專(zhuān)利名稱(chēng)：太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空冶金材料提純工程領(lǐng)域，尤其是涉及一種太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅的制 備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有最為成熟的多晶硅提純工藝是西門(mén)子法。該方法是在流化床反應(yīng)器中混合冶 金級(jí)硅和氯化氫氣體，通過(guò)所述冶金級(jí)硅和氯化氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最后得到沸點(diǎn)僅有31°C 的三氯化硅，所述化學(xué)反應(yīng)方程式為

Si (固體)+3HC1 (氣體)=SiHC13 (氣體)+H2 (氣體)(放熱)。隨后將三氯化硅和氫氣的混合物蒸餾后再和加熱到1100°C的硅棒一起通過(guò)氣相 沉積反應(yīng)爐中，從而除去氫氣，同時(shí)析出固態(tài)的硅，擊碎后便成為塊狀多晶硅。這樣就可以 得到純度為99. 9999999%的硅。該方法目前成本普遍在400元/公斤以上。隨著太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)鏈的形成，光伏發(fā)電 的成本已經(jīng)成為制約光伏發(fā)電推廣的最大因素。要降低光伏發(fā)電的成本，必然要有新的方 式，因此，探索新的太陽(yáng)能級(jí)硅生產(chǎn)工藝成為焦點(diǎn)。冶金法提純多晶硅由于硅本身不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，僅僅是針對(duì)硅中的雜質(zhì)通過(guò)高溫 真空熔煉和脫氣的方式進(jìn)行，因此，能耗低，污染小，是降低太陽(yáng)能多晶硅提純成本的一種 最有前景的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅的制備方法，工藝流程 短，操作簡(jiǎn)單，化學(xué)反應(yīng)量小，耗電量小，而且無(wú)污染排放，能大幅度地降低多晶硅生產(chǎn)的投 資成本和生產(chǎn)成本，還能進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅的制備方法，包含以下步 驟步驟1、將純度為3N的金屬硅破碎成為粒度在20 80毫米的塊狀硅料，清洗去 除所述硅料表面的污染，放入真空熔煉爐中；所述金屬硅的硼含量小于5ppm、磷含量小于 15ppm、金屬雜質(zhì)總含量小于IOOOppm ；清洗后，對(duì)所述硅料進(jìn)行烘干；步驟2、在所述真空熔煉爐中放入25ppm的反應(yīng)劑，該反應(yīng)劑由二氧化硅、氧化鈣 和氧化鋇組成，所述三種組分的質(zhì)量比例為3 3 4 ；所述反應(yīng)劑應(yīng)當(dāng)均勻地夾在所述硅 料中。步驟3、對(duì)所述真空熔煉爐抽真空，到達(dá)真空后再加熱升溫使所述硅料熔化，所述 硅料熔化后繼續(xù)升溫到1600度；其中所述真空熔煉爐在其真空壓強(qiáng)為100帕?xí)r開(kāi)始加熱升 溫，所述硅料熔化時(shí)以及后續(xù)升溫過(guò)程中的真空壓強(qiáng)要小于1帕。步驟4、在所述真空熔煉爐中通入純度大于99. 999%的氫氣，氣體流量為每分鐘2 升到20升、氣壓為常壓，通氣時(shí)間為2小時(shí)；
步驟5、對(duì)所述真空熔煉爐逐步降溫，使所述熔融的硅料從底部開(kāi)始降溫，并從底 部向上進(jìn)行凝固結(jié)晶，所述硅料的結(jié)晶速度在6 20毫米/小時(shí)之間，最后形成硅錠；步驟6、開(kāi)爐取出所述硅錠，切除所述硅錠的底部、頂部及四周部分，所得到的所述 硅錠的剩余部分就為太陽(yáng)能級(jí)多晶硅硅錠；切除所述硅錠的底部、頂部及四周部分時(shí)，要對(duì) 所述硅錠進(jìn)行電阻率測(cè)試，對(duì)電阻率小于0. 5歐姆厘米的部分進(jìn)行切除。

通過(guò)上述步驟，能得到純度在5N到6N的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅；能將金屬硅中硼的含量 從5ppm降低到0. 5ppm,將磷的含量從15ppm降低到0. 8ppm,金屬總量雜質(zhì)從IOOOppm降低 到0. Ippm以下。通過(guò)在上述各步驟中的化學(xué)添加劑的選擇，還能分別得到P型或N型多晶 硅，其中作為提供電子或空穴載流子的磷和硼的含量可以分別控制在最有利于制成電池后 的光電轉(zhuǎn)換的范圍內(nèi)。本發(fā)明提供的太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅的制備方法的工藝流程短，操作簡(jiǎn)單，化學(xué)反應(yīng) 量小，耗電量小，而且無(wú)污染排放，能大幅度地降低多晶硅生產(chǎn)的投資成本和生產(chǎn)成本；相 比現(xiàn)有化學(xué)法，本發(fā)明的理化法使多晶硅生產(chǎn)工藝更簡(jiǎn)單，設(shè)備投資小，投資成本只有現(xiàn)有 化學(xué)法的10%不到，生產(chǎn)成本只有現(xiàn)有化學(xué)法的1/3 ；與現(xiàn)有的物理法提純多晶硅的方法 相比，本發(fā)明的工藝簡(jiǎn)單，投資成本低，生產(chǎn)成本只有現(xiàn)有的物理法的60%，而且成品率大 大提高。本發(fā)明的制備方法還能進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明圖1是本發(fā)明的太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅的制備方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示是本發(fā)明的太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅的制備方法的流程圖，本發(fā)明的一個(gè)較 佳實(shí)施例包括如下步驟步驟1、將純度為3N的金屬硅破碎成為粒度在20 80毫米的塊狀硅料，所述金屬 硅的硼含量為0. 5ppm、磷含量小于lppm、金屬雜質(zhì)總含量小于SOOppm ；清洗去除所述硅料 表面的污染，清洗后，對(duì)所述硅料進(jìn)行烘干，烘干溫度為200度；將所述硅料放入真空熔煉 爐中，方法是將所述硅料放入所述真空熔煉爐的石英坩堝內(nèi)，從底部到頂部逐層鋪放，放料 時(shí)注意將不同規(guī)格的所述硅料大小分開(kāi)鋪放，盡量減少硅料間間隙，并且裝料時(shí)注意輕放， 勿損壞坩堝；步驟2、在所述真空熔煉爐中放入25ppm的反應(yīng)劑，該反應(yīng)劑由二氧化硅、氧化鈣 和氧化鋇組成，所述三種組分的質(zhì)量比例為3 3 4 ；所述反應(yīng)劑要均勻地夾在所述硅料 中；步驟3、關(guān)閉所述所述真空熔煉爐的爐門(mén)、接著對(duì)所述真空熔煉爐的爐體抽真空， 在所述爐體壓強(qiáng)小于100帕?xí)r開(kāi)始加熱使所述爐體逐漸升溫，在所述爐體壓強(qiáng)小于10帕 后，使所述爐體升溫到使所述硅料熔化，所述硅料熔化后繼續(xù)升溫到1600度；步驟4、在所述真空熔煉爐中通入純度大于99. 999%的氫氣，氣體流量為每分鐘 20升、氣壓為常壓，通氣時(shí)間為2小時(shí)；由于氫氣在高溫下容易產(chǎn)生爆炸，在通入氫氣時(shí)，必 須采取必要的措施，防止爆炸發(fā)生；
步驟5、逐步降低所述 真空熔煉爐的加熱功率并使所述熔融的硅料從底部開(kāi)始降 溫，使所述硅料從所述坩堝的底部開(kāi)始凝固，形成柱狀晶粒，并逐漸向上生長(zhǎng)，直至整個(gè)坩 堝內(nèi)的所述硅料全部凝固結(jié)晶，所述硅料的結(jié)晶速度控制在6 20毫米/小時(shí)之間，最后 形成硅錠；步驟6、對(duì)所述硅錠進(jìn)行降溫，當(dāng)所述硅錠的溫度低于100攝氏度時(shí)，開(kāi)爐取出所 述硅錠；切除所述硅錠的底部、頂部及四周部分，所得到的所述硅錠的剩余部分就為太陽(yáng)能 級(jí)多晶硅硅錠；切除所述硅錠的底部、頂部及四周部分時(shí)，要對(duì)所述硅錠進(jìn)行電阻率測(cè)試， 對(duì)電阻率小于0. 5歐姆厘米的硅錠部分進(jìn)行切除。通過(guò)實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例的上述步驟，能得到純度為5. 8N的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅，該太 陽(yáng)能級(jí)多晶硅可以直接進(jìn)行切片制作太陽(yáng)能電池，所制作的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率可以 達(dá)到14%以上。通過(guò)在上述各步驟中的化學(xué)添加劑的選擇，可以分別得到P型或N型多晶硅，其中 作為提供電子或空穴載流子的磷和硼的含量可以分別控制在最有利于制成電池后的光電 轉(zhuǎn)換的范圍內(nèi)。以上通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，但這些并非構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限 制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可做出許多變形和改進(jìn)，這些也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅的制備方法，其特征在于，包含以下步驟步驟1、將純度為3N的金屬硅破碎成為粒度在20 80毫米的塊狀硅料，清洗去除所述 硅料表面的污染，放入真空熔煉爐中；步驟2、在所述真空熔煉爐中放入25ppm的反應(yīng)劑，該反應(yīng)劑由二氧化硅、氧化鈣和氧 化鋇組成，所述三種組分的質(zhì)量比例為3 :3:4;步驟3、對(duì)所述真空熔煉爐抽真空，到達(dá)真空后再加熱升溫使所述硅料熔化，所述硅料 熔化后繼續(xù)升溫到1600度；步驟4、在所述真空熔煉爐中通入氫氣，氣體流量為每分鐘2升到20升、氣壓為常壓，通 氣時(shí)間為2小時(shí)；步驟5、對(duì)所述真空熔煉爐逐步降溫，使所述熔融的硅料從底部開(kāi)始降溫，并從底部向 上進(jìn)行凝固，最后形成硅錠；步驟6、開(kāi)爐取出所述硅錠，切除所述硅錠的底部、頂部及四周部分，所得到的所述硅錠 的剩余部分就為太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅硅錠。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅的制備方法，其特征在于步驟1中所述金屬硅的硼含量小于5ppm、磷含量小于15ppm、金屬雜質(zhì)總含量小于 IOOOppmo
3.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅的制備方法，其特征在于步驟2中所述反應(yīng)劑均勻地夾在所述硅料中。
4.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅的制備方法，其特征在于步驟3中所述真空熔煉爐在其真空壓強(qiáng)為100帕?xí)r開(kāi)始加熱升溫，所述硅料熔化時(shí)以 及后續(xù)升溫過(guò)程中的真空壓強(qiáng)要小于1帕。
5.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅的制備方法，其特征在于步驟4中通入的氫氣的純度大于99. 999%。
6.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅的制備方法，其特征在于步驟5中定向凝固的速度為每小時(shí)6 20毫米。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種太陽(yáng)能等級(jí)多晶硅的制備方法，采用3N級(jí)的金屬硅作為原料，在真空熔煉爐中通過(guò)造渣和定向凝固進(jìn)行提純，將金屬硅提純到純度為99.9999％的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。本發(fā)明通過(guò)真空熔煉，可將金屬硅中硼的含量從5ppm降低到0.5ppm，將磷的含量從15ppm降低到0.8ppm，金屬總量雜質(zhì)從1000ppm降低到0.1ppm以下。本發(fā)明工藝流程短，耗電量小，而且無(wú)污染排放，可以大幅度地降低多晶硅生產(chǎn)的投資成本和生產(chǎn)成本，可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C01B33/037GK102092718SQ20091020193
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者史珺 申請(qǐng)人:上海普羅新能源有限公司