一种物理除磷制备多晶硅的方法及设备

摘要

一种物理除磷制备多晶硅的方法及设备，公布了一种使用物理方法降低冶金级硅中磷含量的方法和设备。该方法主要利用磷的物理特性，经过将冶金级硅在特定的环境下将磷去除，使其达到太阳能级硅的要求，同时设计出了一种带微孔搅拌托盘的与上述方法配套使用的设备。本发明过程简单，效率高，且节能环保，适合推广使用。

权利要求

1.一种物理除磷制备多晶硅的设备，其特征在于，由搅拌杆、升降杆、连接丝口、搅拌托盘、驱动装置、坩埚和精炼炉组成，所述升降杆连接精炼炉的炉盖，并能由驱动装置驱动在炉盖上上下移动，所述驱动装置安装在炉盖上靠近升降杆处，所述升降杆与搅拌杆通过连接丝口连接，在搅拌杆的下端连接搅拌托盘，使搅拌托盘悬在坩埚中间，所述搅拌托盘为圆形，托盘面上分布多个1～2mm微孔。

2.一种利用权利要求1所述的设备制备多晶硅的方法，其特征在于，利用硅液良好的流动特性，将装有金属硅的坩埚安装在密闭的高温精炼炉中，在一定的炉内压力下，加热熔化金属硅至液体状态，利用搅拌托盘使硅液形成内流动，同时持续改变硅液表面扩散面积，使硅液内部的磷不断通过硅液表面持续气化蒸发，并将气化的磷不断置换出来，使磷的含量降低到0.7ppm以下，符合太阳能级多晶硅要求；

其具体步骤如下：

1）选用优质金属硅，其粒度要求在1～3厘米，并用去离子水洗净烘干，将金属硅均匀装放于坩埚内，并将装好料的坩埚安装在高温精炼炉中；

2）将坩埚缓慢升温加热至硅全熔化状态，维持温度至1450～1550度，开启炉内环境气体置换系统并维持炉内压力在1000～3000帕的负压状态；

3）下降搅拌托盘至硅液内，由于硅液流动性能良好，除磷制备多晶硅的设备在搅拌时，硅液通过托盘微孔形成硅液内部相对流动，同时使硅液表面形成波纹，使硅液内部的磷不断蒸发气化，并不断地置换出炉内环境气体，使磷不断地被置换出来，维持此状态运行三小时后停止搅拌，在高纯惰性气体环境下定向冷却，完成除磷工作。

说明书

一种物理除磷制备多晶硅的方法及设备

技术领域

[0001] 本发明涉及多晶硅制造方法，具体为一种利用磷的物理特性将磷去除的一种物理除磷制备多晶硅的方法及设备。

背景技术

[0002] 随着全球能源消费量不断提高，常规非可再生能源已经不能满足大多数国家的供给需求。根据世界能源权威机构的分析，按照目前已经探明的化石能源储量以及开采速度来计算，全球石油剩余可开采年限仅有40年，天然气剩余可采年限60年，煤炭剩余可采年限120年。另一方面，一次性能源的开采和应用也是造成生态破坏和全球环境污染的一个重要原因。因此，可再生新能源的开发使用是人类长久发展的必要条件，也是我们可持续性发展的根本之法。

[0003] 新能源光伏发电产业，作为可再生清洁能源，因其具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便、资源广阔等其他常规能源所不具备的优点，被公认是21世纪重要的新能源，已广泛应用在并网发电、民用发电、公共设施以及一体化节能建筑等方面，目前晶体硅光伏发电系统占据新能源光伏发电市场的主要地位。随着多晶硅提纯技术的应用及硅片加工技术进一步成熟，光电转换效率的提高以及其他工艺技术的发展，包括新能源光伏发电在内的可再生能源完全有可能完成从补充能源到常规能源的角色转换。

[0004] 作为光伏发电产业的基础产品—高纯多晶硅材料，其生产技术的进步是光伏发电产业能否推广和应用发展的重要环节。如何降低太阳能发电成本、减少环境污染、降低生产能耗、提高生产安全的可靠性是光伏产业发展的重要课题。目前全球生产高纯多晶硅料主要使用西门子化学生产方法，但随着全球对环境保护、安全的要求增高以及当前全球金融危机影响，市场需求更低价格的高纯硅料。在此情况下新的低成本更环保高纯多晶硅生产技术在全球不断开发和获取成功，特别是低成本环保的物理法高纯多晶硅生产技术在一些发达国家（日本、美国、德国、加拿大）取得成功以及在运用领域得到有效使用验证，为物理法高纯多晶硅生产提供了巨大的发展空间；低成本环保的物理法生产的6N高纯硅料大量运用于太阳能电池制造光伏产业，以更低的发电成本推进太阳能清洁发电广泛使用。

[0005] 冶金级硅中微量杂质几乎含有元素周期表中所有元素，由于各族元素的特性不同，要将硅中的杂质元素一一去除并达到要求，其工艺控制是非常复杂和严格的，在提纯过程中面临的困难很多。首先必须对硅中的各杂质元素的化学特性进行分析掌握，对症下药，付诸实践，更重要的要防止在提纯过程中杂质元素的互相污染。

[0006] 目前世界上各国生产多晶硅的方法主要有化学法和冶金法。而化学法主要以西门子法为主；冶金法主要为物理提纯技术，也称物理法。两者的主要区别在于化学法在工艺过程中改变硅的化学成分，经过一系列的化学反应最后还原成硅，而物理法在生产工艺过程中保持硅的成分不变，通过一系列的去杂提纯而成。

[0007] 西门子化学法主要利用冶金级硅与无水氯化氢进行反应生成三氯氢硅(SiHCl3)，再通过蒸馏得到电子级三氯氢硅，提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内加热到1100℃进行VCD反应生成高纯多晶硅。

[0008] 物理法提纯技术杂质元素的去除可分为两类：一类是金属杂质元素的去除，主要以Fe、Al、Ca三项元素为代表；另一类是非金属元素的去除，主要是P和B两项元素为代表。太阳能级多晶硅的要求为总杂质含量＜1ppm即6N，特别是对P和B元素的含量要求非常严格，（B＜0.4ppm，P＜0.7ppm），提纯工艺过程中P和B两种元素由于其化学特性的特殊性，达到太阳能级多晶硅要求给工艺带来极大困难。目前世界上运用物理法技术突破这项技术的微乎其微。

发明内容

[0009] 本发明要解决的一个技术问题是，提供一种物理除磷制备多晶硅的设备，该设备利用物理法提纯技术来获得太阳能级多晶硅。

[0010] 针对该技术问题，本发明提供的技术解决方案是，提供一种物理除磷制备多晶硅的设备，由搅拌杆、升降杆、连接丝口、搅拌托盘、驱动装置、坩埚和精炼炉组成，所述升降杆连接精炼炉的炉盖，并能由驱动装置驱动在炉盖上上下移动，所述驱动装置安装在炉盖上靠近升降杆处，所述升降杆与搅拌杆通过连接丝口连接，在搅拌杆的下端连接搅拌托盘，使搅拌托盘悬在坩埚中间，所述搅拌托盘为圆形，托盘面上分布多个1～2mm微孔。

[0011] 本发明所要解决的另一技术问题是，提供一种利用本发明的设备制备多晶硅的方法。

[0012] 针对该技术问题，本发明的技术解决方案是，提供一种制备多晶硅的方法，利用硅液良好的流动特性，将装有金属硅的坩埚安装在密闭的高温精炼炉中，在一定的炉内压力下，加热熔化金属硅至液体状态，利用搅拌托盘使硅液形成内流动，同时持续改变硅液表面扩散面积，使硅液内部的磷不断通过硅液表面持续气化蒸发，并将气化的磷不断置换出来，使磷的含量降低到0.7ppm以下，符合太阳能级多晶硅要求；其具体步骤如下：

[0013] 1)选用优质金属硅，其粒度要求在1～3厘米，并用去离子水洗净烘干，将金属硅均匀装放于坩埚内，并将装好料的坩埚安装在高温精炼炉中；

[0014] 2)将坩埚缓慢升温加热至硅全熔化状态，维持温度至1450～1550度，开启炉内环境气体置换系统并维持炉内压力在1000～3000帕的负压状态；

[0015] 3)下降搅拌托盘至硅液内，由于硅液流动性能良好，除磷制备多晶硅的设备在搅拌时，硅液通过托盘微孔形成硅液内部相对流动，同时使硅液表面形成波纹，使硅液内部的磷不断蒸发气化，并不断地置换出炉内环境气体，使磷不断地被置换出来，维持此状态运行三小时后停止搅拌，在高纯惰性气体环境下定向冷却，完成除磷工作。

[0016] 运行时，坩埚内盛满硅液，驱动装置通过搅拌杆带动搅拌托盘上下方向反复移动，并进行搅拌，其搅拌行程设定在距离硅液底部5cm，距离硅液表面10cm。

[0017] 有益效果：

[0018] 本发明利用硅液良好的流动特性，过程简单，效率高，同时节能环保，能使磷的含量降低到0.7PPm以下，符合太阳能级多晶硅要求。

附图说明

[0019] 图1为本发明的较佳实施例的设备图。

具体实施方式

[0020] 下面举实例对本发明进行详细描述。

[0021] 在如图一所示的一种物理除磷制备多晶硅的设备，由搅拌杆5、升降杆1、连接丝口4、搅拌托盘6、驱动装置2、坩埚8和精炼炉组成。其中，升降杆1连接精炼炉的炉盖，并由驱动装置2驱动，在炉盖上上下移动，所述驱动装置2安装在炉盖上靠近升降杆1处，所述升降杆1与搅拌杆5通过连接丝口4连接，搅拌杆5的下端连接搅拌托盘6，使搅拌托盘6悬在坩埚8中间，所述搅拌托盘6为圆形，搅拌托盘6的托盘面上分布多个1～2mm微孔。

[0022] 实施例一：

[0023] 选用预处理磷含量3ppm的金属硅20千克，将其破碎至粒度在2厘米。然后用去离子水在100℃的热水中清洗，洗净后滤干放入烘箱，温度设定在160℃左右将硅料烘干。将烘干后的硅料均匀地放置于坩埚8中，并固定在精炼炉中，盖上炉盖3使炉内保持密封状态。

[0024] 逐渐增加功率对硅料进行加热，直至坩埚内硅料至全熔状态，测得硅液7的温度为1550℃，温度功率保持炉内温度不变。向炉内充入惰性气体，使炉内形成负压状态（压力设定在3000帕）并维持。下降除磷制备多晶硅的设备至硅液7内，除磷制备多晶硅的设备上下方向反复移动搅拌，搅拌托盘6的搅拌行程设定在距离硅液7底部5厘米及距离硅液7表面10厘米之间，搅拌缓慢进行，防止动作过大使硅液7飞溅。在搅拌装置不断地搅拌下，硅液7中的磷不断蒸发气化，并通过充入的惰性气体将其置换出来，搅拌三小时后停止搅拌，在高纯惰性气体环境下定向冷却。

[0025] 本实施例中的一种物理除磷制备多晶硅的设备使用的最大功率为50KW，经过提纯后，硅中磷含量可降至0.5pmm，符合太阳能级多晶硅要求。

[0026] 实施例二：

[0027] 选用预处理磷含量2ppm的金属硅20千克，将其破碎至粒度在1厘米。然后用去离子水在100℃的热水中清洗，洗净后滤干放入烘箱，温度设定在160℃左右将硅料烘干。将烘干后的硅料均匀地放置于坩埚8中，并固定在精炼炉中，盖上炉盖3使炉内保持密封状态。

[0028] 逐渐增加功率对硅料进行加热，直至坩埚内硅料至全熔状态，测得硅液的温度为1500℃，温度功率保持炉内温度不变。向炉内充入惰性气体，使炉内形成负压状态（压力设定在2000帕）并维持。下降除磷制备多晶硅的设备至硅液7内，除磷制备多晶硅的设备上下方向反复移动搅拌，搅拌行程设定在距离硅液7底部5厘米及距离硅液7表面10厘米之间，搅拌缓慢进行，防止动作过大使硅液7飞溅。在搅拌装置不断地搅拌下，硅液中的磷不断蒸发气化，并通过充入的惰性气体将其置换出来，搅拌三小时后停止搅拌，在高纯惰性气体环境下定向冷却。

[0029] 本实施例中的一种物理除磷制备多晶硅的设备使用的最大功率为50KW，经过提纯后，硅中磷含量可降至0.4pmm，符合太阳能级多晶硅要求。

[0030] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。