[發(fā)明專利]一種電子束爐熔煉多晶硅除硼和金屬雜質(zhì)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310587702.X
• 申請(qǐng)日: 2013-11-20
• 公開（公告）號(hào): CN103588208A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔣寧雄;盛之林;梁慶;侯寶鋒;蔣學(xué)萍;楊永浩;吳佳楠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 寧夏寧電光伏材料有限公司
• 主分類號(hào): C01B33/037
• 分類號(hào): C01B33/037
• 代理公司: 寧夏專利服務(wù)中心 64100
• 代理人: 古玲玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種提純多晶硅去除硼和金屬雜質(zhì)的方法，尤其是涉及一種電子束爐熔煉多晶硅除硼和金屬雜質(zhì)的方法。

背景技術(shù)

光伏產(chǎn)業(yè)是一個(gè)新興的朝陽產(chǎn)業(yè)，也是一個(gè)創(chuàng)新的綠色產(chǎn)業(yè)。目前，太陽能電池市場(chǎng)上是以單晶硅和多晶硅電池為主，約占太陽能電池總量的85％以上。作為晶硅電池基礎(chǔ)材料太陽能級(jí)多晶硅，隨著快速發(fā)展的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)需求量不斷增大。多晶硅的生產(chǎn)方法主要有：改良西門子法、硅烷法、冶金法等。其中改良西門子法、硅烷法生產(chǎn)的多晶硅純度較高，純度可以達(dá)到9～11個(gè)9之間，在用做太陽能級(jí)使用時(shí)需要進(jìn)行一定的硼、磷、鎵或者砷等摻雜，才能使用，同時(shí)設(shè)備投入高、中間產(chǎn)物或者副產(chǎn)物有毒性、易爆炸等。相比之下，冶金法生產(chǎn)太陽能級(jí)多晶硅設(shè)備投入低、環(huán)境污染小、易產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，吸引了國(guó)內(nèi)外多家光伏企業(yè)進(jìn)行研究生產(chǎn)。

冶金法太陽能級(jí)多晶硅技術(shù)是包括碳熱還原法、造渣精煉、真空熔煉、濕法冶金、定向凝固、等離子體熔煉、電子束熔煉等工藝方法，是其中幾種工藝方法相結(jié)合的綜合技術(shù)。電子束熔煉提純多晶硅是冶金法制備太陽能級(jí)多晶硅的方法之一，它利用高能量密度的電子束作為加熱熱源，進(jìn)行淺熔池、高過熱度、高真空度的熔煉，其中電子束一方面對(duì)物料進(jìn)行加熱，另一方面其高速動(dòng)能對(duì)硅液實(shí)現(xiàn)攪動(dòng)，高真空下，硅液中的飽和蒸汽壓較高的磷、鋁、鈣等多以氣體形式被除去。但是，硅液中飽和蒸汽壓比硅低的硼、鈦、鉭等雜質(zhì)元素以及飽和蒸汽壓接近硅的鐵、銅等雜質(zhì)元素，很難以氣體形式除去。這些非金屬和金屬雜質(zhì)的存在將會(huì)降低多晶硅中的少子壽命，進(jìn)而會(huì)降低制成的晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率，增大電池的光致衰減。利用電子束爐熔煉來降低多晶硅中的金屬雜質(zhì)含量以及降低硼含量，是太陽能級(jí)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)一項(xiàng)重要的研究任務(wù)。

申請(qǐng)?zhí)?01110125903.9發(fā)明名稱為《一種電子束造渣熔煉去除多晶硅中雜質(zhì)硼的方法》，通過在物料中添加堿性造渣劑，在電子束爐中熔煉實(shí)現(xiàn)了對(duì)硼降低，但是該方法在實(shí)現(xiàn)電子束爐熔煉降硼的同時(shí)，不可避免的由于堿性造渣劑二次引入其他金屬雜質(zhì)，降低多晶硅品質(zhì)。申請(qǐng)?zhí)枮?01210289971.3發(fā)明名稱為《一種電子束誘導(dǎo)定向凝固除雜的方法》，通過控制電子束流對(duì)冶金級(jí)硅進(jìn)行熔煉，用電子束熔煉蒸發(fā)與定向凝固種方式的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了低鋁低鈣多晶硅的生產(chǎn)。該方法在同一坩堝中實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)量低，且僅僅對(duì)鑄錠頂部中心的尖狀突起切除，并沒有完全對(duì)雜質(zhì)富集區(qū)進(jìn)行切除，使得多晶硅的金屬雜質(zhì)含量去除不干凈。申請(qǐng)?zhí)枮?01010247815.1發(fā)明名稱為《一種電子束梯度熔煉提純多晶硅的方法》，通過控制電子束流的采用改變電子束束流大小，產(chǎn)生能量大小不同分布，去除揮發(fā)性雜質(zhì)磷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)定向凝固，該方法也是在同一坩堝中完成熔煉和定向凝固，產(chǎn)量小，且對(duì)鑄錠頂部全部切除，使得部分雜質(zhì)含量不高的硅被浪費(fèi)掉，降低了合格品的成品率。申請(qǐng)?zhí)枮?01010259593.5發(fā)明名稱為《電子束熔煉高效去除硅中雜質(zhì)磷的方法及裝置》，通過利用電子槍轟擊高磷的棒狀多晶硅，在棒狀多晶硅的下端部表面不斷滴融，僅僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)磷、鋁、鈣去除，沒有對(duì)飽和蒸汽壓比硅小的硼、鉭和接近硅的鐵、銅等雜質(zhì)的去除。

目前在冶金法多晶硅生產(chǎn)中，電子束爐在提純多晶硅過中僅僅是去磷和降低飽和蒸汽壓比硅高的鋁、鈣、鈉，但是飽和蒸汽壓比硅小的硼、鈦、鉭、鎢等，以及飽和蒸汽壓接近硅的鐵、銅等金屬，卻很難去除。硼元素和鐵元素等金屬雜質(zhì)，在硅中會(huì)對(duì)晶硅電池的光電轉(zhuǎn)化效率以及光致衰減產(chǎn)生影響。為了在電子束爐熔煉提純多晶硅，去除其中的飽和蒸汽壓比硅小和接近硅的硼、鐵、銅、鎢、鉭等元素，本發(fā)明提出一種特殊方法，實(shí)現(xiàn)電子束爐熔煉多晶硅對(duì)雜質(zhì)元素硼、鐵、銅等元素的去除。

到目前為止，還沒有一種克服上述缺陷的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種方法獨(dú)特、不僅能夠除磷和鈣、鈉等金屬，除硼和鐵、銅等金屬雜質(zhì)效果也很明顯，除雜效率高，產(chǎn)量大，經(jīng)濟(jì)效果顯著的一種電子束爐熔煉多晶硅除硼和金屬雜質(zhì)的方法。

本發(fā)明通過如下方式實(shí)現(xiàn)：

一種電子束爐熔煉多晶硅除硼和金屬雜質(zhì)的方法，其特征在于：該方法為首先對(duì)硅塊原料進(jìn)行酸洗、水洗，然后在高溫電阻爐內(nèi)進(jìn)行高溫增氧預(yù)處理，將處理后的硅料裝入三槍電子束爐內(nèi)進(jìn)行熔煉，熔煉結(jié)束，待硅錠降溫至室溫，取出硅錠，去掉表皮和底端層，用硬質(zhì)合金錘輕敲掉鑄錠上端芯部金屬雜質(zhì)富集的疏松層，即得太陽能級(jí)多晶硅；

所述電子束爐的硅原料，在酸洗和水洗結(jié)束后，在高溫電阻爐內(nèi)加熱到600～900℃，高溫保溫1～4小時(shí)后，自然降溫到室溫；