CN107089665A - 晶体硅提纯集成系统 - Google Patents

Abstract

一种晶体硅提纯集成系统包括：第一破碎装置、酸洗装置、原料硅矿热炉、第二破碎装置、除碳装置、电子束熔炼装置；通过第一破碎装置将粗硅料破碎，酸洗装置酸洗破碎料后利用原料硅矿热炉进行渣洗熔炼以获得原料硅。第二破碎装置对原料硅破碎后，除碳装置煅烧以降低第二破碎装置生产出的破碎料中的碳含量，电子束熔炼装置对煅烧后的破碎料进行熔炼除磷及以面积变化的面扫描方式及按照第一预定功率对除磷后的原料进行扫描升温，利用熔池与结晶的物料之间的固液界面来使杂质不断的向熔池内汇集、挥发；控制电子束枪以面积不变的面扫描方式且功率逐渐缩小而获得多晶硅半成品，将多晶硅半成品的底部和顶部杂质富集区锯切以获得多晶硅。

Description

晶体硅提纯集成系统

技术领域

本发明涉及多晶硅生产技术领域，具体涉及一种晶体硅提纯集成系统。

背景技术

人类进入新世纪以来，光伏发电得到了快速发展，以晶硅为原材料制备的光伏发电设备得到了广泛应用，晶硅光伏将在相当长的时间内保持太阳能光伏发电的主流地位，晶硅光伏发电的主要原料为太阳能级多晶硅，随着光伏发电的快速发展，人们对多晶硅的制备在质量上、能耗、环境和成本等方面提出越来越高的要求，其目标是不断适应光伏发电平价上网的要求。

国内，制备太阳能级多晶硅的方法，主要有改良西门子法（化学法）、硅烷法（化学法）和冶金法等。其中改良西门子法占绝对份额市场，但成本在120元/kg左右，下降难度仍然较大。

现有的冶金法制备太阳能级多晶硅提纯集成技术，虽然具有质量较好、能耗较低、环境友好的优势，但综合成本仍然偏高，其产品市场份额很小。国家十二五重大科技支撑项目：“冶金法制备太阳能级多晶硅关键技术研究及工业示范（2011BAE031301）”项目中工艺技术集成现状是：工艺路线：特制工业硅→简易定向凝固→湿法冶金Ⅰ→渣洗精炼→简易定向凝固→湿法冶金Ⅱ→真空定向凝固→一次精整→电子束熔炼→二次精整。达到的技术指标：B≤0.1ppm P≤0.1ppm、金属杂质≤0.1ppm、C≤0.4ppm、O≤1ppm、电阻率：0.8—3.0Ω•CM、少子寿命：≥3μs、光电转换效率≥17.5%，综合耗电：58kwh/kg，直接生产成本：138元/kg。

上述现有技术存在工艺路线较长、能耗较高及生产成本较高的技术问题，例如：对原料要求高，需生产特制工业硅，导致对硅石、石油焦等质量要求高；由于除硼要求的温度高，导致对坩埚材质要求高且坩埚容积小、寿命短、每炉产量低；利用铸锭炉进行定向凝固提纯，时间长、能耗高、投资大、收得率偏低；电子束除磷工艺设计时间长、能耗高。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种工艺路线短、降低能耗及生产成本的晶体硅提纯集成系统。

一种晶体硅提纯集成系统，包括：第一破碎装置、酸洗装置、原料硅矿热炉、第二破碎装置、除碳装置、电子束熔炼装置；第一破碎装置将粗硅料破碎至30～150目，以获得第一破碎料。酸洗装置将第一破碎装置生产出的第一破碎料进行酸洗，以去除第一破碎料表面的杂质。原料硅矿热炉采用埋弧冶炼方式进行渣洗熔炼酸洗装置酸洗除杂后的第一破碎料以获得原料硅。第二破碎装置对原料硅矿热炉生产出的原料硅进行破碎，以获得第二破碎料，第二破碎料的目数为30～150目。除碳装置将第二破碎装置生产出的第二破碎料进行煅烧，以降低第二破碎料中的碳含量，其中煅烧后的第二破碎料中的碳含量小于0.4ppm。电子束熔炼装置包括控制装置、加料装置、炉体、设置在炉体内的两个熔炼坩埚、一个水冷铜坩埚及对应设置在熔炼坩埚、水冷铜坩埚上方电子束枪，控制装置控制加料装置、熔炼坩埚、水冷铜坩埚、电子束枪工作，两个熔炼坩埚平行设置，水冷铜坩埚设置在两个熔炼坩埚下方，且位于两个熔炼坩埚之间，加料装置设置在炉体上，以在控制装置的控制下将预定量的煅烧后的第二破碎料加入到两个熔炼坩埚中，控制装置控制两个熔炼坩埚上方的电子束枪对两个熔炼坩埚中的第二破碎料进行熔炼除磷，控制装置控制两个熔炼坩埚将熔融的原料先后交替流入水冷铜坩埚，控制装置控制水冷铜坩埚上方的电子束枪以面积变化的面扫描方式及按照第一预定功率对流入水冷铜坩埚中的原料进行扫描升温，以保证在水冷铜坩埚内有一个预定厚度的熔池，利用熔池与结晶的物料之间的固液界面来使杂质不断的向熔池内汇集、挥发；其中，面积变化的面扫描方式是指调整电子束扫描面扩大、缩小的频率，使水冷铜坩埚中被扫描的区域不断由大至小的变换，来实现对熔区移动速度和结晶速度的控制；在水冷铜坩埚内的原料流满后，控制装置控制水冷铜坩埚上方的电子束枪以面积不变的面扫描方式且功率逐渐缩小，来降低功率及将硅锭中的杂质集中至硅锭顶部中心，待水冷铜坩埚中的冷却后出锭，获得多晶硅半成品，将多晶硅半成品的底部和顶部杂质富集区锯切，以获得多晶硅。

优选的，控制装置控制加料装置将预定量的煅烧后的第二破碎料加入到两个熔炼坩埚中，控制装置控制两个熔炼坩埚上方的电子束枪对两个熔炼坩埚中的第二破碎料进行熔炼除磷的具体过程为：控制装置控制加料装置给每个熔炼坩埚中每次加入单位量的第二破碎料，控制装置控制电子束枪按照第一预定功率对单位量的第二破碎料熔炼第一预定时间段，再向熔炼坩埚中加入单位量的第二破碎料并控制电子束枪按照第一预定功率对第二次加入的单位量的第二破碎料熔炼第一预定时间段，直至控制装置计算出加入熔炼坩埚中的第二破碎料的量与预定量相对应后，再熔炼第二预定时间段后，控制装置控制两个熔炼坩埚将熔融的原料先后交替流入水冷铜坩埚，两个熔炼坩埚流料的时间相差第三预定时间段。

上述晶体硅提纯集成系统中，第一破碎装置将粗硅料破碎至30～150目，以获得第一破碎料，酸洗装置将第一破碎装置生产出的第一破碎料进行酸洗，以去除第一破碎料表面的杂质，原料硅矿热炉采用埋弧冶炼方式进行渣洗熔炼酸洗装置酸洗除杂后的第一破碎料以获得原料硅，第二破碎装置对原料硅矿热炉生产出的原料硅进行破碎，以获得第二破碎料，第二破碎料的目数为30～150目，除碳装置将第二破碎装置生产出的第二破碎料进行煅烧，以降低第二破碎料中的碳含量，电子束熔炼装置的控制装置控制两个熔炼坩埚上方的电子束枪对两个熔炼坩埚中的第二破碎料进行熔炼除磷及控制两个熔炼坩埚将熔融的原料先后交替流入水冷铜坩埚，电子束熔炼装置的控制装置控制水冷铜坩埚上方的电子束枪以面积变化的面扫描方式及按照第一预定功率对流入水冷铜坩埚中的原料进行扫描升温，以保证在水冷铜坩埚内有一个预定厚度的熔池，利用熔池与结晶的物料之间的固液界面来使杂质不断的向熔池内汇集、挥发，在水冷铜坩埚内的原料流满后，控制装置控制水冷铜坩埚上方的电子束枪以面积不变的面扫描方式且功率逐渐缩小，来降低功率及将硅锭中的杂质集中至硅锭顶部中心，待水冷铜坩埚中的冷却后出锭获得多晶硅半成品，将多晶硅半成品的底部和顶部杂质富集区锯切，以获得多晶硅。进而解决了现有技术存在工艺路线较长、能耗较高及生产成本较高的技术问题。

附图说明

图1为一较佳实施方式的晶体硅提纯集成系统的功能模块连接示意图。

图2为图1中原料硅矿热炉的结构示意图。

图3为图1中电子束熔炼装置的功能模块连接示意图。

图中：晶体硅提纯集成系统10、第一破碎装置11、酸洗装置12、原料硅矿热炉13、炉体131、电极132、白刚玉浇注料耐火层133、电极糊层134、炉底135、电极桩136、流渣通道137、硅液流出通道138、第二破碎装置14、除碳装置15、电子束熔炼装置16、控制装置161、加料装置162、炉体163、熔炼坩埚164、水冷铜坩埚165、电子束枪166。

具体实施方式

请参看图1，晶体硅提纯集成系统10包括第一破碎装置11、酸洗装置12、原料硅矿热炉13、第二破碎装置14、除碳装置15、电子束熔炼装置16。

第一破碎装置11将粗硅料破碎至30～150目，以获得第一破碎料。粗硅料定义为553工业硅以及硅废料，也就是说纯度在99%以上的各种硅料。

酸洗装置12将第一破碎装置11生产出的第一破碎料进行酸洗，以去除第一破碎料表面的杂质。进一步的，酸洗装置12将电子束熔炼装置16生产出的且经过锯切除杂后的多晶硅进行酸洗。

原料硅矿热炉13采用埋弧冶炼方式进行渣洗熔炼酸洗装置12酸洗除杂后的第一破碎料以获得原料硅。请同时参看图2，原料硅矿热炉13包括炉体131、电极132、设置在炉体131内壁上的白刚玉浇注料耐火层133、电极糊层134及采用电极糊制成的炉底135，电极糊层134位于炉体131的内壁与白刚玉浇注料耐火层133之间，炉体131的内壁由碳砖及耐火石堆砌而成，以缩小炉体内部的温度梯度及保证炉体整体的耐温性能，及利用白刚玉浇注料耐火层来防止在筑炉初期的电极糊层变形及减少在渣洗过程中电极糊层的消耗；在炉底135上设置有电极桩136，电极桩136的数量与电极132的数量相对应，每个电极桩136对应位于每个电极132的正下方，电极132与电极桩136配合以对炉体131内的第一破碎料进行渣洗熔炼以获得原料硅，炉体131的中部开设流渣通道137，利用流渣通道137使渣液在炉体131内的硅渣界面上方高温区流出，并通过对流渣通道137的封堵，实现定量流渣和堵渣。炉体131的下部开设硅液流出通道138，以排除硅液。其中，电极132与电极桩136配合以对炉体131内的第一破碎料进行渣洗熔炼以获得原料硅的具体过程为：将第一破碎料与硅料、渣料按质量比1:1进行混合，以获得硅渣混合料；在电极132下方先填200kg硅料，起弧熔化后，定量投加硅渣混合料，采用“埋弧冶炼”方式进行熔炼；待炉体131内的混合料熔化完全，确保在高温状态下通过流渣通道137放出渣液，然后不断的加渣料熔炼，不断的放出渣液，其中再次加入的渣料与硅渣混合料中的硅料的质量比为1:1，完成对第一破碎料的渣洗作业，并获得原料硅。

第二破碎装置14对原料硅矿热炉13生产出的原料硅进行破碎，以获得第二破碎料，第二破碎料的目数为30～150目。

除碳装置15将第二破碎装置14生产出的第二破碎料进行煅烧，以降低第二破碎料中的碳含量。其中，除碳装置15使用高热值燃料并在还原氛围下对第二破碎料进行煅烧，有效的将煅烧后的第二破碎料中的碳含量降至0.4ppm以下。

请同时参看图3，电子束熔炼装置16包括控制装置161、加料装置162、炉体163、设置在炉体163内的两个熔炼坩埚164、一个水冷铜坩埚165及对应设置在熔炼坩埚、水冷铜坩埚上方电子束枪166，控制装置161控制加料装置162、熔炼坩埚164、水冷铜坩埚165、电子束枪166工作，两个熔炼坩埚164平行设置，水冷铜坩埚165设置在两个熔炼坩埚164下方，且位于两个熔炼坩埚164之间，加料装置162设置在炉体163上，以在控制装置161的控制下将预定量的煅烧后的第二破碎料加入到两个熔炼坩埚164中，控制装置161控制两个熔炼坩埚164上方的电子束枪166对两个熔炼坩埚164中的第二破碎料进行熔炼除磷，控制装置161控制两个熔炼坩埚将熔融的原料先后交替流入水冷铜坩埚165，控制装置161控制水冷铜坩埚165上方的电子束枪166以面积变化的面扫描方式及按照第一预定功率对流入水冷铜坩埚165中的原料进行扫描升温，以保证在水冷铜坩埚165内有一个预定厚度的熔池，利用熔池与结晶的物料之间的固液界面来使杂质不断的向熔池内汇集、挥发；其中，面积变化的面扫描方式是指调整电子束扫描面扩大、缩小的频率，使水冷铜坩埚165中被扫描的区域不断由大至小的变换，来实现对熔区移动速度和结晶速度的控制；在水冷铜坩埚165内的原料流满后，控制装置161控制水冷铜坩埚165上方的电子束枪166以面积不变的面扫描方式且功率逐渐缩小，来降低功率及将硅锭中的杂质集中至硅锭顶部中心，待水冷铜坩埚中的冷却后出锭，获得多晶硅半成品，将多晶硅半成品的底部和顶部杂质富集区锯切，以获得多晶硅。其中，控制装置161控制加料装置162将预定量的煅烧后的第二破碎料加入到两个熔炼坩埚164中，控制装置161控制两个熔炼坩埚164上方的电子束枪166对两个熔炼坩埚164中的第二破碎料进行熔炼除磷的具体过程为：控制装置161控制加料装置162给每个熔炼坩埚164中每次加入单位量的第二破碎料，控制装置161控制电子束枪166按照第一预定功率对单位量的第二破碎料熔炼第一预定时间段，再向熔炼坩埚164中加入单位量的第二破碎料并控制电子束枪166按照第一预定功率对第二次加入的单位量的第二破碎料熔炼第一预定时间段，直至控制装置161计算出加入熔炼坩埚164中的第二破碎料的量与预定量相对应后，再熔炼第二预定时间段后，控制装置161控制两个熔炼坩埚164将熔融的原料先后交替流入水冷铜坩埚165，两个熔炼坩埚164流料的时间相差第三预定时间段。例如，在一较佳实施例中，预定量为24kg，单位量的硅料为2kg，第一预定功率为300KW，第一预定时间段为２分钟，第二预定时间段为6分钟，第三预定时间段为15分钟；熔池的厚度为3～5cm。其中，在水冷铜坩埚165内的原料流满后，控制装置161控制水冷铜坩埚165上方的电子束枪166以面积不变的面扫描方式且功率逐渐缩小，来降低功率及将硅锭中的杂质集中至硅锭顶部中心时，控制装置161控制水冷铜坩埚165上方的电子束枪166功率逐渐缩小，直至功率缩小至5kw，面扫描方式的扫描面积为直径10cm的圆。

上述晶体硅提纯集成系统中，第一破碎装置将粗硅料破碎至30～150目，以获得第一破碎料，酸洗装置将第一破碎装置生产出的第一破碎料进行酸洗，以去除第一破碎料表面的杂质，原料硅矿热炉采用埋弧冶炼方式进行渣洗熔炼酸洗装置酸洗除杂后的第一破碎料以获得原料硅，第二破碎装置对原料硅矿热炉生产出的原料硅进行破碎，以获得第二破碎料，第二破碎料的目数为30～150目，除碳装置将第二破碎装置生产出的第二破碎料进行煅烧，以降低第二破碎料中的碳含量，电子束熔炼装置的控制装置控制两个熔炼坩埚上方的电子束枪对两个熔炼坩埚中的第二破碎料进行熔炼除磷及控制两个熔炼坩埚将熔融的原料先后交替流入水冷铜坩埚，电子束熔炼装置的控制装置控制水冷铜坩埚上方的电子束枪以面积变化的面扫描方式及按照第一预定功率对流入水冷铜坩埚中的原料进行扫描升温，以保证在水冷铜坩埚内有一个预定厚度的熔池，利用熔池与结晶的物料之间的固液界面来使杂质不断的向熔池内汇集、挥发，在水冷铜坩埚内的原料流满后，控制装置控制水冷铜坩埚上方的电子束枪以面积不变的面扫描方式且功率逐渐缩小，来降低功率及将硅锭中的杂质集中至硅锭顶部中心，待水冷铜坩埚中的冷却后出锭获得多晶硅半成品，将多晶硅半成品的底部和顶部杂质富集区锯切，以获得多晶硅。本发明相对于现有的多晶硅生产系统具有以下技术效果：1.本发明提供的晶体硅提纯集成系统有效的解决了因原料品质的差异，可直接切入整体工艺的每个环节，实现高效生产的目的；2.本发明提供的晶体硅提纯集成系统有效提高了各主要生产环节的收得率；3.解决了背景技术中所需特制工业硅的要求，充分解决原料来源困难的局面；4.通过本发明提供的晶体硅提纯集成系统中的原料硅矿热炉渣洗冶炼有效的提高多晶硅的生产效率，解决了背景技术中频冶炼存在坩埚容积小、寿命短、每炉产量低的问题；5. 本发明提供的晶体硅提纯集成系统取消了使用铸锭炉定向凝固提纯，节省了设备投资；6.本发明提供的晶体硅提纯集成系统中通过利用电子束区熔冶炼技术，从而取消了背景技术中利用铸锭炉去除金属杂质的环节，不仅使除磷指标达到了质量要求（P≤0.1ppm），而且使金属杂质的去除率达到99%以上，也就是说，可将4N级硅料提纯到6N级硅料，与此同时，大大缩短了工艺时间，有效的降低了能耗，冶炼时间由30小时降为8个小时以内，综合用电能耗由25kwh/kg降至10kwh/kg；7.本发明提供的晶体硅提纯集成系统生产的产品质量通过检测，品质达到高效电池太阳能级多晶硅的要求；8.本发明提供的晶体硅提纯集成系统可将多晶硅生产吨成本控制在7万元以下，吨多晶硅耗电低至4万度以内。

Claims (7)

1.一种晶体硅提纯集成系统，其特征在于，包括：第一破碎装置、酸洗装置、原料硅矿热炉、第二破碎装置、除碳装置、电子束熔炼装置；第一破碎装置将粗硅料破碎至30～150目，以获得第一破碎料；酸洗装置将第一破碎装置生产出的第一破碎料进行酸洗，以去除第一破碎料表面的杂质；原料硅矿热炉采用埋弧冶炼方式进行渣洗熔炼酸洗装置酸洗除杂后的第一破碎料以获得原料硅；第二破碎装置对原料硅矿热炉生产出的原料硅进行破碎，以获得第二破碎料，第二破碎料的目数为30～150目；除碳装置将第二破碎装置生产出的第二破碎料进行煅烧，以降低第二破碎料中的碳含量，其中煅烧后的第二破碎料中的碳含量小于0.4ppm；电子束熔炼装置包括控制装置、加料装置、炉体、设置在炉体内的两个熔炼坩埚、一个水冷铜坩埚及对应设置在熔炼坩埚、水冷铜坩埚上方电子束枪，控制装置控制加料装置、熔炼坩埚、水冷铜坩埚、电子束枪工作，两个熔炼坩埚平行设置，水冷铜坩埚设置在两个熔炼坩埚下方，且位于两个熔炼坩埚之间，加料装置设置在炉体上，以在控制装置的控制下将预定量的煅烧后的第二破碎料加入到两个熔炼坩埚中，控制装置控制两个熔炼坩埚上方的电子束枪对两个熔炼坩埚中的第二破碎料进行熔炼除磷，控制装置控制两个熔炼坩埚将熔融的原料先后交替流入水冷铜坩埚，控制装置控制水冷铜坩埚上方的电子束枪以面积变化的面扫描方式及按照第一预定功率对流入水冷铜坩埚中的原料进行扫描升温，以保证在水冷铜坩埚内有一个预定厚度的熔池，利用熔池与结晶的物料之间的固液界面来使杂质不断的向熔池内汇集、挥发；其中，面积变化的面扫描方式是指调整电子束扫描面扩大、缩小的频率，使水冷铜坩埚中被扫描的区域不断由大至小的变换，来实现对熔区移动速度和结晶速度的控制；在水冷铜坩埚内的原料流满后，控制装置控制水冷铜坩埚上方的电子束枪以面积不变的面扫描方式且功率逐渐缩小，来降低功率及将硅锭中的杂质集中至硅锭顶部中心，待水冷铜坩埚中的冷却后出锭，获得多晶硅半成品，将多晶硅半成品的底部和顶部杂质富集区锯切，以获得多晶硅。

2.如权利要求1所述的晶体硅提纯集成系统，其特征在于：控制装置控制加料装置将预定量的煅烧后的第二破碎料加入到两个熔炼坩埚中，控制装置控制两个熔炼坩埚上方的电子束枪对两个熔炼坩埚中的第二破碎料进行熔炼除磷的具体过程为：控制装置控制加料装置给每个熔炼坩埚中每次加入单位量的第二破碎料，控制装置控制电子束枪按照第一预定功率对单位量的第二破碎料熔炼第一预定时间段，再向熔炼坩埚中加入单位量的第二破碎料并控制电子束枪按照第一预定功率对第二次加入的单位量的第二破碎料熔炼第一预定时间段，直至控制装置计算出加入熔炼坩埚中的第二破碎料的量与预定量相对应后，再熔炼第二预定时间段后，控制装置控制两个熔炼坩埚将熔融的原料先后交替流入水冷铜坩埚，两个熔炼坩埚流料的时间相差第三预定时间段。

3.如权利要求1或2所述的晶体硅提纯集成系统，其特征在于：预定量为24kg，单位量的硅料为2kg，第一预定功率为300KW，第一预定时间段为２分钟，第二预定时间段为6分钟，第三预定时间段为15分钟。

4.如权利要求3所述的晶体硅提纯集成系统，其特征在于：熔池的厚度为3～5cm。

5.如权利要求4所述的晶体硅提纯集成系统，其特征在于：在水冷铜坩埚内的原料流满后，控制装置控制水冷铜坩埚上方的电子束枪以面积不变的面扫描方式且功率逐渐缩小，来降低功率及将硅锭中的杂质集中至硅锭顶部中心时，控制装置控制水冷铜坩埚上方的电子束枪功率逐渐缩小，直至功率缩小至5kw，面扫描方式的扫描面积为直径10cm的圆。

6.如权利要求5所述的晶体硅提纯集成系统，其特征在于：原料硅矿热炉包括炉体、电极、设置在炉体内壁上的白刚玉浇注料耐火层和电极糊层，电极糊层位于炉体内壁与白刚玉浇注料耐火层之间、采用电极糊制成的炉底、设置在炉底上的电极桩，电极桩位于电极的正下方，电极与电极桩配合以对炉体内的第一破碎料进行渣洗熔炼以获得原料硅，炉体的中部开设流渣通道，利用流渣通道使渣液在炉体内的硅渣界面上方高温区流出，并通过对流渣通道的封堵，实现定量流渣和堵渣。

7.如权利要求6所述的晶体硅提纯集成系统，其特征在于：电极与电极桩配合以对炉体内的第一破碎料进行渣洗熔炼以获得原料硅的具体过程为：将第一破碎料与硅渣按质量比1:1进行混合，以获得硅渣混合料；在电极下方先填200kg硅料，起弧熔化后，定量投加硅渣混合料，采用“埋弧冶炼”方式进行熔炼；待炉体内的混合料熔化完全，确保在高温状态下通过流渣通道放出渣液，然后不断的加渣料熔炼，不断的放出渣液，完成对第一破碎料的渣洗作业，并获得原料硅。