專利名稱：太陽能級多晶硅大錠的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多晶硅，尤其是涉及一種太陽能級多晶硅大錠的制備方法。
背景技術：
隨著光伏產業(yè)的發(fā)展，對太陽能級硅特別是多晶硅的需求非常大，國際上已經形成開發(fā)低成本、低能耗的太陽能級多晶硅生產的新工藝技術浪潮?，F(xiàn)有的太陽能級硅材料鑄造工藝主要有定向凝固法和澆注法兩種。在定向凝固工藝中，設備的制造、成本和溫度梯度的控制，都存在一定的難度，國內外(1、林安中，劉方武，沈華元等.10kg級太陽電池用多晶硅錠的研究.太陽能學報，1992，13(2)107～110；2、席珍強，楊德仁，陳君.鑄造多晶硅的研究進展.材料導報，2001，15(2)66～69)主要在真空爐內采用石英坩堝實現(xiàn)定向凝固，該法存在產量小、成本高和設備利用率低等缺點。從生產多晶硅硅錠的發(fā)展方向來看，硅錠傾向于鑄造大錠的方向發(fā)展，采用大錠既能降低能耗，又能提高硅錠的可利用率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的太陽能級多晶硅鑄造工藝存在的產量小、成本高和設備利用率低等缺點，提供一種可明顯降低能耗與成本，設備簡單，成品率(開錠率)高的太陽能級多晶硅大錠的制備方法。
本發(fā)明包括以下步驟1)將硅料加入到加熱爐中加熱，使硅料全部熔化成硅水；2)向加熱爐中的硅水加入太陽能硅造渣劑，除去硅料中的磷和其他金屬雜質；3)向加熱爐中的硅水通入水蒸汽，對其除硼，得到熔融精煉后的硅水；4)將熔融精煉后的硅水溫度升高到1500～1700℃；5)將保溫爐內部和石墨模具電加熱至溫度為500～1400℃后，打開保溫爐爐蓋，將硅水倒入已經加熱的石墨模具中，在石墨模具上蓋上石墨板蓋，然后蓋上保溫爐爐蓋；6)控制保溫爐內硅水溫度在1450～1600℃，并使其靜置；7)調整保溫爐內部和石墨模具四周的溫度到1400～1430℃；8)控制保溫爐內部和石墨模具四周的溫度下降，直到溫度下降到1000～1200℃，使石墨模具中硅水的固液界面由表及里逐漸向模具的中心移動，雜質逐漸向模具的中心集中；
9)讓逐漸凝固的結晶大錠在保溫爐內從1000～1200℃自然降溫，直到溫度下降到200～400℃，即可以將其從保溫爐中吊出來在空氣中自然冷卻，得目標產物太陽能級多晶硅大錠。
在步驟1)中，所述的硅料最好為1～3t，加熱爐最好為1～6臺，加熱爐可采用中頻感應爐。在步驟2)中，太陽能硅造渣劑選用硅酸鈣、硅酸鈉、碳酸鋇或硼砂等中的一種或二種，按質量比，硅水∶太陽能硅造渣劑＝100∶(2～15)。在步驟3)中，水蒸汽的流量最好在3.5～60L/min，通水蒸汽的時間為5～40min，最好為30min。在步驟4)中，將熔融精煉后的硅水的溫度最好升高到1650℃。在步驟5)中，最好將保溫爐內電加熱至溫度為1300℃。在步驟6)中，控制保溫爐內硅水溫度最好為1550℃，并使其靜置1～2h。在步驟7)中，調整保溫爐內部及石墨模具四周的溫度最好到1420℃。在步驟8)中，控制保溫爐內部及石墨模具四周的溫度的下降速度為5～50℃/h。在步驟9)中，讓逐漸凝固的結晶大錠在保溫爐內從1000～1200℃自然降溫的下降速度為50～300℃/h。
對太陽能級多晶硅大錠可進行去皮、破開、去除雜質集中的部分等精整和檢驗后得到多晶硅材料。
按此過程得到的硅錠的尺寸可達到(800mm×800mm×700mm)～(1200mm×1200mm×900mm)，其質量達到1～3t，比我國江西LDK集團生產的275Kg、德國公司生產的800Kg和日本的公司240～280Kg的硅錠都要大。同時，與現(xiàn)有的太陽能級多晶硅鑄造工藝相比，本發(fā)明所制得的硅錠成品部分無氣孔、無裂紋，晶體多為柱狀晶，只有中心少量為枝狀晶、并存在氣孔等鑄造缺陷；與同樣條件下生產的小硅錠相比，其能耗平均降低在40％以上，成本下降在50％，因此運用本發(fā)明能取得較大的經濟效益和社會效益。


圖1為本發(fā)明實施例所采用的保溫爐的主視結構示意圖。
圖2為本發(fā)明實施例所采用的保溫爐的俯視結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，保溫爐外殼1由厚度5mm的鋼板制成，內襯2依次采用三層標準耐火磚砌筑，在底層采用耐火材料填充，以使坩堝石墨模具3能夠比較平穩(wěn)地放置。在外殼1與內襯2之間設有保溫石棉板4，在中間采用硅碳棒加熱裝置加熱，加熱裝置的加熱溫度可調，溫度調節(jié)范圍在500～1400℃；中間擱置石墨模具3，以此裝硅液，石墨模具3采用高純度、高強度、高致密性的石墨板制成，構成一整體。在石墨模具3上方有一蓋板5。
以下給出制備太陽能級多晶硅大錠的一些實例。
實施例1
將礦熱爐冶煉后的金屬硅水3t倒入5臺中頻感應爐中加熱，加入太陽能硅造渣劑硅酸鈣6％，除去硅料中的磷和其他金屬雜質，再通入水蒸汽，對其除硼，水蒸汽流量為30L/min，通水蒸汽時間為26min。將經過處理后的硅水的溫度過熱到1700℃，將硅水緩慢地倒入已經加熱到1000℃的保溫爐內，將保溫爐采用全功率加熱，控制保溫爐內溫度1500℃，使硅水靜置1h，將保溫爐的溫度快速下降到1400℃，保溫爐溫度的下降速度為7℃/h，直到保溫爐內溫度下降至1080℃。再將保溫爐溫度下降直到300℃，溫度下降速度為100℃/h，最后讓其在空氣中自然冷卻，獲得質量為2.3t的多晶硅大錠。
實施例2將硅料1.9t加入到4臺中頻感應爐中，直接采用全功率加熱，使硅料全部熔化，硅料熔化后先加入太陽能硅造渣劑碳酸鋇10％，除去硅料中的磷和其他金屬雜質，再通入水蒸汽，對其除硼，水蒸汽流量為27L/min，通水蒸汽時間為25min。將經過后的硅水的溫度過熱到1600℃，將硅水緩慢地倒入已經加熱到1250℃的保溫爐內，將保溫爐采用全功率加熱，控制保溫爐內溫度1600℃，使硅水靜置2h，將保溫爐的溫度快速下降到1420℃，將保溫爐的溫度繼續(xù)下降，溫度的下降速度為11℃/h，直到保溫爐內溫度下降至1150℃。再將保溫爐溫度繼續(xù)下降，直到保溫爐溫度下降到280℃，溫度下降速度為200℃/h，最后讓其快速自然冷卻，獲得質量為1.5t的多晶硅大錠。
實施例3將硅料1.5t加入到3臺中頻感應爐中，直接采用全功率加熱，使硅料全部熔化，硅料熔化后先加入太陽能硅造渣劑碳酸鋇4％、硅酸鈉4％，除去硅料中的磷和其他金屬雜質，再通入水蒸汽，對其除硼，水蒸汽流量為15L/min，通水蒸汽時間為40min。將經過后的硅水的溫度過熱到1500℃，將硅水緩慢地倒入已經加熱到1400℃的保溫爐內，將保溫爐采用全功率加熱，控制保溫爐內溫度1400℃，使硅水靜置1h，將保溫爐的溫度快速下降到1430℃，將保溫爐的溫度繼續(xù)下降，溫度的下降速度為40℃/h，直到保溫爐內溫度下降至1000℃。再將保溫爐溫度繼續(xù)下降，直到保溫爐溫度下降到200℃，溫度下降速度為300℃/h，最后讓其快速自然冷卻，獲得質量為1.2t的多晶硅大錠。
實施例4將礦熱爐冶煉后的金屬硅水2t倒入1臺中頻感應爐中加熱，加入太陽能硅造渣劑硼砂15％，除去硅料中的磷和其他金屬雜質，再通入水蒸汽，對其除硼，水蒸汽流量為3.5L/min，通水蒸汽時間為5min。將經過處理后的硅水的溫度過熱到1650℃，將硅水緩慢地倒入已經加熱到1350℃的保溫爐內，將保溫爐采用全功率加熱，控制保溫爐內溫度1550℃，使硅水靜置1.2h，將保溫爐的溫度快速下降到1410℃，保溫爐溫度的下降速度為30℃/h，直到保溫爐內溫度下降至1000℃。再將保溫爐溫度下降直到300℃，溫度下降速度為150℃/h，最后讓其在空氣中自然冷卻，即獲得1.5t多晶硅大錠。
實施例5將硅料1.4t加入到2臺中頻感應爐中，直接采用全功率加熱，使硅料全部熔化，硅料熔化后先加入太陽能硅造渣劑硼砂3％、硅酸鈣5％，除去硅料中的磷和其他金屬雜質，再通入水蒸汽，對其除硼，水蒸汽流量為60L/min，通水蒸汽時間為20min。將經過后的硅水的溫度過熱到1550℃，將硅水緩慢地倒入已經加熱到1400℃的保溫爐內，將保溫爐采用全功率加熱，控制保溫爐內溫度1480℃，使硅水靜置1.3h，將保溫爐的溫度快速下降到1425℃，將保溫爐的溫度繼續(xù)下降，溫度的下降速度為50℃/h，直到保溫爐內溫度下降至1180℃。再將保溫爐溫度繼續(xù)下降，直到保溫爐溫度下降到280℃，溫度下降速度為50℃/h，最后讓其在空氣中自然冷卻，即獲得1.15t多晶硅大錠。
實施例6將礦熱爐冶煉后的金屬硅水2.8t倒入6臺中頻感應爐中加熱；加入太陽能硅造渣劑硅酸鈣2％，除去硅料中的磷和其他金屬雜質，再通入水蒸汽，對其除硼，水蒸汽流量為40L/min，通水蒸汽時間為30min。將經過處理后的硅水的溫度過熱到1650℃，將硅水緩慢地倒入已經加熱到1200℃的保溫爐內，將保溫爐采用全功率加熱，控制保溫爐內溫度1500℃，使硅水靜置1h，將保溫爐的溫度快速下降到1400℃，保溫爐溫度的下降速度為7℃/h，直到保溫爐內溫度下降至1080℃。再將保溫爐溫度下降直到300℃，溫度下降速度為100℃/h，最后讓其在空氣中自然冷卻，獲得質量為2.2t的多晶硅大錠。
實施例7將礦熱爐冶煉后的金屬硅水1.5t倒入1臺中頻感應爐中加熱，加入太陽能硅造渣劑硼砂5％，除去硅料中的磷和其他金屬雜質，再通入水蒸汽，對其除硼，水蒸汽流量為3.5L/min，通水蒸汽時間為5min。將經過處理后的硅水的溫度過熱到1650℃，將硅水緩慢地倒入已經加熱到500℃的保溫爐內，將保溫爐采用全功率加熱，控制保溫爐內溫度1550℃，使硅水靜置1.2h，將保溫爐的溫度快速下降到1410℃，保溫爐溫度的下降速度為5℃/h，直到保溫爐內溫度下降至1200℃。再將保溫爐溫度下降直到400℃，溫度下降速度為150℃/h，最后讓其在空氣中自然冷卻，即獲得1.2t多晶硅大錠。
權利要求
1.太陽能級多晶硅大錠的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將硅料加入到加熱爐中加熱，使硅料全部熔化成硅水；2)向加熱爐中的硅水加入太陽能硅造渣劑，除去硅料中的磷和其他金屬雜質；3)向加熱爐中的硅水通入水蒸汽，對其除硼，得到熔融精煉后的硅水；4)將熔融精煉后的硅水溫度升高到1500～1700℃；5)將保溫爐內部和石墨模具電加熱至溫度為500～1400℃后，打開保溫爐爐蓋，將硅水倒入已經加熱的石墨模具中，在石墨模具上蓋上石墨板蓋，然后蓋上保溫爐爐蓋；6)控制保溫爐內硅水溫度在1450～1600℃，并使其靜置；7)調整保溫爐內部和石墨模具四周的溫度到1400～1430℃；8)控制保溫爐內部和石墨模具四周的溫度下降，直到溫度下降到1000～1200℃，使石墨模具中硅水的固液界面由表及里逐漸向模具的中心移動，雜質逐漸向模具的中心集中；9)讓逐漸凝固的結晶大錠在保溫爐內從1000～1200℃自然降溫，直到溫度下降到200～400℃，即可以將其從保溫爐中吊出來在空氣中自然冷卻，得目標產物太陽能級多晶硅大錠。
2.如權利要求1所述的太陽能級多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述的加熱爐為1～6臺，加熱爐為中頻感應爐。
3.如權利要求1所述的太陽能級多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟2)中，太陽能硅造渣劑選自硅酸鈣、硅酸鈉、碳酸鋇或硼砂中的一種或二種。
4.如權利要求1或3所述的太陽能級多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟2)中，按質量比，硅水∶太陽能硅造渣劑＝100∶2～15。
5.如權利要求1所述的太陽能級多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟3)中，水蒸汽的流量在3.5～60L/min，通水蒸汽的時間為5～40min。
6.如權利要求1所述的太陽能級多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟4)中，將熔融精煉后的硅水的溫度升高到1650℃。
7.如權利要求1所述的太陽能級多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟6)中，控制保溫爐內硅水溫度為1550℃，并使其靜置1～2h。
8.如權利要求1所述的太陽能級多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟7)中，調整保溫爐內部及石墨模具四周的溫度到1420℃。
9.如權利要求1所述的太陽能級多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟8)中，控制保溫爐內部及石墨模具四周的溫度的下降速度為5～50℃/h。
10.如權利要求1所述的太陽能級多晶硅大錠的制備方法，其特征在于在步驟9)中，讓逐漸凝固的結晶大錠在保溫爐內從1000～1200℃自然降溫的下降速度為50～300℃/h。
全文摘要
太陽能級多晶硅大錠的制備方法，涉及一種多晶硅。提供一種可明顯降低能耗與成本，設備簡單，成品率高的太陽能級多晶硅大錠的制備方法。將硅料加熱熔化成硅水，加入太陽能硅造渣劑，除去雜質；向硅水通水蒸汽除硼，升溫到1500～1700℃；將保溫爐內部和石墨模具電加熱至溫度為500～1400℃后，硅水倒入石墨模具中，控制保溫爐內硅水溫度在1450～1600℃，調整保溫爐內部和石墨模具四周的溫度到1400～1430℃，再下降到1000～1200℃，使石墨模具中硅水的固液界面由表及里逐漸向模具的中心移動，雜質逐漸向模具的中心集中；讓保溫爐內從1000～1200℃自然降溫到200～400℃，自然冷卻即可。
文檔編號C30B28/00GK101092741SQ200710009238
公開日2007年12月26日 申請日期2007年7月17日 優(yōu)先權日2007年7月17日
發(fā)明者蘇智毅, 洪永強, 楊繼榮 申請人:佳科太陽能硅(廈門)有限公司