[發(fā)明專利]制備多晶硅的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110276760.1
• 申請(qǐng)日: 2011-09-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102432021A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘇文華;李勝路
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江西盛豐新能源科技有限公司
• 主分類號(hào): C01B33/037
• 分類號(hào): C01B33/037
• 代理公司: 北京聿宏知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11372
• 代理人: 劉華聯(lián);陳敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種制備多晶硅的方法，特別是用冶金法制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的方法。

背景技術(shù)

隨著全球能源消耗量的不斷提高，常規(guī)的非可再生能源已經(jīng)不能滿足大多數(shù)國(guó)家的需求。根據(jù)世界能源權(quán)威機(jī)構(gòu)的分析，按照目前已經(jīng)探明的化石能源儲(chǔ)量以及開(kāi)采速度來(lái)計(jì)算，全球石油剩余量可開(kāi)采年限僅40年，天然氣剩余量可采年僅60年，煤炭剩余量可采年限僅120年。另一方面，一次性能源的開(kāi)采和應(yīng)用也是造成生態(tài)破壞和全球環(huán)境污染的一個(gè)重要原因。因此，可再生新能源的開(kāi)發(fā)和使用關(guān)系到人類和社會(huì)的長(zhǎng)久發(fā)展。

新能源光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)，作為可再生清潔能源，因其具有安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染、制約少、故障率低、維護(hù)簡(jiǎn)便、資源廣闊等其他常規(guī)能源所不具備的優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)是21世紀(jì)重要的新能源，已廣泛應(yīng)用在并網(wǎng)發(fā)電、民用發(fā)電、公共設(shè)施以及一體化節(jié)能建筑等方面，目前晶體硅光伏發(fā)電系統(tǒng)占據(jù)新能源光伏發(fā)電市場(chǎng)的主要地位。隨著多晶硅提純技術(shù)的應(yīng)用及硅片加工技術(shù)進(jìn)一步成熟，光電轉(zhuǎn)換效率的提高以及其他工藝技術(shù)的發(fā)展，包括新能源光伏發(fā)電在內(nèi)的可再生能源完全有可能完成從補(bǔ)充能源到常規(guī)能源的角色轉(zhuǎn)換。

高純多晶硅材料是光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，其生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步是光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)能否推廣和應(yīng)用發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。如何降低太陽(yáng)能多晶硅的成本、減少環(huán)境污染、降低生產(chǎn)能耗、提高生產(chǎn)安全的可靠性是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要課題。

冶金級(jí)硅中的雜質(zhì)幾乎含有元素周期表中所有元素，可分為兩類：一類是金屬雜質(zhì)元素，以Fe、Al、Ca三種元素為代表；另一類是非金屬元素，以磷和硼兩種元素為代表。太陽(yáng)能級(jí)多晶硅其電性能指標(biāo)對(duì)這些雜質(zhì)含量的控制有嚴(yán)格要求。特別是對(duì)磷和硼元素的含量要求非常嚴(yán)格，一般地要求硼的含量小于0.4ppm，磷的含量小于0.7ppm。提純過(guò)程中硼和磷兩種元素由于其化學(xué)特性的特殊性成為物理法提純技術(shù)世界性難題。

目前世界上各國(guó)生產(chǎn)多晶硅的方法主要有化學(xué)法和冶金法?；瘜W(xué)法以改良的西門子法為主?；瘜W(xué)法在工藝過(guò)程中改變硅的化學(xué)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)提純后，再還原成硅。例如改良的西門子法主要利用冶金級(jí)硅與無(wú)水氯化氫反應(yīng)生成三氯氫硅(SiHCl₃)，再通過(guò)精餾得到高純?nèi)葰涔?，最后將提純后的三氯氫硅在還原爐內(nèi)還原成高純多晶硅。其優(yōu)點(diǎn)是多晶硅產(chǎn)品的純度高，可達(dá)到電子級(jí)的要求，其缺點(diǎn)是能耗大、有污染并且會(huì)有大量難以處理的四氯化硅(SiCl₄)副產(chǎn)物產(chǎn)生。隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的提高和全球金融危機(jī)影響，市場(chǎng)需求更低價(jià)格的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。在此情況下，對(duì)成本低、環(huán)境友好的提純多晶硅的方法的要求日益緊迫，而冶金法提純多晶硅在這方面的優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)了出來(lái)。

冶金法主要為物理提純技術(shù)，也稱物理法。物理法在工藝過(guò)程中保持硅的化學(xué)狀態(tài)不變，通過(guò)一系列物理變化對(duì)硅進(jìn)行提純。其優(yōu)點(diǎn)是，工藝流程較短、污染小、能耗較低，其缺點(diǎn)是提純程度較低，并且不能將硅中的硼和磷雜質(zhì)同時(shí)降低到太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的要求，甚至需要單獨(dú)進(jìn)行除磷或除硼的步驟。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種制備多晶硅的方法，其采用冶金法，能同時(shí)將硼和磷的含量降低到太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的要求，而不需要額外的除磷或除硼步驟。本發(fā)明的方法工藝簡(jiǎn)單、能耗低、無(wú)污染物排放、操作簡(jiǎn)便。

根據(jù)本發(fā)明的方法，其包括以下步驟：

1)在空氣氣氛，1大氣壓下，將原料硅熔融成液態(tài)硅；

2)將造渣劑分批次加入到熔融的液態(tài)硅中，精煉并濾去渣體；

3)將通過(guò)步驟2)提純后的液態(tài)硅進(jìn)行定向冷卻，得到硅錠。

根據(jù)本發(fā)明，在空氣氣氛，1大氣壓下，將原料硅放入精煉爐中加熱熔融，形成液態(tài)硅。原料硅的加入量可根據(jù)精煉爐容量而定。在一個(gè)實(shí)施例中，在所選用的原料硅中，硼的含量小于等于100ppm，磷的含量小于等于30ppm。

根據(jù)本發(fā)明，向液態(tài)硅中加入造渣劑，以將硅中的硼、磷雜質(zhì)轉(zhuǎn)變成渣體并在隨后的步驟中排出。在一個(gè)實(shí)施例中，所述造渣劑為堿性造渣劑。優(yōu)選地，所述堿性造渣劑由30％-40％重量的CaO，10％-30％重量的Na₂CO₃和40％-50％重量的SiO₂組成，更優(yōu)選地，所述堿性造渣劑包含36％重量的CaO、18％重量的Na₂CO₃和46％重量的SiO₂。