電子束熔煉液態(tài)硅除氧的方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于多晶硅提純領(lǐng)域，具體涉及一種電子束熔煉液態(tài)硅除氧的方法及其裝置，本發(fā)明中打破了傳統(tǒng)的除氧模式，首先在中頻感應(yīng)裝置中進(jìn)行待除氧硅料熔化，能夠有效降低熔化所需能耗，借用導(dǎo)流槽進(jìn)行電子束除氧熔煉，由于硅液能夠在導(dǎo)流區(qū)域內(nèi)鋪散，比表面積增大，因此電子束熔煉效果更好，由于導(dǎo)流區(qū)域是向下傾斜的構(gòu)造，經(jīng)熔煉提純后的硅液流入凝固坩堝內(nèi)，在凝固坩堝內(nèi)進(jìn)行堆積，一般選用較大尺寸的凝固坩堝，方便一次電子束熔煉工藝達(dá)到更大的單爐產(chǎn)量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于提出了電子束除氧的工藝方法和用途，解決了多晶硅中雜質(zhì)氧去除的難題，氧含量可以降低于0.0571ppmw以下，滿足太陽能電池對(duì)多晶硅鑄錠含氧量的要求。
【專利說明】電子束熔煉液態(tài)硅除氧的方法及其裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于多晶硅提純領(lǐng)域，具體涉及一種電子束熔煉液態(tài)硅除氧的方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國已成為世界能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國，但人均能源消費(fèi)水平還很低。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，我國能源需求將持續(xù)增長，針對(duì)目前的能源緊張狀況，世界各國都在進(jìn)行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促進(jìn)可再生能源的開發(fā)和應(yīng)用，減少對(duì)進(jìn)口石油的依賴，加強(qiáng)能源安全。 [0003]作為可再生能源的重要發(fā)展方向之一的太陽能光伏發(fā)電近年來發(fā)展迅猛，其所占比重越來越大。根據(jù)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，中國力爭使太陽能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1.8GW (百萬千瓦)，到2050年將達(dá)到600GW。預(yù)計(jì)到2050年，中國可再生能源的電力裝機(jī)將占全國電力裝機(jī)的25%，其中光伏發(fā)電裝機(jī)將占到5%。預(yù)計(jì)2030年之前，中國太陽能裝機(jī)容量的復(fù)合增長率將高達(dá)25%以上。
[0004]太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依賴于對(duì)多晶硅原料的提純。多晶硅原料的提純工藝目前主要依賴以下幾種工藝:西門子法、硅烷法、氣體流化床法和冶金法。冶金法制備太陽能級(jí)多晶硅技術(shù)作為發(fā)展低成本、環(huán)境友好的太陽能級(jí)多晶硅制備技術(shù)的必經(jīng)之路，目前已經(jīng)取得了長足發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。冶金法提純多晶硅是指采用物理冶金手段，在硅不參與發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況下，依次去除硅中的各種雜質(zhì)元素(磷、硼及金屬)的方法，它不是單一的制備方法，而是一種集成法，主要利用飽和蒸汽壓原理、偏析原理及氧化性差異原理，分別采用不同的工藝方法，來去除硅中的雜質(zhì)元素，從而得到滿足太陽能多晶硅純度要求的娃料。
[0005]在冶金法工藝中，硅料的磷、硼、金屬等雜質(zhì)均可通過有效的工藝手段去除，達(dá)到了較理想的效果。但是，近年來，在對(duì)多晶硅太陽能電池片光電轉(zhuǎn)化效率的研究中發(fā)現(xiàn)，氧元素的含量對(duì)電池片的光電轉(zhuǎn)化效率與產(chǎn)生重要影響。但是，現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)氧元素的去除效果不佳。
[0006]在冶金法的定向凝固、鑄錠等工藝中，坩堝中的氧元素或通入氣體中的氧元素不可避免地會(huì)進(jìn)入到硅料中，是氧雜質(zhì)產(chǎn)生的主要原因。傳統(tǒng)的測試硅中氧含量的普遍方法為紅外光譜，用紅外光譜分別對(duì)高純硅料與混料(鑄鑄后的邊角料與高純料混合)進(jìn)行檢測，兩種料中氧的含量相關(guān)不大。這也導(dǎo)致了冶金法工藝中引入的氧雜質(zhì)未受到重視。
[0007]實(shí)際上，在硅中，氧元素有兩種狀態(tài):替代位，即氧代替了硅的位置；間歇位，即氧在硅原子的間隙中。傳統(tǒng)的測試硅中氧含量的紅外光譜只能檢測間歇位的氧含量，不能真實(shí)反映兩種硅料中的氧含量水平。經(jīng) 申請人:的實(shí)驗(yàn)測試，替代位的氧會(huì)釋放電子，與硅中雜質(zhì)磷產(chǎn)生的作用相似，能夠影響多晶硅電池片光電轉(zhuǎn)化效率。 申請人:通過二次離子質(zhì)譜儀多次檢測，在上述兩種硅料中，氧元素含量相差很大，主要是替代位的氧元素含量的差別。
[0008]因此，對(duì)于鑄錠等工藝中引入的雜質(zhì)氧不能忽視，必需尋求有效的手段降低硅中雜質(zhì)氧的含量。
[0009]對(duì)于氧雜質(zhì)的去除方法，檢索到發(fā)明專利CN200810070925 —種降低金屬硅中氧、碳含量的方法，該發(fā)明米用在娃液中吹入氧氣、氫氣和水蒸氣，使氫氣和氧氣在娃液中反應(yīng)產(chǎn)生局部高溫，使硅液中的氧、碳元素隨氣體排放而去除，但是該方法需要在硅熔融狀態(tài)下通入氧氣和氫氣，操作難度大，危險(xiǎn)性高，氧的去除效果不佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種電子束熔煉液態(tài)硅除氧的方法及其裝置，通過電子束熔煉的方式有效的去除多晶硅中雜質(zhì)氧，以此提高電池片的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0011]本發(fā)明所述的一種電子束熔煉液態(tài)硅除氧的方法，對(duì)電子束熔煉爐進(jìn)行抽真空，在電子束熔煉爐內(nèi)，通過中頻感應(yīng)裝置對(duì)待除氧硅料進(jìn)行熔化成硅液，然后利用翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將中頻感應(yīng)裝置中的硅液持續(xù)傾倒至帶有水冷的導(dǎo)流槽內(nèi)，通過電子槍對(duì)導(dǎo)流槽區(qū)域內(nèi)的硅液進(jìn)行熔煉除氧，硅液沿導(dǎo)流槽向下運(yùn)動(dòng)流到電子束熔煉爐內(nèi)的凝固坩堝，當(dāng)凝固坩堝達(dá)到承載量之后，停止送料機(jī)構(gòu)送料，關(guān)閉電子槍，經(jīng)冷卻后將凝固坩堝中的硅錠取出即可。
[0012]優(yōu)選按照以下步驟進(jìn)行:
[0013](I)備料:將待除氧硅料粒徑小于IOOmm的塊體，清洗烘干后裝入中頻感應(yīng)裝置內(nèi)；
[0014](2)預(yù)處理:對(duì)電子束熔煉爐及導(dǎo)流槽開啟冷卻水循環(huán)，對(duì)電子束熔煉爐內(nèi)進(jìn)行抽真空處理，抽至0.05Pa以下；并對(duì)電子槍抽真空處理，抽至0.005Pa以下，然后進(jìn)行預(yù)熱，設(shè)置電子槍束流為70~200mA，預(yù)熱電子槍10~15min后，關(guān)閉預(yù)熱；
[0015](3)熔煉提純:開啟中頻感應(yīng)裝置，功率調(diào)至150~250KW，使待除氧硅料全部熔化成娃液；關(guān)閉中頻感應(yīng)裝置，啟動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，傾斜中頻感應(yīng)裝置，使娃液持續(xù)的傾倒至導(dǎo)流槽內(nèi)，與此同時(shí)打開電子槍，設(shè)定電子束束流為200~1200mA，控制電子槍的電子束能量分布在導(dǎo)流槽的導(dǎo)流區(qū)域內(nèi)，對(duì)向下流動(dòng)的硅液進(jìn)行熔煉除氧，最后經(jīng)導(dǎo)流后流入凝固坩堝內(nèi)，當(dāng)中頻感應(yīng)裝置中的硅液全部流至凝固坩堝后，關(guān)閉電子槍，電子束熔煉爐內(nèi)部經(jīng)冷卻降溫至200°C以下，關(guān)閉真空系統(tǒng)，向電子束熔煉爐內(nèi)充氣后開爐取出凝固坩堝中的硅錠。
[0016]其中，待除氧硅料的氧含量為4~20ppmw。
[0017]本發(fā)明所述的一種電子束熔煉液態(tài)硅除氧的裝置，包括爐體，爐體內(nèi)設(shè)置有中頻感應(yīng)裝置，中頻感應(yīng)裝置底部安裝有與下爐蓋通連的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，中頻感應(yīng)裝置一側(cè)設(shè)置帶有水冷的導(dǎo)流槽，該導(dǎo)流槽自上向下傾斜；位于導(dǎo)流槽上方的爐體頂部通連有電子槍；導(dǎo)流槽的傾瀉口下方的爐體內(nèi)底部設(shè)置有凝固坩堝。
[0018]其中，中頻感應(yīng)裝置優(yōu)選包括由內(nèi)向外的石墨坩堝、感應(yīng)線圈和保溫層。
[0019]導(dǎo)流槽與水平面之間的傾斜角度優(yōu)選為5~15度。較小的傾斜角度能夠保證硅液在導(dǎo)流槽內(nèi)得到充分熔煉，保證除氧的效果。
[0020]凝固坩堝優(yōu)選為水冷銅坩堝。對(duì)于凝固坩堝本身來說，既可以采用石墨坩堝，也可以采用石英坩堝，但是在硅液向下澆鑄時(shí)，容易破碎，且容易帶來其它元素雜質(zhì)的污染；利用帶有水冷的銅坩堝，其冷卻能力較強(qiáng)，冷卻時(shí)間較短，無污染，同時(shí)能夠反復(fù)使用，整體成本較低，而且不易損壞。[0021 ] 在本發(fā)明中，打破了傳統(tǒng)的除氧模式，首先在中頻感應(yīng)裝置中進(jìn)行待除氧硅料熔化，能夠有效降低熔化所需能耗，借用導(dǎo)流槽進(jìn)行電子束除氧熔煉，由于硅液能夠在導(dǎo)流區(qū)域內(nèi)鋪散，比表面積增大，因此電子束熔煉效果更好，由于導(dǎo)流區(qū)域是向下傾斜的構(gòu)造，經(jīng)熔煉提純后的硅液流入凝固坩堝內(nèi)，在凝固坩堝內(nèi)進(jìn)行堆積，一般選用較大尺寸的凝固坩堝，方便一次電子束熔煉工藝達(dá)到更大的單爐產(chǎn)量。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)提出了電子束除氧的工藝方法和用途，解決了多晶硅中雜質(zhì)氧去除的難題，除氧后的多晶硅經(jīng)二次離子質(zhì)譜(SIMS)檢測，其氧含量低于二次離子質(zhì)譜檢測極限，即低于0.0571ppmw，滿足太陽能電池對(duì)多晶硅鑄錠含氧量的要求；(2)多晶硅料高效帶狀除氧技術(shù)可增大硅液表面積30%以上，縮短除氧時(shí)間20%以上；(3)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率35%以上；(4)中頻感應(yīng)裝置的加入，可節(jié)約電能10%以上，縮短熔化時(shí)間20%以上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖中:1、爐體 2、石墨坩堝 3、感應(yīng)線圈4、保溫層 5、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 6、導(dǎo)流槽
7、電子槍8、凝固坩堝。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0026]實(shí)施例1:
[0027]如圖1所示，一種電子束熔煉液態(tài)硅除氧的裝置，包括爐體1，爐體I內(nèi)設(shè)置有中頻感應(yīng)裝置，中頻感應(yīng)裝置底部安裝有與下爐蓋通連的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5，中頻感應(yīng)裝置一側(cè)設(shè)置帶有水冷的導(dǎo)流槽6，該導(dǎo)流槽6自上向下傾斜；位于導(dǎo)流槽6上方的爐體I頂部通連有電子槍7 ;導(dǎo)流槽6的傾瀉口下方的爐體I內(nèi)底部設(shè)置有凝固坩堝8。
[0028]其中，中頻感應(yīng)裝置包括由內(nèi)向外的石墨坩堝2、感應(yīng)線圈3和保溫層4。
[0029]導(dǎo)流槽6與水平面之間的傾斜角度為15度。較小的傾斜角度能夠保證硅液在導(dǎo)流槽6內(nèi)得到充分熔煉，保證除氧的效果。
[0030]凝固坩堝8為水冷銅坩堝。對(duì)于凝固坩堝8本身來說，既可以采用石墨坩堝，也可以采用石英坩堝，但是在硅液向下澆鑄時(shí)，容易破碎，且容易帶來其它元素雜質(zhì)的污染；利用帶有水冷的銅坩堝，其冷卻能力較強(qiáng)，冷卻時(shí)間較短，無污染，同時(shí)能夠反復(fù)使用，整體成本較低，而且不易損壞。
[0031]實(shí)施例2:
[0032]采用實(shí)施例1所述的裝置，進(jìn)行電子束熔煉液態(tài)硅除氧，按照以下步驟進(jìn)行:
[0033](1)備料:將氧含量為IOppmw待除氧硅料破碎成粒徑小于IOOmm的塊體，清洗烘干后裝入中頻感應(yīng)裝置內(nèi)；
[0034](2)預(yù)處理:對(duì)電子束熔煉爐及導(dǎo)流槽6開啟冷卻水循環(huán)，對(duì)電子束熔煉爐內(nèi)進(jìn)行抽真空處理，抽至0.05Pa以下；并對(duì)電子槍7抽真空處理，抽至0.005Pa以下，然后進(jìn)行預(yù)熱，設(shè)置電子槍7束流為70mA，預(yù)熱IOmin后，關(guān)閉預(yù)熱；
[0035](3)熔煉提純:開啟中頻感應(yīng)裝置，功率調(diào)至150KW，使待除氧硅料全部熔化成硅液；關(guān)閉中頻感應(yīng)裝置，啟動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5，傾斜中頻感應(yīng)裝置，使硅液持續(xù)的傾倒至導(dǎo)流槽6內(nèi)，與此同時(shí)打開電子槍7，設(shè)定電子束束流為800mA，控制電子槍7的電子束能量分布在導(dǎo)流槽6的導(dǎo)流區(qū)域內(nèi)，對(duì)向下流動(dòng)的硅液進(jìn)行熔煉除氧，最后經(jīng)導(dǎo)流后流入凝固坩堝8內(nèi)，當(dāng)中頻感應(yīng)裝置中的硅液全部流至凝固坩堝8后，關(guān)閉電子槍7，電子束熔煉爐內(nèi)部經(jīng)冷卻降溫至200°C以下，關(guān)閉真空系統(tǒng)，向電子束熔煉爐內(nèi)充氣后開爐取出凝固坩堝8中的硅錠。除氧后的多晶硅經(jīng)二次離子質(zhì)譜(SIMS)檢測，其氧含量低于二次離子質(zhì)譜檢測極限，即低于 0.0571ppmw。
[0036]實(shí)施例3:
[0037]采用實(shí)施例1所述的裝置，進(jìn)行電子束熔煉液態(tài)硅除氧，按照以下步驟進(jìn)行:
[0038](I)備料:將氧含量為20ppmw待除氧硅料破碎成粒徑小于IOOmm的塊體，清洗烘干后裝入中頻感應(yīng)裝置內(nèi)；
[0039](2)預(yù)處理:對(duì)電子束熔煉爐及導(dǎo)流槽6開啟冷卻水循環(huán)，對(duì)電子束熔煉爐內(nèi)進(jìn)行抽真空處理，抽至0.05Pa以下；并對(duì)電子槍7抽真空處理，抽至0.005Pa以下，然后進(jìn)行預(yù)熱，設(shè)置電子槍7束流為200mA，預(yù)熱15min后，關(guān)閉預(yù)熱；
[0040](3)熔煉提純:開啟中頻感應(yīng)裝置，功率調(diào)至250KW，使待除氧硅料全部熔化成硅液；關(guān)閉中頻感應(yīng)裝置，啟動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5，傾斜中頻感應(yīng)裝置，使硅液持續(xù)的傾倒至導(dǎo)流槽6內(nèi)，與此同時(shí)打開電子槍7，設(shè)定電子束束流為1200mA，控制電子槍7的電子束能量分布在導(dǎo)流槽6的導(dǎo)流區(qū)域內(nèi)，對(duì)向下流動(dòng)的硅液進(jìn)行熔煉除氧，最后經(jīng)導(dǎo)流后流入凝固坩堝8內(nèi)，當(dāng)中頻感應(yīng)裝置中的硅液全部流至凝固坩堝8后，關(guān)閉電子槍7，電子束熔煉爐內(nèi)部經(jīng)冷卻降溫至200°C以下，關(guān)閉真空系統(tǒng)，向電子束熔煉爐內(nèi)充氣后開爐取出凝固坩堝8中的硅錠。除氧后的多晶硅經(jīng)二次離子質(zhì)譜(SIMS)檢測，其氧含量低于二次離子質(zhì)譜檢測極限，即低于 0.0571ppmw。
【權(quán)利要求】
1.一種電子束熔煉液態(tài)硅除氧的方法，其特征在于對(duì)電子束熔煉爐進(jìn)行抽真空，在電子束熔煉爐內(nèi)，通過中頻感應(yīng)裝置對(duì)待除氧硅料進(jìn)行熔化成硅液，然后利用翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將中頻感應(yīng)裝置中的硅液持續(xù)傾倒至帶有水冷的導(dǎo)流槽內(nèi)，通過電子槍對(duì)導(dǎo)流槽區(qū)域內(nèi)的硅液進(jìn)行熔煉除氧，硅液沿導(dǎo)流槽向下運(yùn)動(dòng)流到電子束熔煉爐內(nèi)的凝固坩堝，當(dāng)凝固坩堝達(dá)到承載量之后，停止送料機(jī)構(gòu)送料，關(guān)閉電子槍，經(jīng)冷卻后將凝固坩堝中的硅錠取出即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束熔煉液態(tài)硅除氧的方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行: (I)備料:將待除氧硅料粒徑小于100_的塊體，清洗烘干后裝入中頻感應(yīng)裝置內(nèi)； (2 )預(yù)處理:對(duì)電子束熔煉爐及導(dǎo)流槽開啟冷卻水循環(huán)，對(duì)電子束熔煉爐內(nèi)進(jìn)行抽真空處理，抽至0.05Pa以下；并對(duì)電子槍抽真空處理，抽至0.005Pa以下，然后進(jìn)行預(yù)熱，設(shè)置電子槍束流為70~200mA，預(yù)熱電子槍10~15min后，關(guān)閉預(yù)熱； (3)熔煉提純:開啟中頻感應(yīng)裝置，功率調(diào)至150~250KW，使待除氧硅料全部熔化成硅液；關(guān)閉中頻感應(yīng)裝置，啟動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，傾斜中頻感應(yīng)裝置，使娃液持續(xù)的傾倒至導(dǎo)流槽內(nèi)，與此同時(shí)打開電子槍，設(shè)定電子束束流為200~1200mA，控制電子槍的電子束能量分布在導(dǎo)流槽的導(dǎo)流區(qū)域內(nèi)，對(duì)向下流動(dòng)的硅液進(jìn)行熔煉除氧，最后經(jīng)導(dǎo)流后流入凝固坩堝內(nèi)，當(dāng)中頻感應(yīng)裝置中的硅液全部流至凝固坩堝后，關(guān)閉電子槍，電子束熔煉爐內(nèi)部經(jīng)冷卻降溫至200°C以下，關(guān)閉真空系統(tǒng)，向電子束熔煉爐內(nèi)充氣后開爐取出凝固坩堝中的硅錠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束熔煉液態(tài)硅除氧的方法，其特征在于待除氧硅料的氧含量為4~20ppmw。
4.一種權(quán)利要求1所述的電子束熔煉液態(tài)硅除氧的裝置，包括爐體，其特征在于爐體內(nèi)設(shè)置有中頻感應(yīng)裝置，中頻感應(yīng)裝置底部安裝有與下爐蓋通連的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，中頻感應(yīng)裝置一側(cè)設(shè)置帶有水冷的導(dǎo)流槽，該導(dǎo)流槽自上`向下傾斜；位于導(dǎo)流槽上方的爐體頂部通連有電子槍；導(dǎo)流槽的傾瀉口下方的爐體內(nèi)底部設(shè)置有凝固坩堝。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電子束熔煉液態(tài)硅除氧的裝置，其特征在于中頻感應(yīng)裝置包括由內(nèi)向外的石墨坩堝、感應(yīng)線圈和保溫層。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電子束熔煉液態(tài)硅除氧的裝置，其特征在于導(dǎo)流槽與水平面之間的傾斜角度為5~15度。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電子束熔煉液態(tài)硅除氧的裝置，其特征在于凝固坩堝為水冷銅坩堝。
【文檔編號(hào)】C01B33/037GK103738965SQ201310598276
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】譚毅, 姜大川, 安廣野, 郭校亮, 王登科 申請人:青島隆盛晶硅科技有限公司