CN103420379B - 电子束连续化熔炼制备太阳能级多晶硅的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于多晶硅提纯领域，具体涉及一种电子束连续化熔炼制备太阳能级多晶硅的方法及其装置，本发明打破了传统的电子束熔炼模式，在熔化坩埚的熔化池内只进行熔化和初步的电子束熔炼，而在导流区域内进行集中的电子束熔炼，由于硅液能够在导流区域内铺散，比表面积增大，因此电子束熔炼效果更好，由于导流区域是向下倾斜的构造，经熔炼提纯后的硅液流入凝固坩埚内，在凝固坩埚内进行堆积，最后取出。本发明的优点在于：在熔炼过程中实现连续化除磷的目的，并且电子束熔炼提纯效果更好，得到的硅锭磷含量低于0.000035%。采用该方法和装置，生产效率能够提高20%左右，整个生产过程中的能量消耗减少20%以上。

Description

电子束连续化熔炼制备太阳能级多晶硅的方法及其装置

技术领域

本发明属于多晶硅提纯领域，具体涉及一种电子束连续化熔炼制备太阳能级多晶硅的方法及其装置。

背景技术

目前，我国已成为世界能源生产和消费大国，但人均能源消费水平还很低。随着经济和社会的不断发展，我国能源需求将持续增长，针对目前的能源紧张状况，世界各国都在进行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促进可再生能源的开发和应用，减少对进口石油的依赖，加强能源安全。

作为可再生能源的重要发展方向之一的太阳能光伏发电近年来发展迅猛，其所占比重越来越大。根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，中国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW。预计到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。预计2030年之前，中国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。

太阳能光伏产业的发展依赖于对多晶硅原料的提纯。多晶硅原料的提纯工艺目前主要依赖以下几种工艺：西门子法、硅烷法、气体流化床法和冶金法。冶金法制备太阳能级多晶硅技术作为发展低成本、环境友好的太阳能级多晶硅制备技术的必经之路，目前已经取得了长足发展，并实现了工业化生产。冶金法提纯多晶硅是指采用物理冶金手段，在硅不参与发生化学反应的情况下，依次去除硅中的各种杂质元素(磷、硼及金属)的方法，它不是单一的制备方法，而是一种集成法，主要利用饱和蒸汽压原理、偏析原理及氧化性差异原理，分别采用不同的工艺方法，来去除硅中的杂质元素，从而得到满足太阳能多晶硅纯度要求的硅料。例如，利用介质熔炼技术去除硅中的硼杂质，利用定向凝固去除硅中的金属杂质，利用电子束熔炼技术去除硅中的磷杂质，将三种熔炼工艺集成为一条工艺路线，经过三种工艺过程，从而得到太阳能级多晶硅。

电子束熔炼技术，作为冶金法工艺流程中的重要组成部分，能够有效去除硅中的高饱和蒸汽压杂质，如磷。但目前，典型的电子束熔炼工艺为单炉熔炼，即向熔炼坩埚内添加原料，在真空条件下利用电子束进行熔炼，熔炼过程中去除硅中的磷杂质，熔炼一定时间后，关闭电子束，进行硅料的凝固，冷却后，开炉取出低磷的多晶硅铸锭。或采用倾倒式熔炼方法，即利用加料机构向熔炼坩埚内添加一定质量硅原料，利用电子束熔炼，熔炼完成后，将硅液倾倒到凝固坩埚内，倾倒完毕后，将熔炼坩埚复位，重新利用加料机构向熔炼坩埚内添加原料，再次进行熔炼、倾倒过程，反复进行多次，当凝固坩埚注满后，停止熔炼过程，进行冷却，最终得到满足纯度要求的多晶硅铸锭，这其实仍然是一种电子束单炉熔炼的方法。由于目前的这种工艺，涉及到硅料的添加、倾倒、反复熔化等过程，降低了生产效率，同时造成大量的能量损失。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提出一种电子束连续化熔炼制备太阳能级多晶硅的方法及其装置，能够更加高效地去除硅中的磷杂质元素，同时，降低生产过程中的总能耗。

本发明所述的一种电子束连续化熔炼制备太阳能级多晶硅的方法，对电子束熔炼炉进行抽真空，然后通过送料机构向带有水冷的熔化坩埚内持续送料，通过熔化用电子枪对硅料进行熔化，不断增加的硅液达到熔化坩埚口时，通过导流的方式流入到电子束熔炼炉内的凝固坩埚，在导流区域内通过熔炼用电子枪进行电子束熔炼，当凝固坩埚达到承载量之后，停止送料机构送料，关闭熔化用电子枪和熔炼用电子枪，将凝固坩埚中的硅锭取出即可。

优选按照以下步骤进行：

（1）备料：将已经经过电子束熔炼提纯后的硅料放入凝固坩埚内底部作为凝固底料；将待电子束熔炼的硅料放入送料机构，并放入熔化坩埚底部作为熔化底料；

（2）预处理：对电子束熔炼炉及熔化坩埚开启冷却水循环，对电子束熔炼炉内进行抽真空处理，抽至0.005Pa以下，并对熔化用电子枪和熔炼用电子枪抽真空处理，抽至0.0005Pa以下，然后进行预热，将灯丝电流设置为800mA，预热15min后，关闭预热；

（3）熔炼提纯：开启熔化用电子枪和熔炼用电子枪，设定功率均为250kw，开启熔化用电子枪的电子束发射，控制熔化用电子枪的电子束能量分布，使熔化坩埚内的熔化底料熔化成硅液，然后启动送料机构，持续向熔化坩埚内加硅料，当熔化形成的硅液液面上升至熔化坩埚口时，进入导流区域，此时开启熔炼用电子枪的电子束发射，控制熔炼用电子枪的电子束能量分布，对导流区域内的硅液进行电子束熔炼提纯，最后经导流后流入凝固坩埚内，当凝固坩埚达到承载量之后，停止送料机构送料，关闭熔化用电子枪和熔炼用电子枪，经冷却降温至200℃以下，关闭真空系统，向电子束熔炼炉内充气后开炉取出凝固坩埚中的硅锭。

本发明所述的电子束连续化熔炼制备太阳能级多晶硅的装置，包括炉体，炉体内上部设置带有水冷的熔化坩埚，该熔化坩埚一侧带有凹形熔化池，熔化池口至熔化坩埚的另一侧为向下倾斜的导流区域；位于熔化坩埚上方的炉体顶部通连有熔化用电子枪和熔炼用电子枪，位于熔化坩埚的熔化池一侧的炉体侧壁通连有送料机构，该送料机构的出料口位于熔化池上方；导流区域的倾泻口下方的炉体底部设置有凝固坩埚。

其中，熔化坩埚优选为带有水冷的铜坩埚。采用铜坩埚是充分考虑到铜材料自身优异的导热性，从而防止电子束能量过高对熔化坩埚造成损害。

凝固坩埚优选为带有水冷的铜坩埚。对于凝固坩埚本身来说，即可以采用石墨坩埚，也可以采用石英坩埚，但是在浇铸时，容易破碎，利用带有水冷的铜坩埚，其冷却能力较强，冷却时间较短，同时能够反复使用，整体成本较低。而且不易损坏。

导流区域内优选开设有导流凹槽，增加导流凹槽可以使硅液流动方向更加集中，便于熔炼用电子枪对其电子束熔炼。

在本发明中，打破了传统的电子束熔炼模式，在熔化坩埚的熔化池内只进行熔化和初步的电子束熔炼，而在导流区域内进行集中的电子束熔炼，由于硅液能够在导流区域内铺散，比表面积增大，因此电子束熔炼效果更好，由于导流区域是向下倾斜的构造，经熔炼提纯后的硅液流入凝固坩埚内，在凝固坩埚内进行堆积，一般选用较大尺寸的凝固坩埚，方便一次电子束熔炼工艺达到更大的单炉产量。

本发明的优点在于：与传统电子束熔炼工艺相比，该方法和装置实现了连续化熔炼多晶硅的目的，在熔炼过程中实现连续化除磷的目的，并且电子束熔炼提纯效果更好，得到的硅锭磷含量低于0.000035%。采用该方法和装置，生产效率能够提高20%左右，整个生产过程中的能量消耗减少20%以上。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1、炉体2、熔化坩埚3、熔化用电子枪4、熔炼用电子枪5、送料机构6、凝固坩埚。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，电子束连续化熔炼制备太阳能级多晶硅的装置，包括炉体1，炉体1内上部设置带有水冷的熔化坩埚2，该熔化坩埚2一侧带有凹形熔化池，熔化池口至熔化坩埚2的另一侧为向下倾斜的导流区域；位于熔化坩埚2上方的炉体1顶部通连有熔化用电子枪3和熔炼用电子枪4，位于熔化坩埚2的熔化池一侧的炉体1侧壁通连有送料机构5，该送料机构5的出料口位于熔化池上方；导流区域的倾泻口下方的炉体1底部设置有凝固坩埚6。

其中，熔化坩埚2为带有水冷的铜坩埚。采用铜坩埚是充分考虑到铜材料自身优异的导热性，从而防止电子束能量过高对熔化坩埚2造成损害。

凝固坩埚6为带有水冷的铜坩埚。对于凝固坩埚6本身来说，即可以采用石墨坩埚，也可以采用石英坩埚，但是在浇铸时，容易破碎，利用带有水冷的铜坩埚，其冷却能力较强，冷却时间较短，同时能够反复使用，整体成本较低。而且不易损坏。

导流区域内开设有导流凹槽，增加导流凹槽可以使硅液流动方向更加集中，同时，硅液在导流槽内较浅，比表面积增大，因此电子束熔炼效果更好，便于熔炼用电子枪4对其电子束熔炼。

实施例2：

采用实施例1所述的装置，进行电子束连续化熔炼制备太阳能级多晶硅，按照以下步骤进行：

（1）备料：将500kg磷含量为0.005%的硅料，利用清洗设备清洗，清除表面的灰尘、油渍，放入烘干箱内，在80℃温度下烘干。将烘干后的硅料分别放入送料机构5的料箱及熔化坩埚2内，其中，熔化坩埚2内放5kg，作为熔化底料，同时在凝固坩埚6内放入10kg已经经过电子束熔炼提纯后的硅料，作为凝固底料；

（2）预处理：将装置合炉，对电子束熔炼炉、熔化坩埚2和凝固坩埚6开启冷却水循环，开启电子束熔炼炉的真空系统，首先利用电子束熔炼炉的真空系统机械泵及罗茨泵将炉内真空抽至10Pa以下，然后启动扩散泵，将炉内真空抽至0.005Pa以下。与此同时，启动熔化用电子枪3和熔炼用电子枪4的真空系统的机械泵、罗茨泵及分子泵，将熔化用电子枪3和熔炼用电子枪4真空抽至0.0005Pa以下，然后进行预热，将灯丝电流设置为800mA，预热15min后，关闭预热；

（3）熔炼提纯：开启熔化用电子枪3和熔炼用电子枪4，设定功率均为250kw，缓慢增加功率至250kw，开启熔化用电子枪3的电子束发射，控制熔化用电子枪3的电子束能量分布，使熔化坩埚2内的熔化底料熔化成硅液，熔化10min后，然后启动送料机构5，按照2.5kg/min的填料速度持续向熔化坩埚2内加硅料，当熔化形成的硅液液面上升至熔化池口时，进入导流区域的导流凹槽，此时开启熔炼用电子枪4的电子束发射，控制熔炼用电子枪4的电子束能量分布，对导流区域内的硅液进行电子束熔炼提纯，最后经导流后流入凝固坩埚6内，当凝固坩埚6达到承载量之后，停止送料机构5送料，关闭熔化用电子枪3和熔炼用电子枪4，经冷却降温至200℃，关闭真空系统，向电子束熔炼炉内充气后开炉，取出凝固坩埚6中的硅锭，从而得到电子束熔炼提纯后的硅锭。经检测，得到的硅锭的磷含量为0.000028%。

Claims (5)

1.一种电子束连续化熔炼制备太阳能级多晶硅的方法，其特征在于对电子束熔炼炉进行抽真空，熔化坩埚内预存有熔化底料，通过熔化用电子枪对硅料进行熔化，底料熔化为硅液后，通过送料机构向带有水冷的熔化坩埚内持续送料，不断增加的硅液达到熔化坩埚口时，通过导流的方式流入到电子束熔炼炉内的凝固坩埚，凝固坩埚内预存有经过电子束提纯后的底料，在导流区域内通过熔炼用电子枪进行电子束熔炼，当凝固坩埚达到承载量之后，停止送料机构送料，关闭熔化用电子枪和熔炼用电子枪，将凝固坩埚中的硅锭取出即可。

2.根据权利要求1所述的电子束连续化熔炼制备太阳能级多晶硅的方法，其特征在于按照以下步骤进行：

(1)备料：将已经经过电子束熔炼提纯后的硅料放入凝固坩埚内底部作为凝固底料；将待电子束熔炼的硅料放入送料机构，并放入熔化坩埚底部作为熔化底料；

(2)预处理：对电子束熔炼炉以及熔化坩埚开启冷却水循环，对电子束熔炼炉内进行抽真空处理，抽至0.005Pa以下，并对熔化用电子枪和熔炼用电子枪抽真空处理，抽至0.0005Pa以下，然后进行预热，将灯丝电流设置为800mA，预热15min后，关闭预热；

(3)熔炼提纯：开启熔化用电子枪和熔炼用电子枪，设定功率均为250kw，开启熔化用电子枪的电子束发射，控制熔化用电子枪的电子束能量分布，使熔化坩埚内的熔化底料熔化成硅液，然后启动送料机构，持续向熔化坩埚内加硅料，当熔化形成的硅液液面上升至熔化坩埚口时，进入导流区域，此时开启熔炼用电子枪的电子束发射，控制熔炼用电子枪的电子束能量分布，对导流区域内的硅液进行电子束熔炼提纯，最后经导流后流入凝固坩埚内，当凝固坩埚达到承载量之后，停止送料机构送料，关闭熔化用电子枪和熔炼用电子枪，经冷却降温至200℃以下，关闭真空系统，向电子束熔炼炉内充气后开炉取出凝固坩埚中的硅锭。

3.一种权利要求1所述电子束连续化熔炼制备太阳能级多晶硅的方法所使用的装置，包括炉体，其特征在于炉体内上部设置带有水冷的熔化坩埚，该熔化坩埚一侧带有凹形熔化池，熔化池口至融化坩埚的另一侧为向下倾斜的导流区域，导流区域内开设有导流凹槽；位于熔化坩埚上方的炉体顶部通连有熔化用电子枪和熔炼用电子枪，位于熔化坩埚的熔化池一侧的炉体侧通连有送料机构，该送料机构的出料口位于熔化池上方；导流区域的倾泻口下方的炉体底部设置有凝固坩埚。

4.根据权利要求3所述的电子束连续化熔炼制备太阳能级多晶硅的方法所使用的装置，其特征在于熔化坩埚为带有水冷的铜坩埚。

5.根据权利要求3所述的电子束连续化熔炼制备太阳能级多晶硅的方法所使用的装置，其特征在于凝固坩埚为带有水冷的铜坩埚。