定向凝固成型多晶硅錠后，經(jīng)過檢測切除雜質不合格部分。
2、 如權利要求1的一種生產(chǎn)P型太陽能電池用多晶硅的工藝，其特征是所述光照真空式直拉爐，包括直拉爐，在爐體上部設抽真空口，上游硅液導入口，在加熱容器上方布設電光源。
全文摘要
本發(fā)明提供一種生產(chǎn)P型太陽能電池用多晶硅的工藝，主要特點是采用以下流程步驟選取硅原料—硅液造渣—真空直拉—光照硅液—鑄錠，對傳統(tǒng)提取多晶硅方法加以重大改進，舍棄常溫浸酸(或堿)，增加光照硅液與真空直拉步驟，硅液造渣向真空直拉自動導料，與傳統(tǒng)方法相比，具有工藝科學，流程連續(xù)，節(jié)約能源，減輕污染，設備使用壽命延長，生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質量穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。
文檔編號C01B33/00GK101671025SQ20091017242
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權日2009年9月30日
發(fā)明者李定珍, 王玉倉, 郭新峰, 靳瑞敏 申請人:靳瑞敏