CN101671025B - 一种生产p型太阳能电池用多晶硅的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生产P型太阳能电池用多晶硅的工艺，主要特点是采用以下流程步骤：选取硅原料-硅液造渣-真空直拉-光照硅液-铸锭，对传统提取多晶硅方法加以重大改进，舍弃常温浸酸(或碱)，增加光照硅液与真空直拉步骤，硅液造渣向真空直拉自动导料，与传统方法相比，具有工艺科学，流程连续，节约能源，减轻污染，设备使用寿命延长，生产安全，产品质量稳定可靠等优点。

Description

一种生产P型太阳能电池用多晶硅的工艺

技术领域

本发明属于冶炼技术领域，涉及一种生产P型太阳能电池用多晶硅的工艺。

背景技术

目前国内外生产多晶硅的方法主要是化学法和物理法。所谓化学法就是金属硅中的硅元素参加化学反应，变为硅的化合物四氯化硅或三氯氢硅，然后把硅的化合物从杂质中分离出来，最后，把硅单质还原出，生成多晶硅。其他化学法还有硅烷法和硫化床法等。国内化学法面临的问题主要是化学污染。金属硅的氢氯化，会带来有害的气体和液体，而三氯氢硅的还原，也会带来有害气体的排放，这些有害物质，不仅污染环境，而且也增加了企业的成本。由于回收的技术比较复杂，国内还没有哪个工厂能够完全进行回收的全闭环生产。总之，化学法生产多晶硅投资巨大，工艺复杂，污染隐患严重，严重影响我国太阳能电池产业的发展。

物理法就是金属硅中的硅元素不参加化学反应，而是用不同的物理方法分步去除不同的杂质而达到生产的目的，因为这一方法在很多方面与冶金炉外精炼法的方法类似，所以也称冶金法。做为太阳能电池用多晶硅材料，硅纯度达到6-7个9就可以满足要求，因此，从降低太阳能电池成本的角度，在允许的杂质范围内重点发展成本低廉的提炼方法是未来的发展方向，物理法太阳电池多晶硅就是其中最有潜力的方法之一。

具体来说，以冶金级工业硅为原料，通过不同的物理方法分步去除杂质，生产多晶硅。因为对太阳能电池来说，P、B、C、O、Fe、Cr、Ni、Cu、Zn、Ca、Mg、Al等金属元素，P、B是要严格控制的元素，所以从工业硅冶炼开始，在整个过程中，从原料挑选和工具使用上严格限制上述元素混入。

传统的生产多晶硅物理法有：以冶金级工业硅为原料，采用向硅液中吹气，除去杂质；或采用造渣静置澄清，向硅液中加入造渣剂，将硅液在保持精炼温度和熔剂覆盖条件下保持一段时间，使杂质上浮或下沉而去除；或采用常温浸酸，除去硅粉表面的铁等金属杂质；或采用在真空条件下，经过脱气、分解、挥发和脱氧达到除杂，如磷等；或采用将硅液从坩埚中倒入另一模具中，利用定向凝固形成晶锭的过程除去杂质，如铁、钛、铜等金属杂质。

现有企业一般采用上述物理法中的一种或两种以上的方法组合生产多晶硅。存在着工艺不连续，能耗高，污染环境，设备使用寿命短，生产安全隐患大，产品质量不稳定等缺陷。

发明内容

发明人在多年从事多晶硅领域的研究活动中，发现现有P型太阳能电池用多晶硅的生产方法存在着一定缺陷，经过分析和探索，目的在于提供一种生产P型太阳能电池用多晶硅的工艺，能够较好地克服现有生产P型太阳能电池用多晶硅方法存在的问题。

本发明所采取的技术方案是：一种生产P型太阳能电池用多晶硅的工艺，采用以下流程步骤：

1.选取硅原料。以冶金级工业硅为原料，选取原料中金属杂质，磷、硼杂质主要杂质含量限量指标；

2.硅液造渣分离杂质。将原料喂入中频加热炉内熔化成硅液，向硅液中添加入造渣剂，充分搅拌均匀，静止并保温，使磷硼等非金属杂质挥发或随渣上漂或沉底，与硅分离；

3.真空直拉除杂。利用直拉单晶方法，将单晶直拉炉改进，采用真空式直拉炉，将中频加热炉通过带有阀门的导管与真空式直拉炉连通，将由中频加热炉经过造渣分渣后的硅液导入真空式直拉炉加热容器内，在抽真空条件下挥发除去磷等非金属杂质；以定向籽晶为生长晶核，垂直旋转提升，拉出多晶硅过程中，使金属杂质及其它杂质留在容器残液中除去；

4.光照硅液分离杂质。采用光照真空式直拉炉，即在真空式直拉炉加热容器上方布设电光源，对导入真空式直拉炉容器内的硅液在直拉多晶硅过程中同时对硅液和籽晶进行波段光照射，使难以分离的杂质变成离子状态，有助于除去；

5.铸锭过程除杂。利用将提拉出的多晶硅棒融化，退火、冷却，定向凝固成型多晶硅锭后，经过检测切除杂质不合格部分。

经过上述步骤，生产出符合P型太阳能电池等级的多晶硅材料。

本发明采用上述技术方案和措施，对传统的生产多晶硅的方法加以重大改进，弃掉常温浸酸(或碱)除杂方法，增加光照硅液分离杂质、真空直拉除去杂质及光照与真空直拉相结合方式。

常温浸酸(或碱)除杂方法，虽然对金属杂质去除效果较好，但只能除去硅粉粒表面杂质，对于粉粒内部的杂质除杂效果不明显，而且排放废液严重污染环境，还需要加以处理；

增加采用光照硅液分离杂质步骤，就是利用光的量子作用，使杂质状态发生变化，变成离子状态，某些难以除去的杂质在某波段光的照射作用下，变成容易分离的离子，有助于更快更多地与硅分离，也弥补了弃掉浸酸(或碱)除杂步骤后的除杂效果；

增加真空直拉除杂步骤，就是利用传统的直拉单晶方法，并对单晶直拉炉加以改进，将原来向单晶直拉炉加入惰性气体改为抽真空的真空式直拉炉，使多晶硅液在真空、无杂气、光照、直拉环境条件下，利用硅和磷蒸气压不同、磷的蒸气压大的特点，可以较好地挥发除去磷；在提拉过程中金属和其它杂质留在残液中，达到超标程度集中除去；从而确保提取后的多晶硅达到或超过符合P型太阳能电池等级标准的要求。

本发明还将造渣后的硅液通过导管从中频加热炉内直接导入真空式直拉炉，不仅巧妙地利用直拉炉内负压，能自动地将高温熔化的硅液从上游容器内连续倒入下游容器，而且克服了传统工艺不连续输料，二次倒料吊装存在的安全隐患，二次熔化消耗能源，增加坩埚使用成本等缺陷。

本发明与传统的多晶硅生产方法相比，具有工艺科学，流程连续，节约能源，减轻污染，设备使用寿命延长，生产安全，产品质量稳定可靠等显著优点。

附图说明

图1表示本发明一种生产P型太阳能电池用多晶硅的工艺的工艺流程方框图；

图2表示本发明一种生产P型太阳能电池用多晶硅的工艺其中真空直拉除杂、光照硅液步骤涉及的光照真空式直拉炉结构示意图。

具体实施方式

结合附图及实施例，进一步说明本发明“一种生产P型太阳能电池用多晶硅的工艺”的具体步骤及有关设备的具体结构。

本发明一种生产P型太阳能电池用多晶硅的工艺的实施例，参见图1，采用以下流程步骤：

1.选取硅原料。以冶金级工业硅为原料，选取原料中金属杂质，磷、硼杂质主要杂质含量限量指标；金属杂质限控在100PPm以内，磷等V族元素限控在10PPm左右，硼等III族元素控制在1PPm以下；

2.硅液造渣。将原料喂入中频加热炉内熔化成硅液，向硅液中加入至少一种造渣剂，比如氧化钙，碳酸钠...等。充分搅拌均匀，静止10-30分钟，并保持温度在1500℃左右，使磷、硼和其它非金属杂质挥发或氧化，随渣上漂或沉底，与硅分离；

3.真空直拉除杂。参见图1，图2，采用真空式直拉炉(1)，利用直拉单晶方法，将单晶直拉炉改进，取消底部惰性气体排放口，将上部惰性气体进口改为抽真空口(3)，增设上游硅液导入口(2)，将中频加热炉通过带有阀门的导管(图中未示)与真空式直拉炉上游硅液导入口(2)连通，打开导管阀门，直拉炉内继续抽真空，中频加热炉经过造渣分渣后的硅液在真空条件下自动导入真空式直拉炉加热容器内；关闭导管阀门，以定向籽晶为生长晶核，垂直旋转提升，在拉出多晶硅过程中，抽真空并稳定在10^-2Torr以下，在真空状态下，磷的蒸气压大可以较好地挥发除去，金属杂质及其它杂质留在容器残液中除去；

4.光照硅液。参见图1，图2，采用光照真空式直拉炉，即在真空式直拉炉(1)的加热容器(5)上方布设电光源(4)，光波长1mm-705nm，对由上游硅液导入口(2)导入真空式直拉炉容器内的硅液在直拉多晶硅过程中协同对硅液和籽晶进行波段光照射，使金属杂质变成易分离的离子；

5.铸锭过程除杂。将上面提拉出的多晶硅棒加热熔化，经定向冷却、定向凝固成型多晶硅铸锭，对铸锭经过迁移率和电阻率检测确定杂质分布区域，切掉不合格部分，得太阳能电池等级多晶硅。

经过上述步骤，稳定地生产出纯度达到6-7个9的符合P型太阳能电池等级的多晶硅材料。

Claims (2)

1.一种生产P型太阳能电池用多晶硅的工艺，其特征是采用以下流程步骤：

1).选取硅原料，以冶金级工业硅为原料，选取原料中金属杂质，磷、硼杂质主要杂质含量限量指标；

2).硅液造渣，将原料喂入中频加热炉内熔化成硅液，向硅液中添加入造渣剂，充分搅拌均匀，静止并保温，使磷硼非金属杂质挥发或随渣上漂或沉底，与硅分离；

3).真空直拉除杂，利用直拉单晶方法，将单晶直拉炉改进，采用真空式直拉炉，将中频加热炉通过带有阀门的导管与真空式直拉炉连通，将由中频加热炉经过造渣分渣后的硅液导入真空式直拉炉加热容器内，在抽真空条件下挥发除去磷非金属杂质；以定向籽晶为生长晶核，垂直旋转提升，拉出多晶硅过程中，使金属杂质及其它杂质留在容器残液中除去；

4).光照硅液分离杂质，采用光照真空式直拉炉，即在真空式直拉炉加热容器上方布设电光源，对导入真空式直拉炉容器内的硅液在直拉多晶硅过程中同时对硅液和籽晶进行光波长1mm-705nm波段光照射，使难以分离的杂质变成离子状态，有助于除去；

5).铸锭过程除杂，利用将提拉出的多晶硅棒融化，退火、冷却，定向凝固成型多晶硅锭后，经过检测切除杂质不合格部分。

2.如权利要求1的一种生产P型太阳能电池用多晶硅的工艺，其特征是所述光照真空式直拉炉，包括直拉炉，在炉体上部设抽真空口，上游硅液导入口，在加热容器上方布设电光源。

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