專利名稱：一種太陽能級多晶硅脫金屬雜質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能級多晶硅脫金屬雜質(zhì)的方法，特別是涉及一種采用定向拉棒去除金屬雜質(zhì)的多晶硅脫金屬的提純方法。
背景技術(shù)：
能源短缺和環(huán)境污染是當(dāng)前經(jīng)濟發(fā)展面臨的兩大問題，制約著經(jīng)濟和社會的發(fā)展。常規(guī)化石燃料資源在地球中的儲量是有限的，隨著大規(guī)模工藝開采和不斷增長的能源消費需求，全球的化石燃料資源正在加速枯竭，全世界都面臨著化石能源資源日益枯竭的巨大壓力。而取之不盡、用之不竭的太陽能，將在本世紀(jì)中葉成為我國的重要能源。作為21 世紀(jì)最有潛力的能源，太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)摿薮?。太陽能產(chǎn)業(yè)是新興的朝陽行業(yè)，中國科學(xué)院黨組批準(zhǔn)啟動實施太陽能行動計劃，該計劃以2050年前后太陽能作為重要能源為遠(yuǎn)景目標(biāo)，并確定了 2015年分布式利用、2025年替代利用、2035年規(guī)模利用三個階段目標(biāo)。中國太陽能資源豐富，全國三分之二的國土面積年日照小時數(shù)在2200小時以上， 沙漠面積大，具有發(fā)展太陽能的巨大潛力。可建造“沙漠電站”，起到發(fā)電與沙漠治理之功效。在海南，也在制定太陽能利用和太陽能發(fā)電建設(shè)總體規(guī)劃，打造“太陽能光伏島”。這一系列舉措為中國減少對煤炭、石油等不可再生能源的依賴帶來了新的希望。2009年乃至今后全球的光伏市場重點將從歐洲轉(zhuǎn)向美國，奧巴馬新政開啟全球最大市場，這無疑給金融危機下的光伏產(chǎn)業(yè)帶來十足的利好。今后5年內(nèi)，僅美國市場的太陽能發(fā)電設(shè)備需求量將是2007年全年增量的5. 8倍。這將是非常大的市場需求，會給新能源行業(yè)帶來巨大的變化。從目前美國的太陽能發(fā)電設(shè)備的產(chǎn)能看，自給率僅為70%，裝機量占全球的比例僅為8%，因此從中長期看，美國市場的啟動必然對包括中國太陽能企業(yè)在內(nèi)的全球市場形成巨大拉動。同樣在今后的幾年里，國內(nèi)也將開啟巨大的光伏市場。光伏發(fā)電作為重要戰(zhàn)略能源將在國家政策的大力支持下穩(wěn)步發(fā)展。國內(nèi)太陽能電池的增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界太陽能電池發(fā)展的水平。這種快速的增長是由于國內(nèi)外對光伏發(fā)電的迫切需求，各國對太陽能發(fā)電的補貼政策相繼出臺，我國的可再生能源促進法的通過及上網(wǎng)標(biāo)桿電價的明確都將進一步促進太陽能光伏發(fā)電的迅猛發(fā)展。從市場角度來說，中國太陽能發(fā)電的成本較德國和日本等成熟市場偏高。因此，在我國開展低成本、無污染的太陽能級多晶硅物理法提純技術(shù)旨在降低太陽能級多晶硅生產(chǎn)成本，從而降低太陽能電池制造成本，促進太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，普及太陽能的利用，無疑是一個重要的技術(shù)決策方向。關(guān)于太陽能級多晶硅必須滿足的純度要求，目前能夠為行業(yè)所認(rèn)同的雜質(zhì)含量范圍為:P在0. Ippm以下，B在0. 3ppm以下，Al、Fe、Ca等金屬雜質(zhì)總含量小于0. 05ppm。對于金屬雜質(zhì)Fe、Al、Ti、Zn等，由于其在硅中的分凝系數(shù)比較大，因此通過嚴(yán)格的定向凝固可以達到很好的去除效果，基本可以滿足太陽能電池的需求。定向凝固技術(shù)提純太陽能級硅的基本原理是利用雜質(zhì)元素在固相和液相中的分凝效應(yīng)達到提純的目的。
上面提到的定向凝固除金屬雜質(zhì)提純技術(shù)有一定的局限性，如中國專利 CN101343063提到的將定向凝固后的硅錠切去上部金屬雜質(zhì)含量高的部分，得到提純的太陽能級多晶硅。中國專利CN101585536提到的經(jīng)定向凝固后所得到的硅錠為原料，切除硅錠表皮與頭尾部后，進入下一步驟的提純工藝。由于定向凝固金屬雜質(zhì)排向錠的上表面，錠的其余五個面也與坩堝直接接觸，在后道的選料過程中也要不同程度的去除掉。這樣就造成了硅料的浪費，提純得到的太陽能級多晶硅良品率大打折扣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述已有技術(shù)制造多晶硅脫金屬的難題，提供一種采用定向拉棒去除金屬雜質(zhì)的多晶硅脫金屬提純方法。本發(fā)明的多晶硅脫金屬的提純方法，包括以下工藝步驟
(1)選擇金屬硅為原材料；
(2)開啟高真空感應(yīng)爐的真空系統(tǒng)，依次開啟前級機械泵及高性能擴散泵使?fàn)t室內(nèi)達到高真空狀態(tài)；
(3)將占石墨坩堝容量1/10的金屬硅裝入位于高真空感應(yīng)爐內(nèi)的石墨坩堝中，開啟高頻感應(yīng)電源將金屬硅熔化；
(4)待此硅料熔化后使硅液溫度保持在1560 1600°C，開啟硅料連續(xù)送料裝置，投料至爐內(nèi)的石墨坩堝中進行熔化；
(5)當(dāng)硅熔體達到坩堝一定容積時，將啟動定向拉棒裝置，通過定向拉制脫除硅中的金屬雜質(zhì)；
(6)將定向拉制的硅棒的尾部雜質(zhì)聚集的部分切除后得到脫金屬提純后的多晶硅。在步驟(1)中，所述的金屬硅的粒徑是5 100mm，金屬硅的純度為99% (2N)以上，其中金屬雜質(zhì)含量(Fe、Al、Ca、Ti等)為700ppm。在步驟(2)中，所述的高真空是指控制在1.2X10 —3 2.4X10 —3Pa。在步驟(3)中，所述的高頻感應(yīng)電源功率最好為200 240KW。在步驟(4)中，所述的連續(xù)送料裝置是指能連續(xù)地將金屬硅送入高真空熔室內(nèi)進行脫金屬提純。在步驟(5)中，所述的達到坩堝一定容積最好是達到坩堝容積的3/4。采用本發(fā)明所述的脫金屬提純方法，可使得金屬雜質(zhì)的含量降低到0.05ppm以下，完全符合太陽能級多晶硅所需純度要求。本發(fā)明的技術(shù)要點是不同于現(xiàn)有的物理冶金法提純太陽能級多晶硅的工藝方法。 現(xiàn)有的物理冶金法脫金屬的工藝通常為方法(1)將金屬硅破碎成粉狀，經(jīng)磁選、進入化學(xué)反應(yīng)釜進行酸堿洗來實現(xiàn)脫金屬。(2)利用金屬雜質(zhì)元素在固相和液相中的分凝效應(yīng)采取定向凝固技術(shù)來脫金屬。本發(fā)明以金屬硅為原料，通過連續(xù)的多晶硅定向拉棒脫金屬技術(shù)來獲得低成本的太陽能級低金屬雜質(zhì)多晶硅的生產(chǎn)。由于本發(fā)明脫金屬的生產(chǎn)過程是連續(xù)地將金屬硅加入高真空爐內(nèi)坩堝中，這樣就大大提高了脫金屬的效率。此脫金屬方法不需要酸堿洗、定向凝固鑄錠爐等高成本的裝備，也不存在酸堿對環(huán)境造成污染的問題。本發(fā)明還可以與直拉脫磷工藝結(jié)合在一起整合成一套連續(xù)的脫磷脫金屬的工藝，具有非常可觀的市場前景。由于此脫磷脫金屬是連續(xù)式作業(yè)，這就非常適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。而且利用此發(fā)明生產(chǎn)的6N級太陽能級多晶硅的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前市場上的多晶硅價格。
具體實施例方式以下給出本發(fā)明太陽能級多晶硅脫金屬提純方法具體實施例。實施例1
采用能盛放200kg金屬硅原料的石墨坩堝，稱取金屬雜質(zhì)濃度為700ppm的原料金屬硅 200kgo依次開啟真空系統(tǒng)的前級機械泵和高性能擴散泵將爐室內(nèi)真空抽至1.2X10 一 3Pa0開始通過送料裝置送入20kg金屬硅至石墨坩堝內(nèi)，開啟高頻電源加熱使硅熔化，熔體溫度控制在1500°C，功率為200KW。開啟連續(xù)送料裝置將剩余金屬硅原料投入坩堝中，直至硅熔體體積達到石墨坩堝體積的3/4后，開始啟動連續(xù)拉棒裝置，整個完成脫金屬過程為16小時。將硅錠冷卻后從中取樣檢測，金屬雜質(zhì)含量為0. 05ppm。實施例2
工藝過程同實施例1，稱取金屬雜質(zhì)濃度為700ppm原料金屬硅200kg。采用能盛放 200kg硅料的石墨坩堝。依次開啟真空系統(tǒng)的前級機械泵和高性能擴散泵將爐室內(nèi)真空抽至2. 0 X 10 — 3Pa。開始通過送料裝置送入20kg金屬硅至石墨坩堝內(nèi)，開啟高頻電源加熱使硅熔化，熔體溫度控制在1600°C，功率為220KW。開啟連續(xù)送料裝置將原料金屬硅投入坩堝中，直至硅熔體體積達到石墨坩堝體積的3/4后，整個完成脫金屬過程為20小時。將硅錠冷卻后從中取樣檢測，金屬含量為0. 03ppm。實施例3
工藝過程同實施例1，硅料中金屬雜質(zhì)濃度為700ppm原料金屬硅300kg。采用能盛放 300kg硅料的石墨坩堝。爐室內(nèi)真空抽至1.0X10 — 3Pa。熔體溫度控制在1650°C，功率為 240KW.整個完成脫金屬過程為M小時。將硅錠冷卻后從中取樣檢測，金屬含量為0. Olppm0
權(quán)利要求
1. 一種太陽能級多晶硅脫金屬雜質(zhì)的方法，其特征包括以下工藝步驟(1)選擇原材料為粒徑是5 IOOmm的金屬硅，金屬硅的純度為99%以上，其中金屬雜質(zhì)含量為700ppm ；(2)開啟高真空感應(yīng)爐的真空系統(tǒng)，依次開啟前級機械泵及高性能擴散泵使?fàn)t室內(nèi)達到1. 2X10 —3 2. 4X10 —3Pa的高真空狀態(tài)；(3)將占石墨坩堝容量1/10的金屬硅裝入位于高真空感應(yīng)爐內(nèi)的石墨坩堝中，開啟高頻感應(yīng)電源將金屬硅熔化，所述的高頻感應(yīng)電源功率最好為200 MOKW ；(4)待此硅料熔化后使硅液溫度保持在1560 1600°C，開啟硅料連續(xù)送料裝置，投入剩余的金屬硅至爐內(nèi)的石墨坩堝中進行熔化成為硅熔體；(5)當(dāng)硅熔體達到坩堝容積的3/4容積時，啟動定向拉棒裝置，通過定向拉制脫除硅中的金屬雜質(zhì)，成為硅棒；(6)將硅棒的尾部雜質(zhì)聚集的部分切除，得到脫金屬雜質(zhì)提純后的多晶硅。
全文摘要
一種太陽能級多晶硅脫金屬雜質(zhì)的方法，其特征包括以下工藝步驟(1)選擇原材料為粒徑是5～100mm的金屬硅，金屬硅的純度為99％以上，其中金屬雜質(zhì)含量為700ppm；(2)開啟高真空感應(yīng)爐的真空系統(tǒng)；(3)將占石墨坩堝容量1/10的金屬硅裝入位于高真空感應(yīng)爐內(nèi)的石墨坩堝中，開啟高頻感應(yīng)電源將金屬硅熔化；4)待此硅料熔化后使硅液溫度保持在1560～1600℃，投入剩余的金屬硅至爐內(nèi)的石墨坩堝中進行熔化成為硅熔體；(5)當(dāng)硅熔體達到坩堝容積的3/4容積時，啟動定向拉棒裝置，通過定向拉制脫除硅中的金屬雜質(zhì)，成為硅棒；(6)將硅棒的尾部雜質(zhì)聚集的部分切除，得到脫金屬雜質(zhì)提純后的多晶硅。本發(fā)明的成本低。
文檔編號C01B33/037GK102424388SQ201110268620
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者司繼良, 孔繁敏, 孫湘航, 安利明, 徐民, 王新元 申請人:山西納克太陽能科技有限公司