[发明专利]一种制取太阳能级硅的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于硅的纯化的技术领域，特别涉及到一种用锌蒸气还原四氯化硅以制取太阳能级硅的方法和装置。 

背景技术

太阳能级硅系指杂质总含量低于1ppmw，纯度达到6N(即99.9999wt％)的高纯硅，用它制作太阳能电池时，可确保达到所需要的光电转换效率；而且在长期使用过程中不会发生明显的衰减。 

多年以来，世界各大公司生产太阳能级硅的方法主要是西门子法，即化学气相沉积(CVD)法。这一方法的工艺流程是：第一步用盐酸或氯气同工业硅反应生成三氯氢硅或四氯化硅；第二步用蒸馏法提纯三氯氢硅或四氯化硅；第三步在还原室内用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅得到高纯硅。对于我国来说，主要的问题就出在第三步还原反应上，一是收得率仅仅在20％左右；二是未完全反应剩余的剧毒三氯氢硅、四氯化硅和易燃、易爆的氢气不易分离和处理。目前，我国新建的多家大型多晶硅厂都因为未能掌握西门子法的核心技术，其结果是环境污染严重而被迫停产，劳民伤财，却得不到预期的效益。近年来，由于世界能源危机的推动，各国对光伏产业均日益重视，从而使得太阳能级硅的需求量激增，价格急剧攀升，并且一直居高不下。在这种形势下，寻找更为适合我国光伏产业发展的制取太阳能级硅的新方法就显得极为重要！ 

美国专利US4,188,368公开过以钠还原四氯化硅制备高纯硅的方法；德国专利DE3310828则用铝还原四氯化硅制取高纯硅；美国专利US2,773,745；US2,804,377；UA2,909,41和US3,041,145均公开过用锌蒸气直接还原四氯化硅在流化床反应器中形成高纯硅的方法；而中国专利申请案CN1962434A和CN101186299A也公开过两种同样都用锌蒸气还原四氯化硅制取高纯硅的方法，只不过前者采用等离子体反应室；后者采用流化床。看来，采用锌或其它比氢更为活泼的金属元素来替代氢还原四氯化硅制备高纯硅，可以比西门子法要简便易行一些，而且投资少、成本也低，这一点已经成为共识。尽管如此，但存在的问题还有很多，譬如说：一.工艺流程怎样配置更为合理？二.采用何种结构形式的装置？三.选取什么样的工艺参数如温度、压力？事实上，这些方面都还有许多深入、细致的研究工作需要进行。 

发明内容

本发明人从理论和实验两方面深入地研究了制取太阳能级硅的方法，采用锌蒸气作还原剂，得出了最佳的技术参数，并在此基础上提出了一整套节能、减排的锌还原制取太阳能级硅的装置，通过实验验证已取得了极佳的技术效果。 

本发明的制取太阳能级硅的方法，包括工业硅氯化步骤、四氯化硅蒸馏纯化步骤、四氯化硅还原步骤、四氯化硅还原后尾气分离步骤，其特征在于： 

(1)四氯化硅蒸馏纯化步骤由两级以上的蒸馏塔来完成，第一级的蒸馏温度为15～25℃；第二级以后的蒸馏温度为60～70℃； 

(2)另加有由工作温度为350℃、800℃和950～1000℃的三个部分构成的锌蒸气纯化步骤； 

(3)在四氯化硅还原步骤中采用锌蒸气作还原剂，其还原步骤在工作温度为950～1000℃流化床中进行； 

(4)四氯化硅还原后尾气分离步骤由两级冷凝分离器来完成，第一级冷凝分离器工作温度为650～700℃，分离出四氯化硅；第二级冷凝分离器工作温度为350～400℃，分离出锌和氯化锌； 

(5)另加有四氯化硅循环步骤，它由前、后两段加热系统来完成，其前段工作温度为650～700℃；后段工作温度为950～1000℃。 

由于本发明所采用的工业四氯化硅中必然会含有少量的其它杂质元素的氯化物，其物理性质如表1所示： 

表1