CN102424388A - 一种太阳能级多晶硅脱金属杂质的方法 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能级多晶硅脱金属杂质的方法，其特征包括以下工艺步骤：（1）选择原材料为粒径是5～100mm的金属硅，金属硅的纯度为99％以上，其中金属杂质含量为700ppm；（2）开启高真空感应炉的真空系统；（3）将占石墨坩埚容量1/10的金属硅装入位于高真空感应炉内的石墨坩埚中，开启高频感应电源将金属硅熔化；4）待此硅料熔化后使硅液温度保持在1560～1600℃，投入剩余的金属硅至炉内的石墨坩埚中进行熔化成为硅熔体；（5）当硅熔体达到坩埚容积的3/4容积时，启动定向拉棒装置，通过定向拉制脱除硅中的金属杂质，成为硅棒；（6）将硅棒的尾部杂质聚集的部分切除，得到脱金属杂质提纯后的多晶硅。本发明的成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能级多晶硅脱金属杂质的方法，特别是涉及一种采用定向拉棒去除金属杂质的多晶硅脱金属的提纯方法。
背景技术
能源短缺和环境污染是当前经济发展面临的两大问题，制约着经济和社会的发展。常规化石燃料资源在地球中的储量是有限的，随着大规模工艺开采和不断增长的能源消费需求，全球的化石燃料资源正在加速枯竭，全世界都面临着化石能源资源日益枯竭的巨大压力。
而取之不尽、用之不竭的太阳能，将在本世纪中叶成为我国的重要能源。作为21世纪最有潜力的能源，太阳能产业的发展潜力巨大。太阳能产业是新兴的朝阳行业，中国科学院党组批准启动实施太阳能行动计划，该计划以2050年前后太阳能作为重要能源为远景目标，并确定了2015年分布式利用、2025年替代利用、2035年规模利用三个阶段目标。
中国太阳能资源丰富，全国三分之二的国土面积年日照小时数在2200小时以上，沙漠面积大，具有发展太阳能的巨大潜力。可建造“沙漠电站”，起到发电与沙漠治理之功效。在海南，也在制定太阳能利用和太阳能发电建设总体规划，打造“太阳能光伏岛”。这一系列举措为中国减少对煤炭、石油等不可再生能源的依赖带来了新的希望。
2009年乃至今后全球的光伏市场重点将从欧洲转向美国，奥巴马新政开启全球最大市场，这无疑给金融危机下的光伏产业带来十足的利好。今后5年内，仅美国市场的太阳能发电设备需求量将是2007年全年增量的5.8倍。这将是非常大的市场需求，会给新能源行业带来巨大的变化。从目前美国的太阳能发电设备的产能看，自给率仅为70%，装机量占全球的比例仅为8%，因此从中长期看，美国市场的启动必然对包括中国太阳能企业在内的全球市场形成巨大拉动。
同样在今后的几年里，国内也将开启巨大的光伏市场。光伏发电作为重要战略能源将在国家政策的大力支持下稳步发展。
国内太阳能电池的增长远远超过世界太阳能电池发展的水平。这种快速的增长是由于国内外对光伏发电的迫切需求，各国对太阳能发电的补贴政策相继出台，我国的可再生能源促进法的通过及上网标杆电价的明确都将进一步促进太阳能光伏发电的迅猛发展。
从市场角度来说，中国太阳能发电的成本较德国和日本等成熟市场偏高。因此，在我国开展低成本、无污染的太阳能级多晶硅物理法提纯技术旨在降低太阳能级多晶硅生产成本，从而降低太阳能电池制造成本，促进太阳能光伏产业的发展，普及太阳能的利用，无疑是一个重要的技术决策方向。
关于太阳能级多晶硅必须满足的纯度要求，目前能够为行业所认同的杂质含量范围为：P在0.1ppm以下，B在0.3ppm以下，Al、Fe、Ca等金属杂质总含量小于0.05ppm。
对于金属杂质Fe、Al、Ti、Zn等，由于其在硅中的分凝系数比较大，因此通过严格的定向凝固可以达到很好的去除效果，基本可以满足太阳能电池的需求。定向凝固技术提纯太阳能级硅的基本原理是利用杂质元素在固相和液相中的分凝效应达到提纯的目的。
上面提到的定向凝固除金属杂质提纯技术有一定的局限性，如中国专利CN101343063提到的将定向凝固后的硅锭切去上部金属杂质含量高的部分，得到提纯的太阳能级多晶硅。中国专利CN101585536提到的经定向凝固后所得到的硅锭为原料，切除硅锭表皮与头尾部后，进入下一步骤的提纯工艺。由于定向凝固金属杂质排向锭的上表面，锭的其余五个面也与坩埚直接接触，在后道的选料过程中也要不同程度的去除掉。这样就造成了硅料的浪费，提纯得到的太阳能级多晶硅良品率大打折扣。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述已有技术制造多晶硅脱金属的难题，提供一种采用定向拉棒去除金属杂质的多晶硅脱金属提纯方法。
本发明的多晶硅脱金属的提纯方法，包括以下工艺步骤：
（1）选择金属硅为原材料；
（2）开启高真空感应炉的真空系统，依次开启前级机械泵及高性能扩散泵使炉室内达到高真空状态；
（3）将占石墨坩埚容量1/10的金属硅装入位于高真空感应炉内的石墨坩埚中，开启高频感应电源将金属硅熔化；
（4）待此硅料熔化后使硅液温度保持在1560～1600℃，开启硅料连续送料装置，投料至炉内的石墨坩埚中进行熔化；
（5）当硅熔体达到坩埚一定容积时，将启动定向拉棒装置，通过定向拉制脱除硅中的金属杂质；
（6）将定向拉制的硅棒的尾部杂质聚集的部分切除后得到脱金属提纯后的多晶硅。
在步骤（1）中，所述的金属硅的粒径是5～100mm，金属硅的纯度为99％（2N）以上，其中金属杂质含量（Fe、Al、Ca、Ti等）为700ppm。
在步骤（2）中，所述的高真空是指控制在1.2×10－3～2.4×10－3Pa。
在步骤（3）中，所述的高频感应电源功率最好为200～240KW。
在步骤（4）中，所述的连续送料装置是指能连续地将金属硅送入高真空熔室内进行脱金属提纯。
在步骤（5）中，所述的达到坩埚一定容积最好是达到坩埚容积的3/4。
采用本发明所述的脱金属提纯方法，可使得金属杂质的含量降低到0.05ppm以下，完全符合太阳能级多晶硅所需纯度要求。
本发明的技术要点是不同于现有的物理冶金法提纯太阳能级多晶硅的工艺方法。现有的物理冶金法脱金属的工艺通常为方法：（1）将金属硅破碎成粉状，经磁选、进入化学反应釜进行酸碱洗来实现脱金属。（2）利用金属杂质元素在固相和液相中的分凝效应采取定向凝固技术来脱金属。本发明以金属硅为原料，通过连续的多晶硅定向拉棒脱金属技术来获得低成本的太阳能级低金属杂质多晶硅的生产。由于本发明脱金属的生产过程是连续地将金属硅加入高真空炉内坩埚中，这样就大大提高了脱金属的效率。此脱金属方法不需要酸碱洗、定向凝固铸锭炉等高成本的装备，也不存在酸碱对环境造成污染的问题。本发明还可以与直拉脱磷工艺结合在一起整合成一套连续的脱磷脱金属的工艺，具有非常可观的市场前景。由于此脱磷脱金属是连续式作业，这就非常适合大规模产业化。而且利用此发明生产的6N级太阳能级多晶硅的成本远远低于目前市场上的多晶硅价格。
具体实施方式
以下给出本发明太阳能级多晶硅脱金属提纯方法具体实施例。
实施例1
采用能盛放200kg金属硅原料的石墨坩埚，称取金属杂质浓度为700ppm的原料金属硅200kg。
依次开启真空系统的前级机械泵和高性能扩散泵将炉室内真空抽至1.2×10－3Pa。开始通过送料装置送入20kg金属硅至石墨坩埚内，开启高频电源加热使硅熔化，熔体温度控制在1500℃，功率为200KW。
开启连续送料装置将剩余金属硅原料投入坩埚中，直至硅熔体体积达到石墨坩埚体积的3/4后，开始启动连续拉棒装置，整个完成脱金属过程为16小时。将硅锭冷却后从中取样检测，金属杂质含量为0.05ppm。
实施例2
工艺过程同实施例1，称取金属杂质浓度为700ppm原料金属硅200kg。采用能盛放200kg硅料的石墨坩埚。依次开启真空系统的前级机械泵和高性能扩散泵将炉室内真空抽至2.0×10－3Pa。开始通过送料装置送入20kg金属硅至石墨坩埚内，开启高频电源加热使硅熔化，熔体温度控制在1600℃，功率为220KW。开启连续送料装置将原料金属硅投入坩埚中，直至硅熔体体积达到石墨坩埚体积的3/4后，整个完成脱金属过程为20小时。将硅锭冷却后从中取样检测，金属含量为0.03ppm。
实施例3
工艺过程同实施例1，硅料中金属杂质浓度为700ppm原料金属硅300kg。采用能盛放300kg硅料的石墨坩埚。炉室内真空抽至1.0×10－3Pa。熔体温度控制在1650℃，功率为240KW。整个完成脱金属过程为24小时。将硅锭冷却后从中取样检测，金属含量为0.01ppm。
Claims (1)
1. 一种太阳能级多晶硅脱金属杂质的方法，其特征包括以下工艺步骤：
（1）选择原材料为粒径是5～100mm的金属硅，金属硅的纯度为99％以上，其中金属杂质含量为700ppm；
（2）开启高真空感应炉的真空系统，依次开启前级机械泵及高性能扩散泵使炉室内达到1.2×10－3～2.4×10－3Pa的高真空状态；
（3）将占石墨坩埚容量1/10的金属硅装入位于高真空感应炉内的石墨坩埚中，开启高频感应电源将金属硅熔化，所述的高频感应电源功率最好为200～240KW；
（4）待此硅料熔化后使硅液温度保持在1560～1600℃，开启硅料连续送料装置，投入剩余的金属硅至炉内的石墨坩埚中进行熔化成为硅熔体；
（5）当硅熔体达到坩埚容积的3/4容积时，启动定向拉棒装置，通过定向拉制脱除硅中的金属杂质，成为硅棒；
（6）将硅棒的尾部杂质聚集的部分切除，得到脱金属杂质提纯后的多晶硅。
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