介質(zhì)熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于多晶硅提純領(lǐng)域，具體涉及一種介質(zhì)熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的裝置及方法。裝置爐體內(nèi)的石墨坩堝側(cè)壁外依次安裝有爐襯和感應(yīng)線圈，在石墨坩堝底部安裝有水冷拉錠機構(gòu)，且石墨坩堝和水冷拉錠機構(gòu)都在爐襯包繞內(nèi)，石墨坩堝頂部安裝有與石墨坩堝內(nèi)徑和外徑大小相同的補位石墨環(huán)。方法包括將硅料與渣劑反應(yīng)進行介質(zhì)熔煉，去除硅料中的硼雜質(zhì)，介質(zhì)熔煉結(jié)束后，采用底部水冷拉錠機構(gòu)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(zhì)聚集到頂部予以去除后，控制溫度使硅錠完全熔化后倒出。全液態(tài)銜接介質(zhì)熔煉與初步定向凝固，節(jié)省電耗1000～2000度/噸；生產(chǎn)成本降低4000～8000元/噸。鑄錠中硼雜質(zhì)含量小于0.3ppmw；金屬雜質(zhì)總含量少于100ppmw。
【專利說明】介質(zhì)熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的裝置及方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于多晶硅提純領(lǐng)域，具體涉及一種介質(zhì)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(shù)】
[0002]當(dāng)今世界能源危機與環(huán)境污染壓力并存，人們急需清潔、安全，可持續(xù)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(biāo)。人們對太陽能的使用最早是 其熱效應(yīng)的利用，但難以完全滿足現(xiàn)代社會的需要。直到半導(dǎo)體光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，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(zhì)主 要有Fe、Al、Ca等金屬雜質(zhì)和B、P等非金屬雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)元素會降低娃晶粒界面處光 生載流子的復(fù)合程度，而光生載流子的復(fù)合程度又決定了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，所 以有效的去除這些雜質(zhì)在太陽能電池的應(yīng)用方面有著至關(guān)重要的作用。
[0003]太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(zhì)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(yōu)點 極具發(fā)展?jié)摿?。諸多步驟中以介質(zhì)熔煉要求設(shè)備最為簡單，最容易工業(yè)化推廣。因而介質(zhì) 熔煉最具現(xiàn)實的研究價值和應(yīng)用前景。
[0004]傳統(tǒng)的介質(zhì)熔煉過程中，介質(zhì)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(zhì)。定向凝固設(shè)備為真空設(shè)備，生產(chǎn)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(zhì)富集區(qū)。常規(guī)生產(chǎn)中，兩道工藝之間會經(jīng)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(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種介質(zhì)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(yīng)爐中實現(xiàn)介質(zhì)熔煉與初步定向凝固工藝全液態(tài)銜接， 在去除硼雜質(zhì)的同時，可以去除大部分金屬雜質(zhì)，使硅料達到4N水平，大大減輕后續(xù)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(tài)下將雜質(zhì)富集部分倒出，省去凝 固之后的尾料去除過程，實現(xiàn)4N低硼硅料的直接獲取。
[0006]本發(fā)明所述的一種介質(zhì)熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的裝置，爐體內(nèi)的石 墨坩堝側(cè)壁外依次安裝有爐襯和感應(yīng)線圈，在石墨坩堝底部安裝有水冷水冷拉錠機構(gòu)，且 石墨i甘禍和水冷拉淀機構(gòu)都在爐襯包繞內(nèi)，石墨樹禍頂部安裝有與石墨土甘禍內(nèi)徑和外徑大 小相同的補位石墨環(huán)。
[0007]補位石墨環(huán)的高度優(yōu)選為200?500mm。
[0008]一種介質(zhì)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(yīng)進行介質(zhì)熔煉，去除硅料中的硼雜質(zhì)，介質(zhì)熔煉結(jié)束后，采用底部水冷拉錠機構(gòu)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(zhì)聚集到頂部予以去除后，控制溫度使 硅錠完全熔化后倒出。[0009]優(yōu)選包括以下步驟:
[0010](I)向石墨坩堝中加入渣劑質(zhì)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(yīng)線圈，使熔煉溫度為1600~1800°C，熔煉后將上層渣劑全部倒入到耐熱鑄鐵模具中；
[0011](2)重復(fù)上述介質(zhì)熔煉過程I~3次，每次加入的新渣劑分2~5次加入；
[0012](3)熔煉結(jié)束后，將最后一次的渣劑質(zhì)量的80~90%倒入耐熱鑄鐵模具中；
[0013](4)調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈，使熔煉溫度為1450~1550°C后，進行初步定向凝固，控制石墨坩堝底部的水冷拉錠機構(gòu)向下拉錠，同時上部加入補位石墨環(huán)；當(dāng)硅液占硅料的10~20%時停止拉錠，快速上升水冷拉錠機構(gòu)，使石墨坩堝恢復(fù)原位，取下補位石墨環(huán)后，將上層液體全部倒入鑄鐵模具中；
[0014](5)控制功率至硅錠完全熔化后倒出。
[0015]優(yōu)選方案如下:
[0016]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。
[0017]步驟(1)和步驟(2)中的渣劑與硅料的比例為1/3~2/1。
[0018]步驟(1)和(5)中加熱功率均為200~300kW。
[0019]步驟(1)和步驟(2)中的每次加渣后需熔煉20~30min。
[0020]步驟(4)中，設(shè)備功率為150~250kW。
[0021]步驟(4)中，水冷拉錠機構(gòu)向下的拉錠速率為4~6cm/h，快速上升水冷拉錠機構(gòu)的速度為10~20cm/min。
[0022]本發(fā)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(shè)備要求度不高；二是對除雜要求不高，只需要對金屬雜質(zhì)做初步去除，剩余的硅錠中仍保留一部分金屬雜質(zhì)。
[0023]在本裝置中，爐襯是由耐火膠泥構(gòu)成，其可塑性好，耐火度高、結(jié)合強度高，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。加長的爐襯使水冷拉錠機構(gòu)帶動石墨坩堝在爐襯內(nèi)部上下移動，拉錠之后石墨坩堝下移，加入補位石墨環(huán)，防止石墨坩堝下移后，暴露出的耐火材料層受熱而過度空燒，降低設(shè)備損耗。在介質(zhì)熔煉第一次加渣先加入渣劑質(zhì)量的10~20%，然后再加入硅料，作用是為了保護石墨坩堝。當(dāng)硅液占硅料的10~20%時停止拉錠，快速上升水冷拉錠機構(gòu)，使石墨坩堝恢復(fù)原位，取下補位石墨環(huán)后，將上層液體倒入鑄鐵模具中，這上層的10~20%的硅液中雜質(zhì)富集度較高，之前的處理方法是將硅料全部凝固后，切除上層富含雜質(zhì)的硅料，但是采用本發(fā)明裝置及方法，減少了全部凝固后切除的步驟，直接將上層液體倒出，減少了耗電量，生產(chǎn)成本也大大降低。同時，將操作中倒出的渣劑收集在鑄鐵模具中，可供再次熔煉使用。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點在于:全液態(tài)銜接介質(zhì)熔煉與初步定向凝固工藝，節(jié)省電耗1000~2000度/噸；介質(zhì)熔煉生產(chǎn)成本降低4000~8000元/噸。鑄錠中硼雜質(zhì)含量小于0.3ppmw ；提純后鑄錠純度在4N以上。金屬雜質(zhì)總含量少于lOOppmw?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0025]圖1為介質(zhì)熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的裝置使用示意圖。
[0026]圖中1、補位石墨環(huán)，2、石墨坩堝，3、上層渣劑，4、硅料，5、感應(yīng)線圈，6、水冷拉錠機構(gòu)，7爐襯?！揪唧w實施方式】
[0027]以下結(jié)合實施例詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于具體實施例。
[0028]實施例1:
[0029]爐體內(nèi)由內(nèi)向外依次安裝上爐襯7和感應(yīng)線圈5，將石墨坩堝2放到爐襯7內(nèi)，在石墨坩堝2底部安裝有水冷拉錠機構(gòu)6，且石墨坩堝2和水冷拉錠機構(gòu)6都在爐襯7的包繞內(nèi)。
[0030]向石墨坩堝2中加入渣劑總質(zhì)量為50kg，首先加入2kg 二氧化鈦，2kg 二氧化硅，2kg氟化鈣和4kg的硅酸鈉，加入IOOkg硅料4，調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈5，使加熱功率為200kW至硅料4全部熔化后，分2次加入剩余40kg渣劑，每次加渣后熔煉20min，調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈5，使熔煉溫度為1800°C，再將上層渣劑3全部倒入到耐熱鑄鐵模具中。
[0031]取與上述步驟中成分及質(zhì)量相同的新渣劑50kg，平均分2次加入石墨坩堝內(nèi)，熔煉溫度為1600°C，熔煉后將上層渣劑全部倒入到耐熱鑄鐵模具中.[0032]取50kg新渣劑1份，重復(fù)進行第二步驟一次；熔煉結(jié)束后，將40kg上層渣劑3倒入到耐熱鑄鐵模具中。
[0033]調(diào)整設(shè)備功率為150kW，控制熔煉溫度為1450°C后，進行初步定向凝固。控制石墨坩堝2底部的水冷拉錠機構(gòu)6向下拉錠，拉錠速率為4cm/h，同時上部加入補位石墨環(huán)1，補位石墨環(huán)I的高度為200mm。當(dāng)硅液占硅料的10%時停止拉錠，水冷拉錠機構(gòu)6快速上升速度為10cm/min，使石墨坩堝2恢復(fù)原位，取下補位石墨環(huán)I后，將上層液體倒入鑄鐵模具中。
[0034]控制功率至200kW直到硅錠完全熔化后倒出。
[0035]實施例2:
[0036]爐體內(nèi)由內(nèi)向外依次安裝上爐襯7和感應(yīng)線圈5，將石墨坩堝2放到爐襯7內(nèi)，在石墨坩堝2底部安裝有水冷拉錠機構(gòu)6，且石墨坩堝2和水冷拉錠機構(gòu)6都在爐襯7的包繞內(nèi)。
[0037]向石墨坩堝2中加入渣劑總質(zhì)量為100kg，首先加入5kg氧化鈣，5kg 二氧化硅，5kg氟化鈣和5kg的硅酸鈉，加入IOOkg硅料4，調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈5，使加熱功率為300kW至硅料4全部熔化后，分5次加入剩余80kg渣劑，每次加渣后熔煉30min，調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈5，使熔煉溫度為1800°C，再將上層渣劑3全部倒入到耐熱鑄鐵模具中。
[0038]取與上述步驟中成分及質(zhì)量相同的新渣劑100kg，平均分5次加入石墨坩堝內(nèi)，熔煉溫度為1800°C，熔煉后將上層渣劑全部倒入到耐熱鑄鐵模具中。
[0039]取新洛劑3份,每份IOOkg,每IOOkg重復(fù)進行第二步驟；熔煉結(jié)束后，將最后一次的80kg上層渣劑3倒入到耐熱鑄鐵模具中。
[0040]調(diào)整設(shè)備功率為250kW，控制熔煉溫度為1`550°C后，進行初步定向凝固?？刂剖釄?底部的水冷拉錠機構(gòu)6向下拉錠，拉錠速率為6cm/h，同時上部加入補位石墨環(huán)1，補位石墨環(huán)I的高度為500mm。當(dāng)硅液占硅料的20%時停止拉錠，水冷拉錠機構(gòu)6快速上升速度為20cm/min，使石墨坩堝2恢復(fù)原位，取下補位石墨環(huán)I后，將上層液體倒入鑄鐵模具中。
[0041 ] 控制功率至300kW直到硅錠完全熔化后倒出。[0042]實施例3:
[0043]爐體內(nèi)由內(nèi)向外依次安裝上爐襯7和感應(yīng)線圈5，將石墨坩堝2放到爐襯7內(nèi)，在石墨坩堝2底部安裝有水冷拉錠機構(gòu)6，且石墨坩堝2和水冷拉錠機構(gòu)6都在爐襯7的包繞內(nèi)。
[0044]向石墨坩堝2中加入渣劑總質(zhì)量為200kg，首先加入IOkg氧化鈣，IOkg 二氧化鈦，IOkg氟化鈣和IOkg的硅酸鈉，加入IOOkg硅料4，調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈5，使加熱功率為250kW至硅料4全部熔化后，分4次加入剩余160kg渣劑，每次加渣后熔煉25min，調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈5，使熔煉溫度為1700°C，再將上層渣劑3全部倒入到耐熱鑄鐵模具中。
[0045]取與上述步驟中成分及質(zhì)量相同的4份新的渣劑每份200kg，每200kg重復(fù)進行第二步驟，熔煉結(jié)束后，將最后一次的180kg上層渣劑3倒入到耐熱鑄鐵模具中。
[0046]調(diào)整設(shè)備功率為200kW，控制熔煉溫度為1500°C后，進行初步定向凝固?？刂剖釄?底部的水冷拉錠機構(gòu)6向下拉錠，拉錠速率為5cm/h，同時上部加入補位石墨環(huán)1，補位石墨環(huán)I的高度為300mm。當(dāng)硅液占硅料的15%時停止拉錠，水冷拉錠機構(gòu)6快速上升速度為15cm/min，使石墨坩堝2恢復(fù)原位，取下補位石墨環(huán)I后，將上層液體倒入鑄鐵模具中。
[0047]控制功率至250kW直到硅錠完全熔化后倒出。
[0048]綜上，整體工藝時間為15~20h，全液態(tài)銜接介質(zhì)熔煉與初步定向凝固工藝中得到的鑄錠中硼雜質(zhì)含量小于0.3ppmw ;提純后鑄錠純度在4N以上。金屬雜質(zhì)總含量少于IOOppmw。
【權(quán)利要求】
1.一種介質(zhì)熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的裝置，爐體內(nèi)的石墨坩堝側(cè)壁外依次安裝有爐襯和感應(yīng)線圈，其特征在于在石墨坩堝底部安裝有水冷拉錠機構(gòu)，且石墨坩堝和水冷拉錠機構(gòu)都在爐襯包繞內(nèi)，石墨坩堝頂部安裝有與石墨坩堝內(nèi)徑和外徑大小相同的補位石墨環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的裝置，其特征在于補位石墨環(huán)的高度為200~500mm。
3.一種采用權(quán)利要求1所述的介質(zhì)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(yīng)進行介質(zhì)熔煉，去除硅料中的硼雜質(zhì)，其特征在于介質(zhì)熔煉結(jié)束后，采用底部水冷拉錠機構(gòu)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(zhì)聚集到頂部予以去除后，控制溫度使硅錠完全熔化后倒出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的介質(zhì)熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的裝置的方法，包括以下步驟: Cl)向石墨坩堝中加入渣劑質(zhì)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(yīng)線圈，使熔煉溫度為1600~1800°C，熔煉后將上層渣劑全部倒入到耐熱鑄鐵模具中； (2)重復(fù)上述介質(zhì)熔煉過程I~3次，每次加入的新渣劑分2~5次加入； 其特征在于介質(zhì)熔煉結(jié)束后，銜接以下步驟: (3)熔煉結(jié)束后，將最后一次的渣劑質(zhì)量的80~90%倒入耐熱鑄鐵模具中； (4)調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈，使熔煉溫度為1450~1550°C后，進行初步定向凝固，控制石墨坩堝底部的水冷拉錠機構(gòu)向下拉錠，同時上部加入補位石墨環(huán)；當(dāng)硅液占硅料的10~20%時停止拉錠，快速上升水冷拉錠機構(gòu)，使石墨坩堝恢復(fù)原位，取下補位石墨環(huán)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。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的介質(zhì)熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的方法，其特征在于步驟(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。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的介質(zhì)熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的方法，其特征在于步驟(1)和步驟(2)中的渣劑與硅料的比例為1/3~2/1。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的介質(zhì)熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的方法，其特征在于步驟(1)和(5)中加熱功率均為200~300kW。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的介質(zhì)熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的方法，其特征在于步驟(1)和步驟(2)中的每次加渣后需熔煉20~30min。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的介質(zhì)熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的方法，其特征在于步驟(4)中，設(shè)備功率為150~250kW。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的介質(zhì)熔煉與初步定向凝固銜接提純多晶硅的方法，其特征在于步驟(4)中，水冷拉錠機構(gòu)向下的拉錠速率為4~6cm/h，快速上升水冷拉錠機構(gòu)的速度為 10 ~20cm/min。
【文檔編號】C01B33/037GK103539125SQ201310492077
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月18日
【發(fā)明者】張磊, 譚毅, 侯振海, 劉瑤 申請人:青島隆盛晶硅科技有限公司