[發明專利]一種工業化生產太陽能級多晶硅的方法

無效

• 申請號: 200910084349.7
• 申請日: 2009-05-22
• 公開（公告）號: CN101575733A
• 公開（公告）日: 2009-11-11
• 發明（設計）人: 盧惠民
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C30B29/06
• 分類號: C30B29/06;C30B28/02
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所
• 代理人: 周長琪

技術領域

本發明涉及一種生產太陽能級多晶硅的方法。更特別地說，是指一種采用熔鹽電解→電磁感應熔煉→分步結晶→真空蒸餾的組合工藝進行太陽能級多晶硅的工業化生產方法。

背景技術

目前全球面臨能源短缺、生態環境惡化等嚴重問題，解決的有效途徑是利用太陽能光伏技術。其中多晶硅電池占世界太陽電池總產量的60％以上。生產大量的太陽能電池將需要大量的太陽能級多晶硅材料。

現有的太陽能級多晶硅材料的生產方法有化學法和物理法兩種方式?；瘜W法主要包括西門子法和改良西門子法，是傳統的工業生產多晶硅工藝。

用于工業生產的改良西門子法是在惰性氣體稀釋的氣氛下，使選自硅烷類氣體，如甲硅烷(SiH₂)、二氯硅烷(SiH₂Cl₂)、三氯硅烷(SiHCl₃)等中的一種氣體或兩種以上的混合氣體和氫氣與保持在高溫的芯材相接觸，從而使硅沉積在該芯材的表面。化學法投資大、生產成本高，在生產過程中需要氯氣，安全性差，污染嚴重?；瘜W法生產多晶硅的投資資金和技術門檻都很高，一個千噸級規模的項目，投資在10多億元人民幣，其產量卻占世界總產量的90％以上。如果技術不過關，產品成本高，形成盲目投資和低水平重復建設的局面，將造成資源和能源的浪費，給企業和國家造成損失。

目前，也有的采用物理法提純工藝，如利用電子束和/或等離子束高能束流直接熔煉提純金屬硅并結合定向凝固制得太陽能級多晶硅，所用生產設備復雜、造價高，而且，受生產設備制造水平限制，很難實現大規模、工業化生產，并且所得產品達不到西門子法所生產的太陽能級多晶硅的品質。

發明內容

為了降低工業化生產太陽能級多晶硅在西門子法或改良西門子法中的生產成本高，以及采用電子束和等離子束高能束法生產太陽能多晶硅生產設備復雜、產品質量達不到要求的缺點，本發明提出一種低成本、設備簡單、投資少而且產品品質高的生產太陽能級多晶硅的工業化生產方法，該工業化生產方法順次采用了熔鹽電解制鋁硅合金→電磁感應熔煉提純→分步結晶提純→真空蒸餾提純的組合。使得制得的太陽能級多晶硅的質量百分比純度為99.9999％～99.99999％，更加適合于加工太陽能電池。

本發明是一種從工業硅中提取太陽能級多晶硅的工業化生產方法，該工業化生產包括有下列制備步驟：

步驟一：熔鹽電解制鋁硅合金

在電解槽的底部平鋪放入陽極材料，然后在陽極材料之上平鋪放入電解質，再在電解質之上平鋪放入陰極材料；電解用料按層平鋪好后，在3V～5V的電壓，5kA～100kA的電流，900℃～1000℃的溫度條件下電解30min～120min后制得鋁硅合金；

用量：100g的電解質中加入100g～1000g的陽極材料，50g～300g的陰極材料；

陽極材料為工業硅和高純銅的混合粉料，100g的工業硅中加入300g～700g的高純銅(質量百分比純度為99.99％)；

電解質為氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣和氯化鋇中的一種或兩種；

陰極材料為高純鋁(質量百分比純度為99.99％)。

在本發明中，陽極材料、陰極材料和電解質均選用粉材(采用研磨技術分別得到粒徑1mm以下)。此步驟的電解過程也是滲硅過程，陽極材料在電解條件(電壓、電流和溫度)下，其材料中的硅先滲透進入電解質后，再滲透進入陰極材料中，因此在陰極材料中得到了鋁硅合金。該鋁硅合金中的成分有Si、Al、P、B、Ca、Fe和微量的反應雜質。

步驟二：電磁感應熔煉除雜

將步驟一制得的鋁硅合金加入到電磁感應爐中，在電磁感應爐的爐底通入含10％水蒸汽的氬氣，氬氣的氣流量為1m³/h～2m³/h，電磁感應爐內溫度控制在900℃～920℃條件下熔煉10min～60min后，制得第一中間產物；

此步驟的目的在于除去鋁硅合金中的P、B和Ca。

步驟三：結晶精制高純硅

將步驟二制得的第一中間產物置于分步結晶爐中，控制結晶溫度580℃～590℃，并在熔體中插入水冷的結晶器，促使晶體在結晶器上生長；然后，采用刮除法將結晶出的固體硅聚集到結晶爐的底部，即制得質量百分比純度為99.99～99.995％的高純硅；

此步驟的提純，去除了Fe、Ca和Al，Fe去除率達到98％以上，Ca去除率達到80％以上，Al去除率達到99.99％以上。

步驟四：真空蒸餾提純制太陽能級多晶硅