[發明專利]介質熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的裝置及方法

有效

• 申請號: 201310492077.0
• 申請日: 2013-10-18
• 公開（公告）號: CN103539125A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: 張磊;譚毅;侯振海;劉瑤
• 申請（專利權）人: 青島隆盛晶硅科技有限公司
• 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

本發明屬于多晶硅提純領域，具體涉及一種介質熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的裝置及方法。

背景技術

當今世界能源危機與環境污染壓力并存，人們急需清潔、安全，可持續的新能源。太陽能作為滿足這樣要求的能源，一直都是人們追求的目標。人們對太陽能的使用最早是其熱效應的利用，但難以完全滿足現代社會的需要。直到半導體光電效應的發現，太陽能電池的制造，人們找到太陽能新的利用方式。硅作為太陽能電池的最理想原料，其中的雜質主要有Fe、Al、Ca等金屬雜質和B、P等非金屬雜質，而這些雜質元素會降低硅晶粒界面處光生載流子的復合程度，而光生載流子的復合程度又決定了太陽能電池的光電轉換效率，所以有效的去除這些雜質在太陽能電池的應用方面有著至關重要的作用。

太陽能光伏產業的發展依賴于對硅原料的提純，在冶金法提純多晶硅的過程中包括介質熔煉、定向凝固、電子束提純和鑄錠工藝。冶金法因具備工藝簡單、成本較低的優點極具發展潛力。諸多步驟中以介質熔煉要求設備最為簡單，最容易工業化推廣。因而介質熔煉最具現實的研究價值和應用前景。

傳統的介質熔煉過程中，介質熔煉和定向凝固是兩道不同的工藝，分別去除硼和其他金屬雜質。定向凝固設備為真空設備，生產周期一般為40～60h，時間較長，定向凝固后的硅錠需要切除上部約20%的雜質富集區。常規生產中，兩道工藝之間會經過凝固——熔化——再凝固的過程，這期間需要消耗大量熱量，成本明顯較高。

發明內容

根據以上現有技術的不足，本發明提出一種介質熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的裝置及方法，在單臺中頻感應爐中實現介質熔煉與初步定向凝固工藝全液態銜接，在去除硼雜質的同時，可以去除大部分金屬雜質，使硅料達到4N水平，大大減輕后續工藝的提純壓力，無需對整體都完成定向凝固過程，使硅在液態下將雜質富集部分倒出，省去凝固之后的尾料去除過程，實現4N低硼硅料的直接獲取。

本發明所述的一種介質熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的裝置，爐體內的石墨坩堝側壁外依次安裝有爐襯和感應線圈，在石墨坩堝底部安裝有水冷水冷拉錠機構，且石墨坩堝和水冷拉錠機構都在爐襯包繞內，石墨坩堝頂部安裝有與石墨坩堝內徑和外徑大小相同的補位石墨環。

補位石墨環的高度優選為200～500mm。

一種介質熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的裝置的方法，包括將硅料與渣劑反應進行介質熔煉，去除硅料中的硼雜質，介質熔煉結束后，采用底部水冷拉錠機構拉錠的方式，對硅液進行初步定向凝固，將硅液中的金屬雜質聚集到頂部予以去除后，控制溫度使硅錠完全熔化后倒出。

優選包括以下步驟：

（1）向石墨坩堝中加入渣劑質量的10～20%和全部硅料，控制加熱功率至硅料全部熔化后，平均分2～5次加入剩余渣劑，控制感應線圈，使熔煉溫度為1600～1800℃，熔煉后將上層渣劑全部倒入到耐熱鑄鐵模具中；

（2）重復上述介質熔煉過程1～3次，每次加入的新渣劑分2～5次加入；

（3）熔煉結束后，將最后一次的渣劑質量的80～90%倒入耐熱鑄鐵模具中；

（4）調節感應線圈，使熔煉溫度為1450～1550℃后，進行初步定向凝固，控制石墨坩堝底部的水冷拉錠機構向下拉錠，同時上部加入補位石墨環；當硅液占硅料的10～20%時停止拉錠，快速上升水冷拉錠機構，使石墨坩堝恢復原位，取下補位石墨環后，將上層液體全部倒入鑄鐵模具中；

（5）控制功率至硅錠完全熔化后倒出。

優選方案如下：

步驟（1）中的渣劑為任意比例的氧化鈣、氟化鈣、二氧化鈦、二氧化硅和硅酸鈉的混合物。

步驟（1）和步驟（2）中的渣劑與硅料的比例為1/3～2/1。

步驟（1）和（5）中加熱功率均為200～300kW。

步驟（1）和步驟（2）中的每次加渣后需熔煉20～30min。

步驟（4）中，設備功率為150～250kW。

步驟（4）中，水冷拉錠機構向下的拉錠速率為4～6cm/h，快速上升水冷拉錠機構的速度為10～20cm/min。

本發明所述的初步定向凝固不同于正常工藝中的定向凝固，一是不需要在真空條件下進行，對設備要求度不高；二是對除雜要求不高，只需要對金屬雜質做初步去除，剩余的硅錠中仍保留一部分金屬雜質。