專利名稱：一種電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多晶硅提純的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及ー種利用電子束誘導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行定向凝固除雜的方法。
背景技術(shù)：
隨著全球低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)迎來了巨大的發(fā)展空間，太陽能光伏發(fā)電所占比重越來越大。據(jù)初步統(tǒng)計，我國2010年新增并網(wǎng)光伏發(fā)電裝機(jī)53萬kW，累計裝機(jī)達(dá)到83萬kW，其中地面大型并網(wǎng)光伏發(fā)電累計裝機(jī)70萬kW，建筑一體化并網(wǎng)光伏發(fā)電裝機(jī)約13萬kW。全球光伏發(fā)電市場2010年新增裝機(jī)預(yù)計同比增加超過120%，達(dá)到1700萬kW以上，帶動我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)大，對多晶硅的需求量與日俱增。太陽能電池的性能受到多晶硅純度的影響。雜質(zhì)鋁(Al)和鈣(Ca)是多晶硅中·的主要雜質(zhì)元素，嚴(yán)重影響了硅材料的電阻率和少數(shù)載流子壽命，降低了太陽能電池的發(fā)電效率。為了滿足太陽能電池的性能要求，硅材料中的雜質(zhì)鋁(Al)和鈣(Ca)需降低到lX10-5wt%以下。由于雜質(zhì)鋁(Al)和鈣(Ca)在硅凝固過程中存在分凝效應(yīng)，目前一般可以采用定向凝固的方式去除硅中的雜質(zhì)鋁(Al)和鈣(Ca)。但是，由于鋁(Al)和鈣(Ca)的分凝系數(shù)較大，一次定向凝固后，雜質(zhì)鋁(Al)和鈣(Ca)的含量遠(yuǎn)不能滿足純度要求，目前的解決辦法是采用多次定向凝固或者加入酸洗過程進(jìn)行提純，但是這些方法將大大提高生產(chǎn)的成本和環(huán)保的壓力。電子束熔煉具有高真空、高溫的特點，熔體中飽和蒸氣壓高的雜質(zhì)元素在高溫和真空條件下可以從熔體逸出到氣相中，進(jìn)而通過抽真空的方式去除。雜質(zhì)鋁(Al)和鈣(Ca)都具有飽和蒸氣壓高的特點，也就是說，可以利用電子束熔煉去除硅中雜質(zhì)鋁(Al)和鈣(Ca)。前期研究表明電子束熔煉去除硅中雜質(zhì)鋁(Al)和鈣(Ca)的影響因素主要有熔煉時間、熔煉功率以及凝固時間。雜質(zhì)鋁(Al)和鈣(Ca)的含量隨著熔煉功率的提高而降低，熔煉功率越大，去除的效率越高，隨著熔煉時間的増加，去除量的差異越來越小，最后均趨于水平。硅中雜質(zhì)鋁(Al)和鈣(Ca)具有分凝效應(yīng)，可在定向凝固的過程中實現(xiàn)分凝提純。但是，目前尚未見到在電子束熔煉過程中綜合利用高溫蒸發(fā)除雜和電子束定向凝固除雜相結(jié)合一次性將雜質(zhì)鋁(Al)和鈣(Ca)去除到要求水平的提純技木。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服上述不足問題，提供一種電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜的方法，易于操作，可控性高，克服了一次定向凝固不能將雜質(zhì)鋁(Al)和鈣(Ca)完全去除的缺點，又提高了電子束的能量利用率。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是一種電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜的方法，其特征是(I)取料、預(yù)處理首先取鋁、鈣含量高的純度為98. 5%-99. 9%冶金級多晶硅，將其清洗烘干后置于電子束熔煉爐中的坩堝內(nèi)，抽取電子束熔煉爐真空至2 X 10-2Pa以下；(2)電子束熔煉蒸發(fā)除雜電子槍預(yù)熱后，啟動電子槍，以400-700mA的束流轟擊多晶硅，至全部熔化，形成熔池，不斷移動電子束的束斑，使之能夠較均勻的熔煉硅熔體，持續(xù)熔煉 30_60min ；
(3)電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜然后采用對數(shù)降束的方式降低電子束的束流，待電子束束流降低到100-150mA時，停止降束，熔體緩慢凝固形成鑄錠，關(guān)閉束流，待爐體冷卻25-40分鐘后打開爐門，取出鑄錠，將鑄錠頂部中心鋁和鈣含量較高的尖狀突起切除，即可得到低招、低I丐的多晶娃鑄淀。所述具體步驟如下
(1)取料、預(yù)處理選取雜質(zhì)鋁、鈣含量較高的冶金級硅作為原料，其中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98. 5%-99. 9%，將原料破碎成小塊，置于分析純酒精中超聲波震蕩清洗，去除表面殘留的油污和灰塵；已清洗的硅料經(jīng)烘干處理后置于電子束熔煉爐中的水冷銅坩堝內(nèi)；用機(jī)械泵、羅茨泵和擴(kuò)散泵抽爐體真空至2X 10_2Pa以下；· (2)電子束熔煉蒸發(fā)除雜啟動電子槍，設(shè)置高壓為30kV、以束流400-700mA轟擊多晶硅料表面，電子束與硅直接作用區(qū)首先發(fā)生熔化，然后熔池迅速擴(kuò)大，至全部硅料都形成熔池，此后不斷地移動電子束的束斑，使之能夠較均勻的熔煉硅熔體，持續(xù)熔煉30-60min，部分雜質(zhì)鋁、鈣在電子束高溫作用下蒸發(fā)去除；
(3 ) 電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜以對數(shù)
-を=的速度降低電子束的束流，硅熔體將以線性方式進(jìn)行定向凝固，雜
質(zhì)向熔體頂部富集，待電子束束流降低到100-150mA時，停止降束，熔體緩慢凝固形成鑄錠，關(guān)閉束流，待爐體冷卻30分鐘后打開爐門，取出鑄錠，將鑄錠頂部中心位置的鋁和鈣含量較高的尖狀突起切除，即可得到低鋁、低鈣的多晶硅鑄錠。所述招、I丐含量高的多晶娃是指其中招60_120ppmw,|丐25_50ppmw。所述低鋁、低鈣的多晶硅鑄錠是指其中鋁含量低于0. 13ppmw，鈣含量低于0.18ppmw。所述電子束的光斑形態(tài)設(shè)置為圓形。本發(fā)明中采用電子轟擊硅材料表面，硅料底部用水冷銅坩堝作為容器，是ー種典型的單向加熱方式，硅熔體內(nèi)形成自上而下逐漸降低的溫度場，隨著電子束轟擊功率的降低，硅熔體的溫度下降，與水冷銅坩堝相接觸的底部首先形核凝固，晶體逐漸向上生長，形成定向凝固效果。當(dāng)電子束轟擊功率降低的速度高低可以對凝固速度產(chǎn)生影響。在電子束熔煉過程中進(jìn)行定向凝固，既可以使鋁(Al)和鈣(Ca)等雜質(zhì)富集到液態(tài)區(qū)，又會在真空的條件下通過界面蒸發(fā)除雜，兩種方式的疊加效果會有助于雜質(zhì)的深度去除。綜上，本發(fā)明充分利用了雜質(zhì)在硅中的蒸發(fā)效應(yīng)和分凝效應(yīng)，實現(xiàn)了電子束熔煉蒸發(fā)與定向凝固兩種除雜方式的優(yōu)勢互補(bǔ)，保證了一次熔煉后雜質(zhì)鋁(Al)和鈣(Ca)可以被去除到滿足太陽能電池性能要求的程度，減少了エ藝環(huán)節(jié)，降低了能耗，有利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。


圖I為本發(fā)明一種電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜的方法的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例及附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于具體實施例。實施例I
(1)取料、預(yù)處理選取雜質(zhì)招含量為lOSppmw、^含量為42ppmw的冶金級娃作為原料，其中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98. 5%，將原料破碎成小塊，置于分析純酒精中超聲波震蕩清洗，去除表面殘留的油污和灰塵；已清洗的硅料經(jīng)烘干處理后置于電子束熔煉爐中的水冷銅坩堝內(nèi)；用機(jī)械泵、羅茨泵和擴(kuò)散泵抽爐體真空至I. 2X10-2Pa ；
(2)電子束熔煉蒸發(fā)除雜啟動電子槍，設(shè)置高壓為30kV、以束流700mA轟擊多晶硅料表面，電子束光斑形態(tài)設(shè)置為圓形，以保證電子束在熔煉過程中始終以圓形光斑的狀態(tài)轟擊硅料表面，保證硅料受熱均勻、穩(wěn)定，通過觀察窗可以清晰的觀察到電子束與硅直接作用區(qū)首先發(fā)生熔化，然后熔池迅速擴(kuò)大，至全部硅料都形成熔池，此后不斷地移動電子束的束斑，使之能夠較均勻的熔煉硅熔體，持續(xù)熔煉60min，部分雜質(zhì)鋁、鈣在電子束高溫作用下蒸發(fā)去除；
(3)電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜以對數(shù)
權(quán)利要求
1.一種電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜的方法，其特征是(1)取料、預(yù)處理首先取鋁、鈣含量高的純度為98. 5%-99. 9%冶金級多晶硅，將其清洗烘干后置于電子束熔煉爐中的坩堝內(nèi)，抽取電子束熔煉爐真空至2X10-2Pa以下； (2)電子束熔煉蒸發(fā)除雜電子槍預(yù)熱后，啟動電子槍，以400-700mA的束流轟擊多晶硅，至全部熔化，形成熔池，不斷移動電子束的束斑，使之能夠較均勻的熔煉硅熔體，持續(xù)熔煉 30_60min ； (3)電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜然后采用對數(shù)降束的方式降低電子束的束流，待電子束束流降低到100-150mA時，停止降束，熔體緩慢凝固形成鑄錠，關(guān)閉束流，待爐體冷卻25-40分鐘后打開爐門，取出鑄錠，將鑄錠頂部中心鋁和鈣含量較高的尖狀突起切除，即可得到低招、低I丐的多晶娃鑄淀。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜的方法，其特征是所述具體步驟如下 (1)取料、預(yù)處理選取雜質(zhì)鋁、鈣含量較高的冶金級硅作為原料，其中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.5%-99. 9%，將原料破碎成小塊，置于分析純酒精中超聲波震蕩清洗，去除表面殘留的油污和灰塵；已清洗的硅料經(jīng)烘干處理后置于電子束熔煉爐中的水冷銅坩堝內(nèi)；用機(jī)械泵、羅茨泵和擴(kuò)散泵抽爐體真空至2X 10-2Pa以下； (2)電子束熔煉蒸發(fā)除雜啟動電子槍，設(shè)置高壓為30kV、以束流400-700mA轟擊多晶硅料表面，電子束與硅直接作用區(qū)首先發(fā)生熔化，然后熔池迅速擴(kuò)大，至全部硅料都形成熔池，此后不斷地移動電子束的束斑，使之能夠較均勻的熔煉硅熔體，持續(xù)熔煉30-60min，部分雜質(zhì)鋁、鈣在電子束高溫作用下蒸發(fā)去除； (3 ) 電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜以對數(shù)的速度降低電子束的束流，硅熔體將以線性方式進(jìn)行定向凝固，雜質(zhì)向熔體頂部富集，待電子束束流降低到100-150mA時，停止降束，熔體緩慢凝固形成鑄錠，關(guān)閉束流，待爐體冷卻30分鐘后打開爐門，取出鑄錠，將鑄錠頂部中心位置的鋁和鈣含量較高的尖狀突起切除，即可得到低鋁、低鈣的多晶硅鑄錠。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2任一所述的一種電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜的方法，其特征是所述鋁、鈣含量高的多晶硅是指其中鋁60-120ppmw，鈣25-50ppmw。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2任一所述的一種電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜的方法，其特征是所述低招、低I丐的多晶娃鑄錠是指其中招含量低于O. 13ppmw,|丐含量低于O. 18ppmw。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2任一所述的一種電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜的方法，其特征是所述電子束的光斑形態(tài)設(shè)置為圓形。
全文摘要
本發(fā)明屬于多晶硅提純的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用電子束誘導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行定向凝固除雜的方法。該方法首先取鋁、鈣含量高的冶金級多晶硅，將其清洗烘干后置于坩堝內(nèi)，抽取真空后啟動電子槍，以400-700mA的束流轟擊多晶硅，至全部熔化，形成熔池，持續(xù)熔煉30-60min；然后采用對數(shù)降束的方式降低電子束的束流，待電子束束流降低到100-150mA時，停止降束，熔體緩慢凝固形成鑄錠，關(guān)閉束流，可得到低鋁、低鈣的多晶硅鑄錠。本發(fā)明充分利用了雜質(zhì)在硅中的蒸發(fā)效應(yīng)和分凝效應(yīng)，實現(xiàn)了電子束熔煉蒸發(fā)與定向凝固兩種除雜方式的優(yōu)勢互補(bǔ)，保證了一次熔煉后雜質(zhì)鋁和鈣可以被去除到滿足太陽能電池性能要求的程度，減少了工藝環(huán)節(jié)，降低了能耗，有利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。
文檔編號C01B33/037GK102786059SQ20121028997
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月15日
發(fā)明者姜大川, 石爽, 譚毅, 郭校亮 申請人:大連理工大學(xué)