一种太阳能级多晶硅脱磷的提纯方法

摘要

一种太阳能级多晶硅脱磷的提纯方法，采用高真空感应炉，金属硅原料为颗粒状或块料，金属硅原料的纯度为99％，其操作步骤是：（1）开启高真空感应炉的真空系统，使炉室内达到高真空状态；（2）将金属硅原料装入位于高真空感应炉内的石墨坩埚中，开启高频感应电源将金属硅熔化；（3）待第（2）步骤金属硅原料熔化后使金属硅液温度保持在1560～1600℃，需要保持多长时间？开启金属硅原料连续送料装置，投入剩余金属硅原料至炉内的石墨坩埚中进行连续脱磷；（4）脱磷后的金属硅熔体容积达到坩埚容积的2/3～3/4时，将金属硅熔体倾入同炉室内的另一坩埚中，自然冷却便得到脱磷多晶硅。本发明的生产成本低。

权利要求

1. 一种太阳能级多晶硅脱磷的提纯方法，其特征是提纯设备采用高真空感应炉，粒径是5～100mm的金属硅为原料，金属硅原料的纯度为2N以上，其中B含量为5ppm，P含量为

25ppm；其操作步骤是：

（1）开启高真空感应炉的真空系统，依次开启前级机械泵及扩散泵使炉室内达到高真－3 －3空状态；所述的高真空是指控制在1.2×10 ～2.4×10 Pa；

（2）将占石墨坩埚容量1/10的金属硅原料装入位于高真空感应炉内的石墨坩埚中，开启高频感应电源将金属硅熔化；所述的高频感应电源功率为200～280KW；

（3）待第（2）步骤金属硅原料熔化后使金属硅液温度保持在1560～1600℃，需要保持

12到20小时，开启金属硅原料连续送料装置，投入剩余金属硅原料至炉内的石墨坩埚中进行连续脱磷；

（4）脱磷后的金属硅熔体容积达到坩埚容积的2/3～3/4时，将金属硅熔体倾入同炉室内的另一坩埚中，自然冷却5小时，便得到脱磷多晶硅。

说明书

一种太阳能级多晶硅脱磷的提纯方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种太阳能级多晶硅脱磷的提纯方法，特别是涉及一种采用连续真空脱磷的提纯方法。

[0002] 背景技术

[0003] 太阳能发电被称为是21世纪最重要的新能源，是因为太阳能有清洁、安全、资源丰富的优点，同时能缓解能源短缺等问题。随着科技的发展，太阳能光伏产出的电能为最高品位的能源，其应用领域广泛，在家庭和公共场所的用电、路灯、通讯、交通信号系统等领域都可发挥作用。在电子信息、航空航天等领域也有着十分广泛的应用前景。太阳能资源的有效开发利用对社会经济的发展起到了巨大推动作用，给太阳能光伏产业以更大的市场发展空间。

[0004] 但是目前光伏发电所需要的太阳能级硅主要是用改良西门子等化学工艺生产的原料，虽然纯度高，但是其成本也高居不下，西门子法生产存在污染环境的问题。但是随着光伏产业的迅猛发展对硅材料大量急需，因而硅原料已成为光伏产业发展的最主要问题之一。

[0005] 为此，目前世界各国都在积极探索生产高纯硅材料的新工艺，其中物理冶金法由于投资少、污染小、建设周期短、生产能耗低，而且纯度在6N左右，完全满足太阳能级硅材料的纯度要求，被认为是最能有效地降低多晶硅生产成本的技术。冶金法提纯多晶硅的主要涉及湿法冶金、吹气、造渣、定向凝固、真空感应熔炼、电子束、等离子体反应、熔盐电解、合金化冶炼等工艺。

[0006] 太阳能级多晶硅中磷的含量必须小于0.1ppm。由于磷在硅中的分凝系数比较大，在纯硅中达0.35，很难通过定向凝固或区域熔炼等方法去除。目前国际上已经发展多种去除太阳能级多晶硅中磷杂质的方法，如酸洗除磷、合金定向凝固和真空除磷等。

[0007] 以上提到的多晶硅脱磷的提纯方法有其局限性，如日本东京大学的Takeshi Yoshikawa以及Kazuki Morita.教授在《Metallurgical And Materials Transaction B》杂质上发表的论文“酸洗加钙除磷的热力学研究”（2004，4：Vol 35BP），利用化学平衡的方法研究在1732K下熔融的硅中钙与硅的相互作用，得出加钙有利于降低磷在硅中分凝系数，形成Ca3P2，沉淀在SiCa2附近利用酸洗能够去除Ca3P2。其中用到了酸洗，势必对环境带来污染。这不是我们所倡导的真正意义上的物理法提纯工艺。

[0008] Masao Miyake等人(Masao Miyake, Tomoki Hiramatus and masafumi Maeda, Removal of Phosphorus and Antimony in Silicon by Electron Beam Melting at low Vacuum, Journal of the Japan Institute of Metals[J], 2006, 70(1):43)采用电子束熔炼在5～7Pa的真空条件下经过1h，磷可以从200ppmw降到1ppmw。该方法中用到了电子束造价昂贵的装备，不利于发展低成本太阳能级多晶硅产业化的路线。

[0009] 真空除磷是由于磷在高温下的饱和蒸汽压远远大于硅，因此可以通过真空冶炼的方法，在一定的高真空下，使磷挥发进入气相中，可以得到很好的除磷效果。如Noriyoshi Yuge等人(Noriyoshi Yuge, et al., Removal of Phosphorus, Aluminum and calcium by Evaporation in Molten Silicon [J]. Nippon Kinzoku Gakkaishi/ Journal of the -3Japan Institute of Metals, 1997, 61(10):1 086.)在温度1915K，真空度8.0×10 ～-2
3.6×10 Pa的条件下将磷的含量降低至0.1ppmw以下。该方法获得的指标很好，但其真空除磷方式属于单坩埚间歇式除磷方法。

[0010] 发明内容

[0011] 本发明要解决的技术问题在于克服上述已有技术制造多晶硅脱磷的难题，提供低成本的一种多晶硅的连续真空脱磷提纯方法。

[0012] 本发明的多晶硅脱磷的提纯方法，包括以下工艺步骤：

[0013] （1）选择金属硅为原材料；

[0014] （2）开启高真空感应炉的真空系统，依次开启前级机械泵及扩散泵使炉室内达到－3 －3高真空状态；所述的高真空是指控制在1.2×10 ～2.4×10 Pa；

[0015] （3）将占石墨坩埚容量1/10的金属硅原料装入位于高真空感应炉内的石墨坩埚中，开启高频感应电源将金属硅熔化；所述的高频感应电源功率最好为200～280KW；

[0016] （4）待第（3）步骤金属硅原料熔化后使金属硅液温度保持在1560～1600℃，恒温时间为整个脱磷过程所需的时间为12～20小时。

[0017] 开启金属硅原料连续送料装置，投入剩余金属硅原料至炉内的石墨坩埚中进行连续脱磷；

[0018] （5）脱磷后的金属硅熔体容积达到坩埚容积的2/3～3/4时，将金属硅熔体倾入同炉室内的另一坩埚中，自然冷却5小时，得到脱磷多晶硅。

[0019] 所述的步骤（1）中，所述金属硅的粒径是5～100mm，其金属硅的纯度为99％（2N）以上，其中B含量为5ppm，P含量为25ppm。

[0020] 所述的步骤（4）中，所述的连续送料机构是指能连续的将金属硅送入高真空熔室内脱磷提纯装置。采用本发明所述的脱磷提纯方法，可使得P的含量降低到0.1ppm以下，完全符合太阳能级多晶硅P含量所需的纯度要求。

[0021] 本发明以金属硅为原料，通过连续的多晶硅脱磷技术来获得低成本的太阳能级低磷多晶硅的生产。由于本发明脱磷的生产过程是连续地将金属硅加入高真空炉内坩埚中，这样就大大提高了脱磷的效率。此脱磷方法不需要等离子体、电子枪等高成本的装备。本发明还可以与直拉脱金属工艺结合在一起整合成一套连续的脱磷脱金属的工艺，具有非常可观的市场前景。由于此脱磷脱金属是连续式作业，这就非常适合大规模产业化。而且利用此发明生产的6N级太阳能级多晶硅的成本远远低于目前市场上的多晶硅价格。

具体实施方式

[0022] 以下给出本发明太阳能级多晶硅脱磷提纯方法具体实施例。

[0023] 实施例1：

[0024] 采用能盛放金属硅原料200kg的石墨坩埚，称取P浓度为25ppm的金属硅原料－3200kg。依次开启真空系统的前级机械泵和高性能扩散泵将炉室内真空抽至1.2×10 Pa。
通过送料装置送入金属硅原料20kg至石墨坩埚内，开启高频电源加热使硅熔化为硅熔体，硅熔体温度控制在1500℃，功率为200KW。开启连续送料装置将剩余的180kg金属硅原料投入坩埚中，直至硅熔体体积达到石墨坩埚体积的2/3后，将硅熔体倒入位于同一炉室内