[發明專利]一種使用太陽爐提純硅材料的方法

有效

• 申請號: 200910301389.2
• 申請日: 2009-04-08
• 公開（公告）號: CN101549868A
• 公開（公告）日: 2009-10-07
• 發明（設計）人: 陳應天;林晨星;何祚庥;林文漢
• 申請（專利權）人: 陳應天
• 主分類號: C01B33/037
• 分類號: C01B33/037
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種提純硅材料以去除硼、磷和其他雜質的方法，尤其是通過使用高聚光比 的高溫太陽爐以高溫光化學反應方法提純硅材料去除硼、磷和其他雜質的方法；所獲得的硅 材料可進一步用來使用其他物理法提純，如區熔提純或定向凝固提純法等制成硅光電池的原 料。

背景技術

通過利用硅的氫氯化物(三氯化氫硅或硅烷等)的化學法分解和蒸餾而取得高純硅的西 門子方法或改良西門子方法由于其高成本、高耗能以及尾氣對環境的影響，在純為制備光電 池的制硅工業中已經受到許多的其他物理提純方法的挑戰。這主要是由于實際上對于光電池 的硅材料的純度要求僅為6個9(即99.9999％)其中硼、磷可為1ppm(質量)以下而其他金屬 雜質為0.1ppm或以下并不需要更高純度的硅材料。

通過物理法提純金屬硅的方法十分多，其中比較一致的現有技術為利用定向凝固或區熔 提純硅材料的方法去除那些分離系數遠小于1的大部分金屬及非金屬雜質。然而由于作為半 導體中的載體與受載體的硼(分離系數為0.85)與磷(分離系數為0.35)的分離系數接近1 ，盡管磷可以利用其較大的蒸汽壓，在真空條件下去除，去硼是十分困難的工作。這就產生 了許多不同的主要目的在于去硼的提純方法。在這些方法中，比較成功的總結為以下兩大類 ：

第一類，在熔化了的硅中，注入各種反應氣體，如氫氣、水蒸汽等，伴隨著氬氣、氦氣 等隋性氣體使硼反應成氣態化合物，從熔硅中揮發出去。為了提高溫度和充分的攪拌，諸如 等離子體火焰、氫氧氣火焰、電子束槍等高溫手段都可以應用。然而，去硼效率低下、反應 速率緩慢是此方法的主要缺點。

第二類，在熔硅中使用添加劑的方法，利用反應后的硼、磷在添加劑中的不同的分配系 數(例如硼在添加劑中的含量/硼在熔硅中的含量)而將硅料中的雜質進行萃取。在這種方 法中，為了促使充分的反應，在實驗中，對各種不同的配方都進行了詳盡的試驗。然而由于 反應速度緩慢，無論如何都無法克服消耗大量電能的缺點，這是因為為了使添加劑同熔硅充 分接觸，必須長時間地保持反應狀態，而且需要多次更新添加劑；添加劑與熔硅在現有技術 的加熱容器中不易充分接觸并且反應緩慢(一般需要4-5個小時)是此方法的主要缺點。

為了減少提純硅材料的大量電力損耗，不少研究者們也曾經多次提出使用太陽輻射代替 電力作為能源，例如Flamant等人(見Purification?of?metallurgical?grade?silicon?by a?solar?process，Sol.Energy?Matter.Sol.Cells，2006)使用了一個2米的直徑的拋物面 太陽爐將太陽輻射聚焦到一個大約有3克質量的盛在水冷坩堝的硅料上，通過帶有水蒸汽的 氬氣流與1600℃左右的熔硅反應。在真空條件下，經過50分鐘，獲得了硼含量減少雜質原含 量30％的結果，效果不是太理想。陳應天等人(中國專利公開號CN101089207)公開了一種使 用由行與列運動產生自適應聚焦的太陽爐在真空中，熔煉去磷去硼，以獲得了接近光電池材 料標準的硅材料的方法。Tsuo等人(美國專利號5,627,081，Method?for?Processing Sillicon?Solar?Cells)還提出了用聚光太陽輻射代替電子用于太陽能光電池生產，包括 表面組織、純化等過程。然而以上所列的高倍聚光技術不能夠去除或者高速率地去除硅材料 中的硼元素，不能獲得突出的經濟效益。