CN201372205Y - 一种多晶硅料提纯设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多晶硅料提纯设备，尤其是一种包括涂层陶瓷坩埚的提纯设备。本实用新型包括陶瓷坩埚和电加热装置，其特征在于在陶瓷坩埚内表面喷涂、烧结一隔离层；所述的隔离层可包含氮化硅；所述的隔离层喷涂温度为40～80℃，烧结温度为600～1000℃。本实用新型的优点在于解决了硅熔体与容器材质发生反应致使硅晶体纯度不高的问题，具有成本低、无污染、使用方便、固定可靠、不易损坏。

Description

一种多晶硅料提纯设备

技术领域：

本实用新型涉及一种多晶硅料提纯设备，尤其是一种包括涂层陶瓷坩埚的提纯设备。

背景技术：

现有的提纯硅的方法有多种，包括化学法和物理法，其中属于化学法的改良西门子法是目前获得半导体级高纯硅主要方法，但此方法具有较高的技术要求和资金投入。光伏行业使用的硅原料主要有两种来源，一是直接使用半导体级的高纯硅，但是成本过高；二是使用半导体行业的废料以及低等级的半导体级多晶硅。随着近几年光伏行业的迅猛发展，来源于半导体行业的硅原料已经无法满足光伏行业的需求。寻求新的硅原料的来源已经成为众多光伏企业的面临的重要问题。人们积极开发采用非西门子法去除冶金硅中的杂质，获得高纯硅的方法。冶金硅中的金属杂质的分凝系数很小，往往通过定向凝固的方法去除，而其中的P、B等元素的分凝系数较大，采用定向凝固法很难使其中的P、B杂质降低到理想的水平。

溶质分凝效应是一种在凝固过程中普遍存在而且非常重要的物理现象。在凝固的界面处，溶质在固体和液体中分布的浓度往往存在差异。定义k＝C_S/C_L为分凝系数，其中C_S、C_L分别为液固界面处溶质在固体的浓度和在液体中的浓度。当k＜1时，随着液固界面的推移，液体中溶质的浓度是逐渐升高的，即剩余液体中含有较高浓度溶质；相反，当k＞1时，液体中溶质的浓度是逐渐降低的，此时剩余液体中溶质的浓度较低。人们根据分凝现象实用新型了多种提纯物质的工艺，可以有效地将杂质去除从而获得高纯的物质，其中区熔法是运用杂质分凝现象进行物质提纯的典型实例。直拉法结晶的过程也伴随着显著的杂质分凝现象，因此可以作为一种有效的提纯手段。

美国专利US5182091中公开了一种通过在真空下采用电子束使硅熔融来去除磷杂质的方法；美国专利US6090361中描述了一种将冶金硅提纯以用于太阳能电池应用中的方法，在真空下使从磷从熔融硅中蒸发出来；美国专利US6231826公开了通过在真空下将熔融硅浇注到连续的高纯度高密度的石墨容器中，并用电子束加热，以去除磷的方法；文献号CN1890177的中国专利公开了一种去除硅中磷杂质的方法，将冶金级硅研磨成由直径小于大约5mm的硅颗粒构成的硅粉，将研磨后的硅粉保持在固态的同时，将其在减小的压力下加热到某个低于硅熔点的温度，在此温度下保持足够长的一段时间来去除硅中的磷杂质。

通常认为，高浓度的氧含量可以明显导致太阳电池的光衰减，而制造太阳电池用的硅晶体中的氧主要来源于硅熔体与石英坩埚的反应：Si+SiO₂＝2SiO，一部分SiO溶入熔体，最终进入硅晶体。

上述现有技术的共同缺点在于都没有解决如何避免上述反应的发生。

实用新型内容：

本实用新型针对现有技术中所存在的上述问题提供一种多晶硅料的提纯设备，其要解决的技术问题在于：该装置可以避免硅熔体与SiO₂的直接接触，从而有效降低晶体硅中的氧含量，去除低等级硅中的磷、氧、碳以及金属杂质，获得高纯度的硅材料，使其能够大规模、大比例地应用于制造高效率太阳能电池用的硅片。

目前喷涂有涂层的陶瓷坩埚主要应用于多晶硅铸锭的生产，本实用新型将涂层陶瓷坩埚作为提纯低等级硅材料获得高纯度硅材料的容器，可以减少硅与坩埚在熔化、结晶过程中的反应，从而有效降低获得的高纯度硅材料中的氧含量。

本实用新型的上述技术问题是这样实现的：提供一种多晶硅料的提纯设备，包括陶瓷坩埚和电加热装置，其特征在于在陶瓷坩埚内表面喷涂、烧结一隔离层；所述的隔离层可包含氮化硅；所述的隔离层喷涂温度为40～80℃，烧结温度为600～1000℃。

所述的隔离层喷涂烧结后必须完全覆盖陶瓷坩埚内表面，以起到完全隔绝硅熔体与坩埚接触的目的。

所述的隔离层喷涂烧结过程需保证涂层材料的均匀涂布，以利于烧结完成后的坩埚的受热均匀。

采用上述涂层涂布后，涂层能够阻断硅熔体与坩埚壁的接触，避免二者之间发生反应，从而有效降低进入熔体硅中氧的含量，提高成品晶体硅的纯度。

采用本实用新型的提纯设备，其中电加热设备可为熔化、结晶设备，将待提纯的低纯度的硅原料放置在喷涂有隔离涂层的陶瓷坩埚内，在熔化、结晶设备中熔化低纯度硅料，并在减压状态下进行蒸馏处理；在熔化、结晶设备中采用直拉结晶法获得高纯度的硅晶体。

本实用新型的优点在于解决了硅熔体与容器材质发生反应致使硅晶体纯度不高的问题，具有成本低、无污染、使用方便、固定可靠、不易损坏。

附图说明：

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

图1是本实用新型多晶硅料的提纯设备的陶瓷坩埚结构示意图。

具体实施方式：

参见图1，本技术方案中多晶硅料的提纯设备为直拉单晶炉，其中带有一隔离涂层2的陶瓷坩埚1，所述陶瓷坩埚1内表面喷涂、烧结一隔离层2；所述的隔离层2为氮化硅；所述的隔离层2喷涂温度为40～80℃，烧结温度为600～1000℃。

采用直拉单晶法对低纯度硅原料进行提纯，以下为两个应用实例及一个对照例以说明本实用新型的技术效果。

应用实例1：

首先对提纯前的低纯度硅原料进行取样，测量其中杂质的含量。在带有涂层的陶瓷坩埚中放入60kg硅原料，将炉内抽空后通入保护气体，并且使炉内气压控制在500Pa，加热使硅熔化。保温熔炼4小时后，采用直拉法使硅熔体结晶成固体。晶体的生长速度控制在30mm/h。结晶完成后，从固体硅晶体上取样测量其中杂质含量。比较提纯前后硅中磷、氧的含量，计算出提纯后磷、氧杂质剩余分率分别为60％、50％。

应用实例2：

将与实例1相同的硅原料60kg放入带有涂层的陶瓷坩埚，将炉内抽空后通入保护气体，并且将炉内气压控制在300Pa。加热使硅料熔化并适当过热，熔炼10小时后用直拉法使硅熔体结晶成固体。晶体的生长速度控制在50mm/h。结晶完成后，从固体硅晶体上取样测量其中杂质含量，计算出提纯后的磷、氧杂质剩余分率分别为40％、35％。

对比实例：

将与实例1相同的硅原料60kg放入石英坩埚，将炉内抽空后通入保护气体，并且使炉内气压控制在300Pa。加热使硅熔化，并使硅熔体适当过热熔炼10小时后，采用直拉法使硅熔体结晶成固体。晶体的生长速度控制在50mm/h。结晶完成后，从固体硅晶体上取样测量其中杂质含量，计算出提纯后的磷、氧杂质剩余分率分别为40％、130％。

以上实例的技术参数及杂质剩余分数如下表所示

序号	气压(Pa)	熔炼时间(h)	晶体生长速度(mm/h)	剩余磷杂质浓度分率(％)	剩余氧杂质浓度分率(％)
						1	500	4	30	60	50
2	300	10	50	40	35
						3	300	10	50	40	130

本实用新型不局限于上述实施方式，不论隔离涂层材质和结构上做任何变化，凡是在容器与硅熔体之间加设一层隔离涂层以防止容器壁与硅熔体发生反应的技术方案均应认为落在本实用新型保护范围之内。

Claims (3)

1、一种多晶硅料提纯设备，包括陶瓷坩埚和电加热装置，其特征在于在陶瓷坩埚内表面喷涂、烧结一隔离层。

2、根据权利要求1所述的多晶硅料提纯设备，其特征在于所述的隔离层为氮化硅。

3、根据权利要求2所述的多晶硅料提纯设备，其特征在于所述的隔离层喷涂温度为40～80℃，烧结温度为600～1000℃。

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