[發(fā)明專利]一種電子束誘導定向凝固除雜的方法

有效

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• 申請日: 2012-08-15
• 公開（公告）號: CN102786059A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發(fā)明（設計）人: 譚毅;姜大川;石爽;郭校亮
• 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: 大連星海專利事務所 21208
• 代理人: 徐淑東

技術領域

本發(fā)明屬于多晶硅提純的技術領域，特別涉及一種利用電子束誘導技術進行定向凝固除雜的方法。

背景技術

隨著全球低碳經(jīng)濟的發(fā)展，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)迎來了巨大的發(fā)展空間，太陽能光伏發(fā)電所占比重越來越大。據(jù)初步統(tǒng)計，我國2010年新增并網(wǎng)光伏發(fā)電裝機53萬kW，累計裝機達到83萬kW，其中地面大型并網(wǎng)光伏發(fā)電累計裝機70萬kW，建筑一體化并網(wǎng)光伏發(fā)電裝機約13萬kW。全球光伏發(fā)電市場2010年新增裝機預計同比增加超過120%，達到1700萬kW以上，帶動我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴大，對多晶硅的需求量與日俱增。

太陽能電池的性能受到多晶硅純度的影響。雜質鋁（Al）和鈣（Ca）是多晶硅中的主要雜質元素，嚴重影響了硅材料的電阻率和少數(shù)載流子壽命，降低了太陽能電池的發(fā)電效率。為了滿足太陽能電池的性能要求，硅材料中的雜質鋁（Al）和鈣（Ca）需降低到1×10-5wt%以下。由于雜質鋁（Al）和鈣（Ca）在硅凝固過程中存在分凝效應，目前一般可以采用定向凝固的方式去除硅中的雜質鋁（Al）和鈣（Ca）。但是，由于鋁（Al）和鈣（Ca）的分凝系數(shù)較大，一次定向凝固后，雜質鋁（Al）和鈣（Ca）的含量遠不能滿足純度要求，目前的解決辦法是采用多次定向凝固或者加入酸洗過程進行提純，但是這些方法將大大提高生產(chǎn)的成本和環(huán)保的壓力。

電子束熔煉具有高真空、高溫的特點，熔體中飽和蒸氣壓高的雜質元素在高溫和真空條件下可以從熔體逸出到氣相中，進而通過抽真空的方式去除。雜質鋁（Al）和鈣（Ca）都具有飽和蒸氣壓高的特點，也就是說，可以利用電子束熔煉去除硅中雜質鋁（Al）和鈣（Ca）。前期研究表明電子束熔煉去除硅中雜質鋁（Al）和鈣（Ca）的影響因素主要有熔煉時間、熔煉功率以及凝固時間。雜質鋁（Al）和鈣（Ca）的含量隨著熔煉功率的提高而降低，熔煉功率越大，去除的效率越高，隨著熔煉時間的增加，去除量的差異越來越小，最后均趨于水平。硅中雜質鋁（Al）和鈣（Ca）具有分凝效應，可在定向凝固的過程中實現(xiàn)分凝提純。但是，目前尚未見到在電子束熔煉過程中綜合利用高溫蒸發(fā)除雜和電子束定向凝固除雜相結合一次性將雜質鋁（Al）和鈣（Ca）去除到要求水平的提純技術。

發(fā)明內容

本發(fā)明克服上述不足問題，提供一種電子束誘導定向凝固除雜的方法，易于操作，可控性高，克服了一次定向凝固不能將雜質鋁（Al）和鈣（Ca）完全去除的缺點，又提高了電子束的能量利用率。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案是：一種電子束誘導定向凝固除雜的方法，其特征是：（1）取料、預處理：首先取鋁、鈣含量高的純度為98.5%-99.9%冶金級多晶硅，將其清洗烘干后置于電子束熔煉爐中的坩堝內，抽取電子束熔煉爐真空至2×10-2Pa以下；

（2）電子束熔煉蒸發(fā)除雜：電子槍預熱后，啟動電子槍，以400-700mA的束流轟擊多晶硅，至全部熔化，形成熔池，不斷移動電子束的束斑，使之能夠較均勻的熔煉硅熔體，持續(xù)熔煉30-60min；

（3）電子束誘導定向凝固除雜：然后采用對數(shù)降束的方式降低電子束的束流，待電子束束流降低到100-150mA時，停止降束，熔體緩慢凝固形成鑄錠，關閉束流，待爐體冷卻25-40分鐘后打開爐門，取出鑄錠，將鑄錠頂部中心鋁和鈣含量較高的尖狀突起切除，即可得到低鋁、低鈣的多晶硅鑄錠。

所述具體步驟如下：

（1）取料、預處理：選取雜質鋁、鈣含量較高的冶金級硅作為原料，其中硅的質量分數(shù)為98.5%-99.9%，將原料破碎成小塊，置于分析純酒精中超聲波震蕩清洗，去除表面殘留的油污和灰塵；已清洗的硅料經(jīng)烘干處理后置于電子束熔煉爐中的水冷銅坩堝內；用機械泵、羅茨泵和擴散泵抽爐體真空至2×10-2Pa以下；

（2）電子束熔煉蒸發(fā)除雜：啟動電子槍，設置高壓為30kV、以束流400-700mA轟擊多晶硅料表面，電子束與硅直接作用區(qū)首先發(fā)生熔化，然后熔池迅速擴大，至全部硅料都形成熔池，此后不斷地移動電子束的束斑，使之能夠較均勻的熔煉硅熔體，持續(xù)熔煉30-60min，部分雜質鋁、鈣在電子束高溫作用下蒸發(fā)去除；