CN106115713A

CN106115713A - 一种硅的提纯方法及提纯包

Info

Publication number: CN106115713A
Application number: CN201610441219.4A
Authority: CN
Inventors: 高文秀; 赵百通; 李帅
Original assignee: JIANGSU ANGHUA PHOTOTVALTAIC ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH CENTRAL Co Ltd
Current assignee: JIANGSU ANGHUA PHOTOTVALTAIC ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH CENTRAL Co Ltd
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2016-11-16

Abstract

本发明公开了一种硅的提纯方法，包括以下步骤：步骤一，将固态硅加热熔化，熔化温度为1550‑1800℃；步骤二：将步骤一熔化后的液态硅放置在提纯包内，在氩气环境下加热提纯包至1450~1700℃后，再将提纯包逐渐降温至1450℃，使液态硅由下至上凝固提纯。同时，本发明还公开了用于上述硅的提纯方法的提纯包。本发明所公开的一种硅的提纯方法，具有环保、节能和低成本等特点，提纯硅工艺简单，成本低，工艺简洁、无安全生产隐患，且生产过程中无粉尘、噪音、振动、大宗工业垃圾以及有毒有害气体排放。与其配套的提纯包，设备制造成本低，与传统设备提纯铸锭炉相比较，本发明制作成本降低了30倍。

Description

一种硅的提纯方法及提纯包

技术领域

本发明涉及高纯度硅制造技术领域，特别涉及一种硅的提纯方法及提纯包。

背景技术

光伏行业作为新能源产业，越来越得到国际社会的重视，各国对光伏发展出了很多的优惠政策和扶持政策。2015年我国新增光伏发电装机约15 GW，同比增长逾40%，全国光伏发电累计装机量达到约43 GW，超越德国成为全球光伏累计装机量最大的国家。根据国家能源局提供的规模发展指标，到2020年底，我国太阳能发电装机容量有望达到1.6亿千瓦，年发电量达到1700亿千瓦时。其中，光伏发电总装机容量达到1.5亿千瓦，太阳能热发电总装机容量达到1000万千瓦。根据规划，到2020年底，光伏发电装机规模在电力结构中比重占有7%，新增电力结构中比重占15%左右，在全国总发电量结构中占2.5%到3%。

在光伏产业中，需要应用高纯度硅，但现在主流硅提纯化学工艺，由于工艺流程不合理，导致制硅法含酸、碱、氯硅烷、等离子、电子束等，具有较大安全生产隐患，且生产过程中具有粉尘、噪音、振动、大宗工业垃圾以及有毒有害气体排放，对环境造成污染。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种工艺过程科学合理的硅的提纯方法。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

一种硅的提纯方法，包括以下步骤：

步骤一，将固态硅加热熔化，熔化温度为1550-1800℃；

步骤二：将步骤一熔化后的液态硅放置在提纯包内，在氩气环境下加热提纯包至1450-1700℃后，再将提纯包逐渐降温至1450℃，使液态硅由下至上凝固提纯。

进一步地，步骤一中，将固态硅放置在中频炉或电泳炉内加热熔化。

进一步地，在进行步骤二之前，对提纯包在氩气正压环境下进行预热，预热温度400-1200℃。

进一步地，在步骤二中，将液态硅放置在提纯包后，对提纯包进行持续的抽真空处理，在真空度达到10-100Pa时充入氩气，氩气流量5-50l/min，压力为0.3-0.5MPa。

进一步地，在步骤二中，通过加热器对提纯包加热，加热器温度在1450-1700℃，在提纯包的底部及四周，设置有水冷系统，对提纯包进行降温。

进一步地，在步骤二中，在将提纯包降温过程中，水冷系统的谁呀范围为0.2-0.6MPa，水流量为15-75m³/h。

本发明还公开了一种用于以上任意一项的硅的提纯方法的提纯包，包括包体与包盖，所述包体为上端开口的箱式结构，在所述包体上设置有包盖，在所述包体下部设置有水冷底盘，在所述包体外壁四周设置有水冷管道，在所述包盖上设置有加热器、氩气管与抽真空管。

进一步地，在所述包体由多层耐高温保温材料制成，内部的底面与内壁均为石墨板。

进一步地，所述加热器设置在所述包盖下方，通过石墨电极通电加热或者硅钼棒加热。

进一步地，在所述包盖上方，也设置有水冷管道。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的一种硅的提纯方法，具有环保、节能和低成本等特点，通过进一步提纯可达到电子级单晶硅需要的拉晶料纯度，与现在主流化学工艺相比，本发明所公开的硅的提纯方法提纯硅工艺简单，成本低，不含酸、碱、氯硅烷、等离子、电子束等化学和高成本工艺环节，全流程贯穿着“安全、环保、高质、节能”的理念，工艺简洁、无安全生产隐患，且生产过程中无粉尘、噪音、振动、大宗工业垃圾以及有毒有害气体排放。

与其配套的提纯包，与传统设备提纯铸锭炉相比较，制作成本降低了30倍；目前铸锭炉每炉中试产出最大在1200 Kg左右，本发明的提纯包每包提纯硅最大可达3000Kg以上，实现了铸锭炉提纯无法实现的产量，降低了其单位质量成本；本发明技术方案充分利用其液态硅自身潜能热进行定向凝固，顶部加热器只是对顶部保证不先凝固，用电量大大减少，是传统设备的五分之一，实现了环保提纯硅工艺，提纯硅工艺简单，成本低；与西门子方法相比较，整个提纯过程无酸碱反应，环保。设备制造成本低。

附图说明

图1为本发明所公开的硅的提纯包结构示意图；

图2为本发明所公开的硅的提纯包包体水冷系统示意图；

图3为本发明所公开的硅的提纯包包盖水冷系统示意图；

图4为本发明所公开的硅的提纯包包体底部水箱示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种硅的提纯包，包括包体100与包盖200，所述包体100为上端开口的箱式结构，其底面为多层结构，最底层为石英砂、刚玉沙或者硅颗粒等耐高温保温材料105，其一作用支持硅液重量，其二作用防止底部的四周热量散失过快；在耐高温保温材料105中部位置，还设置有石墨块102，在其上一层再铺设石英砂或刚玉砂等保温层103，其一作用支持硅液重量，其二作用防止底部热量散失过快。包体100的侧壁也设置有多层耐高温保温结构，包括设置在最外层与最内层的碳毡、石墨毡或者高温棉等第一保温层106，为四周保温，降低四周热量损失，向内一层设置有石英砂、刚玉砂、刚玉空心球等构成的第二保温层109，为四周起到保温作用；同时，在包体壁上，还间隔的横向设置有耐高温刚玉砖、石英块或者莫来石砖等固定层110，起到保温和固定其它保温材料的作用。

在包体100外侧设置有铁板107，将上述的底面与侧壁进行包覆，同时，提纯包100的坩埚101采用石墨板组成，石墨坩埚101内表面做氮化硅涂层，防止石墨对其污染。

在包体100的底部，设置有水冷底盘104，为使底部起到很好的首先凝固作用，控制水冷底盘104的水流量很快带走底部中心的热量，降低温度以来得到凝固速度。水冷底盘结构如图4所示，由冷水通道隔板113、水冷底盘底板和提纯包底板等组成了冷水通道，水从水冷底盘中部进水口114进入，由两边排除，如箭头表示水的流向，保证水冷底盘中心温度最低，底中部的液态硅最先凝固。

在所述包体100上设置有包盖200，提纯包包盖200由冷却水管道204、石墨电极202、氩气管201、热电偶209、耐高温保温材料205、石墨板206和加热器207等组成。水冷管道204主要用来冷却提纯包包盖200，防止热量过大而造成变形，如图3所示，水流向也是从中部进入，有四周流出，起到最佳冷却效果；电极202由高纯石墨制作而成，主要用于给石墨加热器208进行供直流电源，石墨电极202经铜排和电缆与电源柜相连接，电压输入0～100 VDC可调，输出功率 0～120 KW，通过热电偶209检测到的温度控制功率，输出最大电流2000A。石墨电极202与包盖200之间有绝缘套203隔离，防止包盖200因电极触，绝缘套203为刚玉绝缘套。电石墨加热器208电阻为0.2～0.6Ω，主要给予硅液顶部提供热量，产生温度在1450~1700℃范围内，保证硅液表面最后凝固。氩气管道201为石墨管、碳化硅管或者刚玉管等，通过氩气管道201将高纯氩气吹到液态硅表面。保护液态硅和石墨件防止氧化，同时和真空泵配合，带走相关易挥发性物质。热电偶传感器209为钨铼热电偶或者铂铑热电偶，通过传感器检测到加热器温度，与提纯温度工艺曲线相比较，控制石墨加热器输出功率，使加热器温度按照提纯温度工艺曲线执行，产生相应的温度保证液态硅能够顺利从下向上的定向凝固。石墨板206起到固定耐高温保温材料205作用，与保温材料205配合其封闭作用，减少热量损失。石墨板207主要用来反射加热器热量到硅液表面，最大化利用加热器热量到液态硅表面。

真空泵管道210用于抽取真空，同时和氩气充入、抽出平衡，带走易挥发杂质，防止抽取真空使发生漏气现象，包盖200和包体100之间使用了密封圈111。

本发明公开了一种硅的提纯方法，包括：

步骤一，将固态硅加热熔化，熔化温度为1550-1800℃；

步骤二：将步骤一熔化后的液态硅放置在提纯包内，在氩气环境下加热提纯包至1450~1700℃后，再将提纯包逐渐降温至1450℃，使液态硅由下至上凝固提纯。

具体的，在步骤一中，经中频炉、电泳炉或者其它炉加热熔化固态硅，加热熔化过程中可在空气、真空或者惰性气体环境下进行，熔化温度控制在1550~1800℃。炉内坩埚采用高熔点的刚玉坩埚或者石墨坩埚。

在步骤二中，对提纯包进行预热，在氩气环境保护下，始终使提纯包内处于氩气正压状态，防止在预热过程中石墨件或碳毡等被氧化，预热温度为400~1200℃。固态硅在中频炉等设备完全熔化后，液态硅温度控制在1600℃以上，从炉内坩埚中直接倒入转移到提纯包内。

熔化液态硅转移到提纯包100后，立即盖上包盖200，防止液态硅热量损失过大，电极202接上电源进行加热提纯工艺。为防止液态硅、石墨保温材料、石墨加热器208及其石墨板207高温下氧化，先对转入液态硅的提纯包进行抽取真空，液态硅、石墨件和石墨材料与空气隔离，真空度达到10~100 Pa时充入氩气惰性气体，在整个硅提纯过程需要氩气气氛保护。氩气纯度为>99.99(4N)，在液态硅中吹入的氩气流量5~50 l/min，压力为0.3~0.5 MPa，提纯气氛为氩气环境下，提纯包内的压力保持在60~100KPa，真空泵边抽真空，氩气管道201边充氩气，使硅表面易挥发物质被带走顶部加热器为硅钼棒加热器和石墨加热器，控制温度在1450~1700℃范围内，保证液态硅表面是液态状况。

提纯工艺过程中，控制顶部加热器208的温度，从1700℃逐步降温，最终温度降到1450℃。逐步增加提纯包四周和底部冷却水压力和流量，水压范围为0.2~0.6 MPa，水流量范围15~75 m³/h，最终使液态硅从底部逐步向上定向凝固。由于定向凝固原因，杂质元素在硅中分凝系数K<1，杂质将排在顶部最后凝固成固态，若分凝系数K>1，杂质将被排除到硅锭的底部和硅一起先凝，去除顶部和底部及其和坩埚接触的四周边皮，将得到高纯度硅。纯度为99.9%~99.99%（3~4N）的硅经提纯包提纯工艺后将得到高纯度硅为99.99%~99.99999%（4~7N），去除杂质效果明显，每次提纯硅的重量为500~3000 Kg。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种硅的提纯方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，将固态硅加热熔化，熔化温度为1550-1800℃；

2.根据权利要求1所述的一种硅的提纯方法，其特征在于：步骤一中，将固态硅放置在中频炉或电泳炉内加热熔化。

3.根据权利要求1所述的一种硅的提纯方法，其特征在于：在进行步骤二之前，对提纯包在氩气正压环境下进行预热，预热温度400-1200℃。

4.根据权利要求1所述的一种硅的提纯方法，其特征在于：在步骤二中，将液态硅放置在提纯包后，对提纯包进行持续的抽真空处理，在真空度达到10-100Pa时充入氩气，氩气流量5-50l/min，压力为0.3-0.5MPa。

5.根据权利要求1所述的一种硅的提纯方法，其特征在于：在步骤二中，通过加热器对提纯包加热，加热器温度在1450-1700℃，在提纯包的底部及四周，设置有水冷系统，对提纯包进行降温。

6.根据权利要求5所述的一种硅的提纯方法，其特征在于：在步骤二中，在将提纯包降温过程中，水冷系统的范围为0.2-0.6MPa，水流量为15-75m³/h。

7.一种用于权利要求1-6中任意一项的硅的提纯方法的提纯包，包括包体与包盖，所述包体为上端开口的箱式结构，在所述包体上设置有包盖，其特征在于：在所述包体下部设置有水冷底盘，在所述包盖上设置有氩气管与抽真空管，在所述包盖下方设置有加热器。

8.根据权利要求7所述的一种硅的提纯包，其特征在于：在所述包体由多层耐高温保温材料制成，内部的底面与四周内壁均为石墨板。

9.根据权利要求7所述的一种硅的提纯包，其特征在于：所述加热器设置在所述包盖下方，通过石墨电极通电加热或者硅钼棒加热。

10.根据权利要求7所述的一种硅的提纯包，其特征在于：在所述包盖上方，也设置有水冷管道。