CN113371715B - 一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，涉及纳米粉末技术领域，其技术方案要点包括蒸发室、插接在所述蒸发室内的等离子电弧枪以及固定在所述蒸发室上端的熔硅炉，所述熔硅炉用于将硅原料熔融，并注入蒸发室内，以使得等离子电弧枪产生的等离子电弧对熔融硅原料进行气化；所述蒸发室远离所述等离子电弧枪的一端设置有冷却室，所述冷却室和所述蒸发室之间设置有用于对气化的硅原料初步冷却的冷凝管；所述冷却室的顶部连接有分离室，所述分离室的顶部连接有集尘器，所述集尘器的顶部连接有引风机，所述引风机连接有向所述冷却室内导气的压缩机。本发明具有获得形状规整、粒度分布均匀以及杂质含量低的纳米硅粉的效果。

Description

一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置

技术领域

本发明涉及纳米粉末技术领域，更具体地说它涉及一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置。

背景技术

随着石化能源的逐渐枯竭，寻找新的替代能源成为全人类共同的课题，高效太阳能电池将成为今后晶硅光伏电池的主流。大规模、高效地生产高纯度的纳米硅粉是提高太阳能电池转化效率，生产高效率太阳能电池的关键。

目前已知常用的纳米硅粉生产方法有以下几种，1）以硅烷为原料的化学气相沉积法，2）以二氧化硅为原料的氧化还原法等。化学气相沉积法生产纳米硅粉虽然粒度分布较均匀，纯度高。化学气相沉积法包括硅烷在热、微波、激光、等离子体等外界能量的作用下，在高氢稀释的条件下分解为硅和氢，在气相环境下快速冷凝，从而制备出纳米硅粉。以二氧化硅为原料的氧化还原法是让二氧化硅和一些较活泼金属如铝、镁、和非金属碳等，通过发生氧化还原反应制得硅粉的过程。

但是硅烷是有毒的爆炸性气体，安全保护是硅烷法的一个重要问题，而在化学气相沉积法的运用以来，至今尚未彻底解决，对环境和人身安全造成危害也是不容忽视。与此同时，以二氧化硅为原料的氧化还原法的生产步骤繁琐，废液处理困难，生产成本较高，不易大规模工业化生产。因此，现有的技术难以达到高安全系数、避免废气、废液排放以及低硅粉杂质的效果，影响到纳米硅粉的工业化生产与发展，有待改进。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，该太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置具有提高安全系数的同时，避免废气废液的排放，有利于工业化连续生产的效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，包括蒸发室、插接在所述蒸发室内的等离子电弧枪以及固定在所述蒸发室上端的熔硅炉，所述熔硅炉用于将硅原料熔融，并注入蒸发室内，以使得等离子电弧枪产生的等离子电弧对熔融硅原料进行气化；所述蒸发室远离所述等离子电弧枪的一端设置有冷却室，所述冷却室和所述蒸发室之间设置有用于对气化的硅原料初步冷却的冷凝管；所述冷却室的顶部连接有分离室，所述分离室的顶部连接有集尘器，所述集尘器的顶部连接有引风机，所述引风机连接有向所述冷却室内导气的压缩机。

本发明进一步设置为：所述熔硅炉与所述蒸发室之间设置有送料管；所述冷凝管与所述冷却室之间设置有法兰；所述冷却室与所述分离室之间设置有管路；所述分离室为旋风分离器，且所述集尘器内设置有多根与引风机连接的不锈钢过滤管；所述压缩机与所述冷却室之间设置有管路。

本发明进一步设置为：所述不锈钢过滤管设置有多个孔隙，所述孔隙的直径为5-20μm。

本发明进一步设置为：所述蒸发室呈管道式水平放置，且所述蒸发室的截面直径为30-50mm；所述等离子电弧枪从所述蒸发室的左端插入，所述冷凝管与所述蒸发室的右端连接。

本发明进一步设置为：所述蒸发室的长度与直径比为5:1。

本发明进一步设置为：所述蒸发室的截面积与所述冷凝管的截面积比为1:10。

本发明进一步设置为：所述蒸发室由石墨加工成型，且在外侧依次包覆有碳毡和石棉保温材料。

本发明进一步设置为：所述冷凝管的出口处设置有环形冷却喷嘴，所述环形冷却喷嘴与所述压缩机连接。

本发明进一步设置为：所述熔硅炉密封设置，并在氮气保护下控制所述熔硅炉内温度大于1500℃，以高频加热熔融硅原料；且所述熔硅炉内压力为100-110kPa。

本发明进一步设置为：所述等离子电弧枪采用氢气、氩气、氦气或惰性气体的混合气体作为电离气体。

本发明进一步设置为：所述熔硅炉垂直于蒸发室设置，且熔融的硅原料进入所述蒸发室的方向与等离子电弧的方向呈90°相切。

本发明进一步设置为：所述等离子电弧的电压为160-180V，电流为800-1000A。

本发明进一步设置为：所述分离室用于获得纳米硅粉，且所述纳米硅粉为球状，粒径为5-200nm。

本发明进一步设置为：所述引风机用于将冷却气体排入所述压缩机内压缩，且所述压缩机将冷却气体压缩至压力为0.6-0.8MPa。

本发明进一步设置为：还包括利用所述太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置进行的太阳能电池材料纳米硅粉的生产方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、将硅原料填装在熔硅炉内，将熔硅炉抽真空至小于等于10kPa，再通过氩气，将熔硅炉内压力控制在100-110kPa；

步骤2、开启高配加热硅原料，令熔硅炉内温度提升至1500℃以上，令熔硅炉内硅料完全熔融；

步骤3、开启等离子电弧枪，并将电流调至250A，经预热，再以10A/min将等离子电弧电流提升至800A；

步骤4、开启熔硅炉，令熔融硅原料进入蒸发室内，流速为1-3L/min，令硅原料在蒸发室内被垂直方向的等离子弧瞬间加热汽化，形成气化的硅原料；

步骤5、气化的硅原料通过冷凝管初步冷却后进入冷却室内，与氩气充分接触、冷却后结晶成核，形成硅粉粒子；

步骤6、结晶后的硅粉粒子进入分离室内进一步冷却，并降温至80℃以内后，在集尘器中通过反吹装置，逆行反吹后收集，控制反吹压力为0.5-0.6Mpa，获得纳米硅粉。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、通过令熔融的硅原料在进入蒸发室内后被等离子电弧剪切分散，从而显著提高传质效率，以使得纳米硅粉的产能增加40%以上；

2、通过令气化的硅原料在冷凝管的出口处经环形冷却喷嘴冷却，在充分接触后成核，并形成硅粉粒子，提升纳米硅粉的生产效率；

3、获得纳米硅粉具有形状规整、粒度分布均匀以及杂质含量低的效果。

附图说明

图1是本实施例的结构示意图。

附图标记说明：1、熔硅炉；2、等离子电弧枪；3、蒸发室；4、冷凝管；5、冷却室；6、分离室；7、集尘器；8、引风机；9、压缩机。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图对本发明作进一步详细说明。

以下针对本发明实施例的太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置进行具体说明：

如图1所示，一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，包括蒸发室3、插接在蒸发室3内的等离子电弧枪2以及固定在蒸发室3上端的熔硅炉1。熔硅炉1用于将硅原料熔融，并注入蒸发室3内，以使得等离子电弧枪2产生的等离子电弧对熔融硅原料进行气化。其中，熔硅炉1垂直于蒸发室3设置，且熔融的硅原料进入蒸发室3的方向与等离子电弧的方向呈90°相切。蒸发室3呈管道式水平放置，且蒸发室3的截面直径为30-50mm。等离子电弧枪2从蒸发室3的左端插入，并在蒸发室3的右端连接依次连接有冷凝管4和冷却室5。冷却室5位于蒸发室3远离等离子电弧枪2的一端，并在冷却室5的顶部连接有分离室6。与此同时，在分离室6的顶部连接有集尘器7，以对制得的纳米硅粉进行收集。在集尘器7的顶部连接有引风机8，引风机8连接有向冷却室5内导气的压缩机9，以实现该生产装置的内部冷却气体的循环。其中引风机8用于将冷却气体排入压缩机9内压缩。压缩机9用于将冷却气体压缩至压力为0.6-0.8MPa后经冷却排入冷却室5内。

需要提及的是，在熔硅炉1与蒸发室3之间设置有送料管，送料管将熔融的硅原料直接以沿竖直的方向直接导入蒸发室3内。冷凝管4与冷却室5之间设置有法兰，以使得法兰有效连接冷凝管4与冷却室5，避免出现孔隙而影响到纳米硅粉的有效制取。在冷却室5与分离室6之间设置有管路，以使得经过冷却室5冷却的硅粉粒子有效进入分离室6内分离。其中，分离室6为旋风分离器，且集尘器7内设置有多根与引风机8连接的不锈钢过滤管，以通过不锈钢滤管实现纳米硅粉的与冷却气体的有效分离。在不锈钢过滤管设置有多个孔隙，且孔隙的直径为5-20μm。同时，为了实现有效的冷却气体循环效果，在压缩机9与冷却室5之间设置有管路。

为了优化以及提升该生产装置对熔融的硅原料的传质效率，令熔硅炉1密封设置，并在氮气保护下控制熔硅炉1内温度大于1500℃，以高频加热熔融硅原料，并有效控制熔硅炉1内压力为100-110kPa。另外，蒸发室3的长度与直径比为5:1。且蒸发室3的截面积与所述冷凝管4的截面积比为1:10。以此来提升等离子电弧对熔融硅原料的气化效果。与此同时，蒸发室3由石墨加工成型，且在外侧依次包覆有碳毡和石棉保温材料，以达到防止热量流失而影响到等离子电弧对熔融硅原料的气化效果。

为了优化以及提升该生产装置对蒸发的硅原料的冷却效率，在冷凝管4的出口处设置有环形冷却喷嘴。环形冷却喷嘴与所述压缩机9连接，进而达到令蒸发的硅原料在环形冷却喷嘴处瞬间成核，并形成硅粉粒子。

需要说明的是，等离子电弧枪2采用氢气、氩气、氦气或惰性气体的混合气体作为电离气体。等离子电弧的电压为160-180V，电流为800-1000A，以在通过分离室6获得形状为球状且粒径为5-200nm的纳米硅粉。

该太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置还包括利用太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置进行的太阳能电池材料纳米硅粉的生产方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、将硅原料填装在熔硅炉1内，将熔硅炉1抽真空至小于等于10kPa，再通过氩气，将熔硅炉1内压力控制在100-110kPa；

步骤2、开启高配加热硅原料，令熔硅炉1内温度提升至1500℃以上，令熔硅炉1内硅料完全熔融；

步骤3、开启等离子电弧枪2，并将电流调至250A，经预热，再以10A/min将等离子电弧电流提升至800A；

步骤4、开启熔硅炉1，令熔融硅原料进入蒸发室3内，流速为1-3L/min，令硅原料在蒸发室3内被垂直方向的等离子弧瞬间加热汽化，形成气化的硅原料；

步骤5、气化的硅原料通过冷凝管4初步冷却后进入冷却室5内，与氩气充分接触、冷却后结晶成核，形成硅粉粒子；

步骤6、结晶后的硅粉粒子进入分离室6内进一步冷却，并降温至80℃以内后，在集尘器7中通过反吹装置，逆行反吹后收集，控制反吹压力为0.5-0.6Mpa，获得纳米硅粉。

实施例一

如图1所示，一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，包括蒸发室3、插接在蒸发室3内的等离子电弧枪2以及固定在蒸发室3上端的熔硅炉1。熔硅炉1用于将硅原料熔融，并注入蒸发室3内，以使得等离子电弧枪2产生的等离子电弧对熔融硅原料进行气化。其中，熔硅炉1垂直于蒸发室3设置，且熔融的硅原料进入蒸发室3的方向与等离子电弧的方向呈90°相切。蒸发室3呈管道式水平放置，且蒸发室3的截面直径为30mm。等离子电弧枪2从蒸发室3的左端插入，并在蒸发室3的右端连接依次连接有冷凝管4和冷却室5。冷却室5位于蒸发室3远离等离子电弧枪2的一端，并在冷却室5的顶部连接有分离室6。与此同时，在分离室6的顶部连接有集尘器7，以对制得的纳米硅粉进行收集。在集尘器7的顶部连接有引风机8，引风机8连接有向冷却室5内导气的压缩机9，以实现该生产装置的内部冷却气体的循环。其中引风机8用于将冷却气体排入压缩机9内压缩。压缩机9用于将冷却气体压缩至压力为0.6MPa后经冷却排入冷却室5内。

需要提及的是，在熔硅炉1与蒸发室3之间设置有送料管，送料管将熔融的硅原料直接以沿竖直的方向直接导入蒸发室3内。冷凝管4与冷却室5之间设置有法兰，以使得法兰有效连接冷凝管4与冷却室5，避免出现孔隙而影响到纳米硅粉的有效制取。在冷却室5与分离室6之间设置有管路，以使得经过冷却室5冷却的硅粉粒子有效进入分离室6内分离。其中，分离室6为旋风分离器，且集尘器7内设置有多根与引风机8连接的不锈钢过滤管，以通过不锈钢滤管实现纳米硅粉的与冷却气体的有效分离。在不锈钢过滤管设置有多个孔隙，且孔隙的直径为5μm。同时，为了实现有效的冷却气体循环效果，在压缩机9与冷却室5之间设置有管路。

为了优化以及提升该生产装置对熔融的硅原料的传质效率，令熔硅炉1密封设置，并在氮气保护下控制熔硅炉1内温度为1550℃，以高频加热熔融硅原料，并有效控制熔硅炉1内压力为100kPa。另外，蒸发室3的长度与直径比为5:1。且蒸发室3的截面积与所述冷凝管4的截面积比为1:10。以此来提升等离子电弧对熔融硅原料的气化效果。与此同时，蒸发室3由石墨加工成型，且在外侧依次包覆有碳毡和石棉保温材料，以达到防止热量流失而影响到等离子电弧对熔融硅原料的气化效果。

为了优化以及提升该生产装置对蒸发的硅原料的冷却效率，在冷凝管4的出口处设置有环形冷却喷嘴。环形冷却喷嘴与所述压缩机9连接，进而达到令蒸发的硅原料在环形冷却喷嘴处瞬间成核，并形成硅粉粒子。

需要说明的是，等离子电弧枪2采用氢气、氩气、氦气或惰性气体的混合气体作为电离气体。等离子电弧的电压为160V，电流为800A，以在通过分离室6获得形状为球状且粒径为5-200nm的纳米硅粉。

该太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置还包括利用太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置进行的太阳能电池材料纳米硅粉的生产方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、将硅原料填装在熔硅炉1内，将熔硅炉1抽真空至小于等于10kPa，再通过氩气，将熔硅炉1内压力控制在100kPa；

步骤2、开启高配加热硅原料，令熔硅炉1内温度提升至1550℃，令熔硅炉1内硅料完全熔融；

步骤3、开启等离子电弧枪2，并将电流调至250A，经预热，再以10A/min将等离子电弧电流提升至800A；

步骤4、开启熔硅炉1，令熔融硅原料进入蒸发室3内，流速为1L/min，令硅原料在蒸发室3内被垂直方向的等离子弧瞬间加热汽化，形成气化的硅原料；

步骤5、气化的硅原料通过冷凝管4初步冷却后进入冷却室5内，与氩气充分接触、冷却后结晶成核，形成硅粉粒子；

步骤6、结晶后的硅粉粒子进入分离室6内进一步冷却，并降温至80℃以内后，在集尘器7中通过反吹装置，逆行反吹后收集，控制反吹压力为0.5Mpa，获得纳米硅粉。

实施例二

实施例二与实施例一的不同之处在于，实施例二中的蒸发室3的截面直径为40mm。

实施例三

实施例三与实施例一的不同之处在于，实施例三中的蒸发室3的截面直径为50mm。

实施例四

实施例四与实施例一的不同之处在于，实施例四中的压缩机9将冷却气体压缩至压力为0.8MPa。

实施例五

实施例五与实施例一的不同之处在于，实施例五中的孔隙的直径为20μm。

实施例六

实施例六与实施例一的不同之处在于，实施例六中的等离子电弧的电压为170V，电流为900A。

实施例七

实施例七与实施例一的不同之处在于，实施例七中的等离子电弧的电压为180V，电流为1000A。

实施例八

实施例八与实施例一的不同之处在于，实施例八中的熔融硅原料进入蒸发室3内的流速为3L/min。

综上，本申请通过令熔融的硅原料在进入蒸发室3内后被等离子电弧剪切分散，从而显著提高传质效率，以使得纳米硅粉的产能增加40%以上；并通过令气化的硅原料在冷凝管4的出口处经环形冷却喷嘴冷却，在充分接触后成核，并形成硅粉粒子，提升纳米硅粉的生产效率。因此，通过该太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，以采用该太阳能电池材料纳米硅粉的生产方法将获得具有形状规整、粒度分布均匀以及杂质含量低效果的纳米硅粉。

以上所述仅为本发明的优选实施例，本发明的保护范围并不仅仅局限于上述实施例，但凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干修改和润饰，这些修改和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：包括蒸发室(3)、插接在所述蒸发室(3)内的等离子电弧枪(2)以及固定在所述蒸发室(3)上端的熔硅炉(1)，所述熔硅炉(1)用于将硅原料熔融，并注入蒸发室(3)内，以使得等离子电弧枪(2)产生的等离子电弧对熔融硅原料进行气化；所述蒸发室(3)远离所述等离子电弧枪(2)的一端设置有冷却室(5)，所述冷却室(5)和所述蒸发室(3)之间设置有用于对气化的硅原料初步冷却的冷凝管(4)；所述冷却室(5)的顶部连接有分离室(6)，所述分离室(6)的顶部连接有集尘器(7)，所述集尘器(7)的顶部连接有引风机(8)，所述引风机(8)连接有向所述冷却室(5)内导气的压缩机(9)；其中：还包括利用所述太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置进行的太阳能电池材料纳米硅粉的生产方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、将硅原料填装在熔硅炉(1)内，通过氩气置换熔硅炉(1)内空气；

步骤2、开启高配加热硅原料，令熔硅炉(1)内硅料完全熔融；

步骤3、开启等离子电弧枪(2)，经预热后将等离子电弧电流提升至800-1000A；

步骤4、开启熔硅炉(1)，令熔融硅原料进入蒸发室(3)内，令硅原料在蒸发室(3)内被垂直方向的等离子弧瞬间加热汽化，形成气化的硅原料；

步骤5、气化的硅原料通过冷凝管(4)初步冷却后进入冷却室(5)内，与氩气充分接触、冷却后结晶成核，形成硅粉粒子；

步骤6、结晶后的硅粉粒子进入分离室(6)内进一步冷却，在集尘器(7)中通过反吹装置，逆行反吹后收集，获得纳米硅粉。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：所述熔硅炉(1)与所述蒸发室(3)之间设置有送料管；所述冷凝管(4)与所述冷却室(5)之间设置有法兰；所述冷却室(5)与所述分离室(6)之间设置有管路；所述分离室(6)为旋风分离器，且所述集尘器(7)内设置有多根与引风机(8)连接的不锈钢过滤管；所述压缩机(9)与所述冷却室(5)之间设置有管路。

3.根据权利要求2所述的一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：所述不锈钢过滤管设置有多个孔隙，所述孔隙的直径为5-20μm。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：所述蒸发室(3)呈管道式水平放置，且所述蒸发室(3)的截面直径为30-50mm；所述等离子电弧枪(2)从所述蒸发室(3)的左端插入，所述冷凝管(4)与所述蒸发室(3)的右端连接。

5.根据权利要求4所述的一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：所述蒸发室(3)的长度与直径比为5:1。

6.根据权利要求4所述的一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：所述蒸发室(3)的截面积与所述冷凝管(4)的截面积比为1:10。

7.根据权利要求1所述的一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：所述蒸发室(3)由石墨加工成型，且在外侧依次包覆有碳毡和石棉保温材料。

8.根据权利要求1所述的一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：所述冷凝管(4)的出口处设置有环形冷却喷嘴，所述环形冷却喷嘴与所述压缩机(9)连接。

9.根据权利要求1所述的一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：所述熔硅炉(1)密封设置，并在氮气保护下控制所述熔硅炉(1)内温度大于1500℃，以高频加热熔融硅原料；且所述熔硅炉(1)内压力为100-110kPa。

10.根据权利要求1所述的一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：所述等离子电弧枪(2)采用氢气、氩气、氦气或惰性气体的混合气体作为电离气体。

11.根据权利要求1所述的一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：所述熔硅炉(1)垂直于蒸发室(3)设置，且熔融的硅原料进入所述蒸发室(3)的方向与等离子电弧的方向呈90°相切。

12.根据权利要求1所述的一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：所述等离子电弧的电压为160-180V。

13.根据权利要求1所述的一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：所述分离室(6)用于获得纳米硅粉，且所述纳米硅粉为球状，粒径为5-200nm。

14.根据权利要求1所述的一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：所述引风机(8)用于将冷却气体排入所述压缩机(9)内压缩，且所述压缩机(9)将冷却气体压缩至压力为0.6-0.8MPa。

15.根据权利要求1所述的一种太阳能电池材料纳米硅粉的生产装置，其特征在于：在步骤1中，所述熔硅炉(1)抽真空至小于等于10kPa，再通过氩气将熔硅炉(1)内压力控制在100-110kPa；在步骤2中，令熔硅炉(1)内温度提升至1500℃以上以令熔硅炉(1)内硅料完全熔融；在步骤3中，等离子电弧枪(2)的电流调至250A，经预热，再以10A/min将等离子电弧电流提升至800A；在步骤4中，所述熔融硅原料进入蒸发室(3)内的流速为1-3L/min；在步骤6中，冷却时降温至80℃以内后，再在集尘器(7)中通过反吹装置逆行反吹后收集，并控制反吹压力为0.5-0.6Mpa，获得纳米硅粉。

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