[發明專利]一種電子束梯度熔煉提純多晶硅的方法

無效

• 申請號: 201010247815.1
• 申請日: 2010-08-02
• 公開（公告）號: CN101905886A
• 公開（公告）日: 2010-12-08
• 發明（設計）人: 譚毅;鄒瑞洵;顧正;董偉;姜大川
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C01B33/037
• 分類號: C01B33/037
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

技術領域

本發明屬于用物理冶金技術提純多晶硅的技術領域，特別涉及一種利用電子束熔煉技術去除多晶硅中磷和金屬雜質的方法。

背景技術

太陽能級多晶硅是目前最主要的光伏材料，其高昂的制造成本以及復雜的制造工藝是制約光伏產業大發展的瓶頸，嚴重阻礙了我國太陽能電池的推廣和使用。我國能夠自主生產的太陽能級多晶硅不足需求的5％，絕大部分原材料需要進口，開發適合我國國情的太陽能級多晶硅制備技術符合國家能源戰略的要求，是我國光伏產業大發展的必由之路。

目前，世界范圍內制備太陽能電池用多晶硅材料已形成規模化生產，主要方法是改良西門子法。西門子法是以鹽酸(或氫氣、氯氣)和冶金級工業硅為原料，由三氯氫硅，進行氫還原的工藝。現在國外較成熟的技術是西門子法，并且已經形成產業。該法已發展至第三代，現在正在向第四代改進。第一代西門子法為非閉合式，即反應的副產物氫氣和三氯氫硅，造成了很大的資源浪費。現在廣泛應用的第三代改良西門子工藝實現了完全閉環生產，氫氣、三氯氫硅硅烷和鹽酸均被循環利用，規模也在1000噸每年以上。但其綜合電耗高達170kW·h/kg，并且生產呈間斷性，無法在Si的生產上形成連續作業，并且此法在流程的核心環節上采取了落后的熱化學氣相沉積，工藝流程的環節過多，一次轉化率低，導致流程時間太長，增加了材耗、能耗成本。

為此，世界各國都在積極探索制備高純硅材料的全新工藝方法，其中冶金法制備多晶硅由于具有生產周期短、污染小、成本低、工藝相對簡單、規模大小可控等特點，被認為是最能有效地降低多晶硅生產成本的技術之一，目前已成為世界各國競相研發的熱點。電子束熔煉技術是冶金法制備太陽能級中重要的方法之一，它是利用高能量密度的電子束作為熔煉熱源的工藝方法，一般的電子束熔煉方法是通過高溫蒸發去除飽和蒸汽壓較高的雜質如磷，鋁等，而在多晶硅的眾多雜質中，金屬是有害雜質，將影響硅材料的電阻率和少數載流子壽命，進而影響了太陽能電池的光電轉換效率。在日本已有利用電子束技術去除多晶硅中磷的方法，但該方法的缺點是使用兩把電子槍打入電子束，耗能較大，不具有定向凝固的效果，無法去除金屬雜質。

發明內容

本發明要解決的技術難題是克服現有技術的缺陷，利用電子束熔煉技術，在電子束完全熔化之后，逐步減小電子束的束流大小，在去除揮發性雜質磷的同時實現定向凝固的效果，從而將多晶硅中的雜質磷去除到低于0.00005％，金屬雜質總含量低于0.0002％的程度，進而達到太陽能電池用硅材料的使用要求。

本發明采用的技術方案是采用一種電子束梯度熔煉提純多晶硅的方法，其特征在于，采用改變電子束束流大小，產生能量大小的不同分布，在去除揮發性雜質磷的同時實現定向凝固的效果，即梯度熔煉法，首先取磷和金屬雜質含量高的硅料洗凈、烘干后置于電子束熔煉爐中，然后以高束流電子束完全熔化硅料，此后逐漸降低電子束的束流，最后在小束流下保溫，關閉束流后冷卻，最后取出硅錠，切去硅錠的頂部，即可得到磷和金屬雜質含量較低的硅錠，具體步驟如下：

首先取一定量磷和金屬雜質含量高的硅料用去離子水清洗3-4次，放入烘干箱中在50℃溫度下烘干；將烘干后的硅料放入電子束熔煉爐中，此后將電子束熔煉爐真空抽到1.0×10^-2Pa～1.5×10^-2Pa；

然后調節電子束束流為600-800mA，使硅料完全熔化，此后根據硅中磷的含量，以5-10mA/min的速度降低束流，隨著束流的不斷降低，底部先凝固，后逐漸向上凝固，產生分凝效應，達到定向凝固的效果，直到降到50-100mA后，保溫20-40分鐘，此過程中，揮發性雜質元素磷得到去除，關閉束流，冷卻20-40分鐘后即可取出；

最后切去硅錠頂部含雜質較多的部分，得到磷的含量低于0.00005％，金屬雜質總含量低于0.0002％的硅錠。

本發明的顯著效果是采用了電子束能量梯度產生熱量梯度的效應，結合了電子束蒸發去除揮發性雜質磷和定向凝固去除金屬雜質的雙重效果，高效、快速的完成了去除磷和金屬雜質的過程，從而滿足太陽能級硅的使用要求，提高了提純效率，減少了工藝環節，有效提高了多晶硅的純度，技術穩定，周期短，生產效率高，工藝簡單，節約能源，成本低。

附圖說明

附圖1為電子束梯度熔煉提純多晶硅的方法的流程圖。

具體實施方式