CN109867287A - 一种太阳能多晶硅片制备方法 - Google Patents

一种太阳能多晶硅片制备方法 Download PDF

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本发明公开了一种太阳能多晶硅片制备方法,包括以下步骤:冶炼提纯:取材石英砂,并将石英砂加入电弧炉中冶炼,使其提纯到98%并生成工业硅;二次提纯:将工业硅粉碎,将粉碎的工业硅加入无水氯化氢的流化床反应器中,生成拟溶解的三氯氢硅;三次提纯:过滤并冷凝拟溶解的三氯氢硅生成三氯氢硅(多级精馏);还原:净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺,以高纯SiHCl3在H2气体中还原沉积而生成多晶硅。本发明所述的一种太阳能多晶硅片制备方法,首先对反应杂质物进行处理,且处理所产生的H2可以作为前置反应中的反应物,这样使得该方法生产多晶硅造价更低,环保性更强。

Description

一种太阳能多晶硅片制备方法
技术领域
本发明涉及硅片制备技术领域,特别涉及一种太阳能多晶硅片制备方法。
背景技术
硅是一种化学元素,原子序数14,相对原子质量28.0855,有无定形硅和 晶体硅两种同素异形体,属于元素周期表上第三周期,IVA族的类金属元素。 硅也是极为常见的一种元素,然而它极少以单质的形式在自然界出现,而是 以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中,硅 在宇宙中的储量排在第八位。在地壳中,它是第二丰富的元素,构成地壳总 质量的26.4%,仅次于第一位的氧;
硅片是通过对硅进行加工生产出的一种片状结晶硅,多晶硅,是单质硅 的一种形态,熔融的单质硅在过冷条件下凝固时,硅原子以金刚石晶格形态 排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则这些晶粒结合起 来,就结晶成多晶硅,而现有的多晶硅生产方法中对生产所生成的杂质物不 进行处理,导致资源的浪费,环保性差。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种太阳能多晶硅片制备方法,可以有效解 决背景技术中的问题。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种太阳能多晶硅片制备方法,包括以下步骤:
(1)、冶炼提纯:取材石英砂,并将石英砂加入电弧炉中冶炼,使其提 纯到98%并生成工业硅;
(2)、二次提纯:将工业硅粉碎,将粉碎的工业硅加入无水氯化氢的流 化床反应器中,生成拟溶解的三氯氢硅;
(3)、三次提纯:过滤并冷凝拟溶解的三氯氢硅生成三氯氢硅(多级精 馏);
(4)、还原:净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺,以高纯SiHCl3在H2 气体中还原沉积而生成多晶硅。
优选的,所述步骤(1)中冶炼提纯,包括以下步骤:
(1.1)、取材石英砂;
(1.2)、将石英砂加入电弧炉中进行提炼,使其纯度达到98%并生产工 业硅,其化学式为SiO2+C→Si+CO2↑。
优选的,所述步骤(3)中三次提纯,对步骤(2.3)中三氯化硅及其混 合物进行提纯,冷凝和净化,生成三氯化硅精馏。
优选的,所述步骤(2)中,二次提纯步骤如下:
(2.1)对步骤(1.2)中的工业硅进行粉碎;
(2.2)将粉碎的工业硅加入设置有无水氯化氢的流化床反应器中;
(2.3)粉碎的工业硅和无水氯化氢反应生成三氯氢硅和气态的混合物, 且化学式为Si+HCl→SiHCl3+H2
(2.4)对气态混合物进行分解提纯处理。
优选的,所述步骤(4)中,还原步骤如下:
(4.1)将步骤(3)中提纯后的三氯化硅精馏加入反应容器中;
(4.2)在反应容器中注入氢气;
(4.3)在反应容器中加入电加热硅棒;
(4.4)对电加热硅棒进行加热使之升温,三氯化硅精馏在电加热硅棒上 沉淀,形成多晶硅,其化学式为SiHCl3+H2→Si+HCl;
(4.5)将步骤(4.4)中HCl通入水中,对其进行处理。
优选的,所述步骤(2.3)中的气态的混合物包括H2,HCl,SiHCl3,SiC14,Si。
优选的,所述步骤(2.4)中气态混合物进行分解提纯处理方法,包括以 下步骤:
a.将气态混合物冲入装有水的容器中,并在该容器上连接一个导管,
集气容器进行连接;
b.气态混合物与水反应并沉淀,其中SiHCl3和SiC14与水发生反应,
其反应化学式为SiHCl3+4H2O→Si(OH)4+H2↑+3HCl和 SiC14+4H2O=H2SiO4+4HCl,H2不溶于水通过导管进入集气容器中,HCl 溶于水中,反应后Si(OH)4、H2SiO4和Si沉淀,可以通过过滤进行 去除回收。
优选的,所述步骤(4.4)的反应中电加热硅棒的温度在1080℃~1100℃。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1、本发明中通过对气态混合物进行过水处理,使气态混合物中的SiHCl3和SiC14与水发生反应并产生沉淀,这些沉淀物为硅和硅的化合物,通过过滤 可以将其进行分离,对于分离后的硅和硅的化合物可以再次进行提炼,这样 相比于直接排放更加节约资源,且再次提炼不需要再次经过步骤(1)中的冶 炼提纯了,且其提炼耗资和耗时远远小于冶炼原料的耗资和耗时,同时对于 气态混合物中的H2和SiHCl3和SiC14与水发生反应产生的氢气可以通过排水 法进行收集,进行二次回收利用,从而使得该发明的环保性和节能性更强;
2、本发明通过实验得出温度在1080℃-1100℃时,多晶硅生成速度为最 快,效率最高,由此在生产中将多晶硅生成的温度控制在1080℃-1100℃可以 最大化降低多晶硅制作的时间;
3、本发明中步骤(2.4)中产生的氢气可以通过导管输送至步骤(4.1) 中反应容器中,为其提供反应料,这种方法使得该发明在制备多晶硅时造价 更低。
附图说明
图1为本发明一种太阳能多晶硅片制备方法制作整体流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解, 下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。
实施例1
如图1所示,包括以下步骤:
(1)、冶炼提纯:取材石英砂,并将石英砂加入电弧炉中冶炼,使其提 纯到98%并生成工业硅;
(2)、二次提纯:将工业硅粉碎,将粉碎的工业硅加入无水氯化氢的流 化床反应器中,生成拟溶解的三氯氢硅;
(3)、三次提纯:过滤并冷凝拟溶解的三氯氢硅生成三氯氢硅(多级精 馏);
(4)、还原:净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺,以高纯SiHCl3在H2 气体中还原沉积而生成多晶硅。
所述步骤(1)中冶炼提纯,包括以下步骤:
(1.1)、取材石英砂;
(1.2)、将石英砂加入电弧炉中进行提炼,使其纯度达到98%并生产工 业硅,其化学式为SiO2+C→Si+CO2↑。
所述步骤(2)中,二次提纯步骤如下:
(2.1)对步骤(1.2)中的工业硅进行粉碎;
(2.2)将粉碎的工业硅加入设置有无水氯化氢的流化床反应器中;
(2.3)粉碎的工业硅和无水氯化氢反应生成三氯氢硅和气态的混合物, 且化学式为Si+HCl→SiHCl3+H2
(2.4)对气态混合物进行分解提纯处理。
所述步骤(3)中三次提纯,对步骤(2.3)中三氯化硅及其混合物进行 提纯,冷凝和净化,生成三氯化硅精馏。
所述步骤(4)中,还原步骤如下:
(4.1)将步骤(3)中提纯后的三氯化硅精馏加入反应容器中;
(4.2)在反应容器中注入氢气;
(4.3)在反应容器中加入电加热硅棒;
(4.4)对电加热硅棒进行加热使之升温,三氯化硅精馏在电加热硅棒上 沉淀,形成多晶硅,其化学式为SiHCl3+H2→Si+HCl;
(4.5)将步骤(4.4)中HCl通入水中,对其进行处理。
所述步骤(2.3)中的气态的混合物包括H2,HCl,SiHCl3,SiC14,Si。
所述步骤(2.4)中气态混合物进行分解提纯处理方法,包括以下步骤:
a.将气态混合物冲入装有水的容器中,并在该容器上连接一个导管, 集气容器进行连接;
b.气态混合物与水反应并沉淀,其中SiHCl3和SiC14与水发生反应, 其反应化学式为SiHCl3+4H2O→Si(OH)4+H2↑+3HCl和 SiC14+4H2O=H2SiO4+4HCl,H2不溶于水通过导管进入集气容器中,HCl 溶于水中,反应后Si(OH)4、H2SiO4和Si沉淀,可以通过过滤进行 去除回收;
该方法通过对气态混合物进行过水处理,使气态混合物中的SiHCl3和 SiC14与水发生反应并产生沉淀,这些沉淀物为硅和硅的化合物,通过 过滤可以将其进行分离,对于分离后的硅和硅的化合物可以再次进行 提炼,这样相比于直接排放更加节约资源,且再次提炼不需要再次经 过步骤(1)中的冶炼提纯了,使得比原始取材更加方便,同时对于气 态混合物中的H2和SiHCl3和SiC14与水发生反应产生的氢气可以通过 排水法进行收集,进行二次回收利用,从而使得该发明的环保性和节 能性更强。
实施例2
包括以下步骤:
(1)、冶炼提纯:取材石英砂,并将石英砂加入电弧炉中冶炼,使其提 纯到98%并生成工业硅;
(2)、二次提纯:将工业硅粉碎,将粉碎的工业硅加入无水氯化氢的流 化床反应器中,生成拟溶解的三氯氢硅;
(3)、三次提纯:过滤并冷凝拟溶解的三氯氢硅生成三氯氢硅(多级精 馏);
(4)、还原:净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺,以高纯SiHCl3在H2 气体中还原沉积而生成多晶硅。
所述步骤(1)中冶炼提纯,包括以下步骤:
(1.1)、取材石英砂;
(1.2)、将石英砂加入电弧炉中进行提炼,使其纯度达到98%并生产工 业硅,其化学式为SiO2+C→Si+CO2↑。
所述步骤(2)中,二次提纯步骤如下:
(2.1)对步骤(1.2)中的工业硅进行粉碎;
(2.2)将粉碎的工业硅加入设置有无水氯化氢的流化床反应器中;
(2.3)粉碎的工业硅和无水氯化氢反应生成三氯氢硅和气态的混合物, 且化学式为Si+HCl→SiHCl3+H2
(2.4)对气态混合物进行分解提纯处理。
所述步骤(3)中三次提纯,对步骤(2.3)中三氯化硅及其混合物进行 提纯,冷凝和净化,生成三氯化硅精馏。
所述步骤(4)中,还原步骤如下:
(4.1)将步骤(3)中提纯后的三氯化硅精馏加入反应容器中;
(4.2)在反应容器中注入氢气;
(4.3)在反应容器中加入电加热硅棒;
(4.4)对电加热硅棒进行加热使之升温,三氯化硅精馏在电加热硅棒上 沉淀,形成多晶硅,其化学式为SiHCl3+H2→Si+HCl;
(4.5)将步骤(4.4)中HCl通入水中,对其进行处理。
所述步骤(2.3)中的气态的混合物包括H2,HCl,SiHCl3,SiC14,Si。
所述步骤(2.4)中气态混合物进行分解提纯处理方法,包括以下步骤:
a.将气态混合物冲入装有水的容器中,并在该容器上连接一个导管, 集气容器进行连接;
b.气态混合物与水反应并沉淀,其中SiHCl3和SiC14与水发生反应, 其反应化学式为SiHCl3+4H2O→Si(OH)4+H2↑+3HCl和 SiC14+4H2O=H2SiO4+4HCl,H2不溶于水通过导管进入集气容器中,HCl 溶于水中,反应后Si(OH)4、H2SiO4和Si沉淀,可以通过过滤进行 去除回收。
所述步骤(4.4)的反应中多晶硅沉淀的质量与电加热硅棒的温度和时间变 化关系如图2,由图中可以看出,当温度处于1080℃-1100℃时,多晶硅的生成量趋 于平稳,从而可以得出结论,当温度在1080℃-1100℃时,多晶硅生成速度为最快,效 率最高。
实施例3
如图1所示,包括以下步骤:
(1)、冶炼提纯:取材石英砂,并将石英砂加入电弧炉中冶炼,使其提 纯到98%并生成工业硅;
(2)、二次提纯:将工业硅粉碎,将粉碎的工业硅加入无水氯化氢的流 化床反应器中,生成拟溶解的三氯氢硅;
(3)、三次提纯:过滤并冷凝拟溶解的三氯氢硅生成三氯氢硅(多级精 馏);
(4)、还原:净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺,以高纯SiHCl3在H2 气体中还原沉积而生成多晶硅。
所述步骤(1)中冶炼提纯,包括以下步骤:
(1.1)、取材石英砂;
(1.2)、将石英砂加入电弧炉中进行提炼,使其纯度达到98%并生产工 业硅,其化学式为SiO2+C→Si+CO2↑。
所述步骤(2)中,二次提纯步骤如下:
(2.1)对步骤(1.2)中的工业硅进行粉碎;
(2.2)将粉碎的工业硅加入设置有无水氯化氢的流化床反应器中;
(2.3)粉碎的工业硅和无水氯化氢反应生成三氯氢硅和气态的混合物, 且化学式为Si+HCl→SiHCl3+H2
(2.4)对气态混合物进行分解提纯处理。
所述步骤(3)中三次提纯,对步骤(2.3)中三氯化硅及其混合物进行 提纯,冷凝和净化,生成三氯化硅精馏。
所述步骤(4)中,还原步骤如下:
(4.1)将步骤(3)中提纯后的三氯化硅精馏加入反应容器中;
(4.2)在反应容器中注入氢气;
(4.3)在反应容器中加入电加热硅棒;
(4.4)对电加热硅棒进行加热使之升温,三氯化硅精馏在电加热硅棒上 沉淀,形成多晶硅,其化学式为SiHCl3+H2→Si+HCl;
(4.5)将步骤(4.4)中HCl通入水中,对其进行处理。
所述步骤(2.3)中的气态的混合物包括H2,HCl,SiHCl3,SiC14,Si。
所述步骤(2.4)中气态混合物进行分解提纯处理方法,包括以下步骤:
a.将气态混合物冲入装有水的容器中,并在该容器上连接一个导管, 集气容器进行连接;
b.气态混合物与水反应并沉淀,其中SiHCl3和SiC14与水发生反应, 其反应化学式为SiHCl3+4H2O→Si(OH)4+H2↑+3HCl和 SiC14+4H2O=H2SiO4+4HCl,H2不溶于水通过导管进入集气容器中,HCl 溶于水中,反应后Si(OH)4、H2SiO4和Si沉淀,可以通过过滤进行 去除回收。
对于步骤(2.4)-B的反应中产生的氢气可以通过导管输送至步骤(4.1) 中反应容器中,为其提供反应料,这种方法使得该发明在制备多晶硅时造价 更低。
本发明通过实验得出温度在1080℃-1100℃时,多晶硅生成速度为最快, 效率最高,由此在生产中将多晶硅生成的温度控制在1080℃-1100℃可以最大 化降低多晶硅制作的时间,同时,本发明中通过对气态混合物进行过水处理, 使气态混合物中的SiHCl3和SiC14与水发生反应并产生沉淀,这些沉淀物为 硅和硅的化合物,通过过滤可以将其进行分离,对于分离后的硅和硅的化合 物可以再次进行提炼,这样相比于直接排放更加节约资源,且再次提炼不需 要再次经过步骤(1)中的冶炼提纯了,使得比原始取材更加方便,同时对于 气态混合物中的H2和SiHCl3和SiC14与水发生反应产生的氢气可以通过排水 法进行收集,进行二次回收利用,从而使得该发明的环保性和节能性更强, 且产生的氢气可以通过导管输送至步骤(4.1)中反应容器中,为其提供反应 料,这种方法使得该发明在制备多晶硅时造价更低。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行 业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明 书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下, 本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范 围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种太阳能多晶硅片制备方法,包括以下步骤:
(1)、冶炼提纯:取材石英砂,并将石英砂加入电弧炉中冶炼,使其提纯到 98%并生成工业硅;
(2)、二次提纯:将工业硅粉碎,将粉碎的工业硅加入无水氯化氢的流化床反应器中,生成拟溶解的三氯氢硅;
(3)、三次提纯:过滤并冷凝拟溶解的三氯氢硅生成三氯氢硅(多级精馏);
(4)、还原:净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺,以高纯 SiHCl3 在H2气体中还原沉积而生成多晶硅。
2.根据权利要求 1 所述的一种太阳能多晶硅片制备方法,其特征在于: 所述步骤(1)中冶炼提纯,包括以下步骤:
(1.1)、取材石英砂;
(1.2)、将石英砂加入电弧炉中进行提炼,使其纯度达到 98%并生产工业硅,其化学式为SiO2+C→Si+CO2↑。
3.根据权利要求 1 所述的一种太阳能多晶硅片制备方法,其特征在于: 所述步骤(2)中,二次提纯步骤如下:
(2.1)对步骤(1.2)中的工业硅进行粉碎;
(2.2)将粉碎的工业硅加入设置有无水氯化氢的流化床反应器中;
(2.3)粉碎的工业硅和无水氯化氢反应生成三氯氢硅和气态的混合物, 且化学式为Si+HCl→SiHCl3+H2;
(2.4)对气态混合物进行分解提纯处理。
4.根据权利要求 1 所述的一种太阳能多晶硅片制备方法,其特征在于: 所述步骤(3)中三次提纯,对步骤(2.3)中三氯化硅及其混合物进行提纯, 冷凝和净化,生成三氯化硅精馏。
5.根据权利要求 1 所述的一种太阳能多晶硅片制备方法,其特征在于:
所述步骤(4)中,还原步骤如下:
(4.1)将步骤(3)中提纯后的三氯化硅精馏加入反应容器中;
(4.2)在反应容器中注入氢气;
(4.3)在反应容器中加入电加热硅棒;
(4.4)对电加热硅棒进行加热使之升温,三氯化硅精馏在电加热硅棒上沉淀,形成多晶硅,其化学式为 SiHCl3+H2→Si+HCl;
(4.5)将步骤(4.4)中HCl 通入水中,对其进行处理。
6.根据权利要求 3 所述的一种太阳能多晶硅片制备方法,其特征在于: 所述步骤(2.3)中的气态的混合物包括 H2,HCl,SiHCl3,SiC14,Si。
7.根据权利要求 3 所述的一种太阳能多晶硅片制备方法,其特征在于: 所述步骤(2.4)中气态混合物进行分解提纯处理方法,包括以下步骤:
将气态混合物冲入装有水的容器中,并在该容器上连接一个导管, 集气容器进行连接;
气态混合物与水反应并沉淀,其中SiHCl3 和 SiC14 与水发生反应, 其 反 应 化 学式 为 SiHCl3+4H2O → Si(OH)4+H2 ↑ +3HCl 和SiC14+4H2O=H2SiO4+4HCl,H2 不溶于水通过导管进入集气容器中,HCl溶于水中,反应后 Si(OH)4、H2SiO4 和 Si 沉淀,可以通过过滤进行去除回收。
8.根据权利要求 1 所述的一种太阳能多晶硅片制备方法,其特征在于: 所述步骤(4.4)的反应中电加热硅棒的温度在 1080℃~1100℃。
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