[發明專利]一種去除多晶硅中金屬雜質的方法以及裝置

有效

• 申請號: 201310044961.8
• 申請日: 2013-02-04
• 公開（公告）號: CN103072997A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 葉文金;龔炳生;李偉生
• 申請（專利權）人: 福建興朝陽硅材料股份有限公司
• 主分類號: C01B33/037
• 分類號: C01B33/037
• 代理公司: 北京元中知識產權代理有限責任公司 11223
• 代理人: 王彩霞

技術領域

本發明涉及太陽能級多晶硅提純領域，尤其是涉及一種電泳除金屬雜質的方法，另外還涉及其設備。

背景技術

據國際權威機構預測，到2050年，可再生能源將超越燃煤等化石燃料發電成為全世界各國的主導能源來源，其中光伏發電將占據最重要的位置。太陽能光伏產業的發展，離不開硅材料的基礎支撐。硅是地殼中含量僅次于氧的第二大元素，構成地殼總質量的25.7%，超過了氧之外的所有元素的總和。雖然多晶硅作為太陽能電池的基本原料，得到了迅猛的發展，但是多晶硅提純技術仍是太陽能產業發展的難題。

太陽能級多晶硅要求雜質含量范圍為：P小于0.1ppm，B小于0.3ppm，Al、Fe、Ca等金屬雜質總含量小于0.1ppm。對于太陽能硅而言，金屬雜質通過影響硅材料的電阻率和少數載流子的壽命，進而影響了太陽能電池的光電轉換效率。因此除去硅中的金屬雜質對于太陽能級硅來說非常重要。

目前除去金屬雜質的方法主要有酸洗法和定向凝固法。酸洗法是金屬雜質在凝固過程，雜質元素聚集或偏聚在晶界、孔隙處，將多晶硅粉碎并研磨，雜質將沿著多晶硅晶粒破裂，雜質將富集在硅粉的表面，由于硅具有強的抗酸性，利用強酸將雜質溶解，從而達到將雜質與硅分離、去除的目的。定向凝固除金屬雜質方法的基本原理是利用雜質元素在固相和液相中的分凝效應來達到提純的目的。目前，通過定向凝固去除金屬雜質的裝置多種多樣，成本不同。

中國專利第ZL201110031566.7公開了一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶硅的方法，先通過電子束在低磷、低金屬的高純錠的頂部形成穩定熔池，后將需提純的硅粉落入熔池熔煉，實現粉體的快速熔化去除硅粉中的揮發性雜質磷，同時，進行定向拉錠使低磷多晶硅進行定向凝固生長，通過分凝效果去除多晶硅中的金屬雜質。中國專利申請CN102732959A公開了多晶硅鑄錠爐和多晶硅鑄錠的方法，所用鑄錠爐保溫體部分分為上、下保溫體，結構復雜。中國專利CN202658268U公開了多晶硅鑄錠爐，該鑄錠爐需對上部及側部進行加熱，能耗高。上述專利使用的設備為化學法定向凝固爐，該設備主要用于化學法硅料長晶，設備昂貴、成本高。物理法定向凝固主要去除雜質，因此該設備不適合物理法。

發明內容

本發明的目的是提供一種去除多晶硅中金屬雜質的方法，去除效果明顯，能耗低、且清潔無污染。所得硅錠的金屬雜質含量小于0.1ppm。

本發明的另一個目的是提供一種上述去除多晶硅中金屬雜質的裝置，該裝置結構簡單，且容易操作。

為實現本發明的第一個發明目的，一種去除多晶硅中金屬雜質的方法，包括如下步驟：

（1）將原料硅在石墨坩堝中熔化；

（2）將石墨板放置于熔融硅液的上表面，石墨板與外界直流電壓的負極相接，石墨坩堝底部與外界直流電壓的正極相接，所施加的直流電壓為10～100V；

（3）通電2～4h后，在通電狀態下，石墨坩堝以0.10～0.15mm/min的速率下降，離開加熱區，進行定向凝固，冷卻后取出硅錠，切除上層雜質富集區，得到提純后多晶硅。

在步驟（1）中，原料硅可以通過多種方式熔化。本發明優選采用感應加熱，使熔融硅液的溫度保持在1450～1550°C。

感應加熱的時候，采用中頻熔融原料硅，中頻爐功率控制在100～200KW。

本發明在熔融的硅液表面放置石墨板，并與外界直流電壓的負極相接，向硅液施加一定的直流電壓，使得熔融硅液中的金屬雜質在電場的作用下向負極遷移，由于本發明采用感應加熱的方式保持硅液的溫度，感應加熱的方式同時也能起到攪拌作用，能夠使得硅液中的盡可能多的金屬雜質富集在電極周圍后，進行定向凝固，可以將硅液中的金屬雜質很好的去除，得到硅錠中含有極微量的金屬雜質。

所述的原料硅為酸洗后的硅粉，其粒徑在40～200目，金屬雜質含量為Fe<200ppm，Al<200ppm，Ca<50ppm。

本發明的所述的原料的質量在80～200kg。

所施加的直流電壓為20～70V。

本發明的在通電2～4h以后，硅液中的金屬雜質富集在石墨板（負極板），然后在通電狀態下，石墨坩堝以0.10～0.15mm/min的速度下降離開感應區，該沉降速度對金屬雜質的去除效果是至關重要的，在這個速率之間，保證硅液在離開加熱區后能一層層快速凝固；高于0.15mm/min，硅液離開加熱區無法實現快速凝固，效果差；低于0.10mm/min，凝固效果與0.10mm/min接近，但是耗時長、能耗高。