[发明专利]一种太阳能级多晶硅的制备方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及太阳能级多晶硅的制备技术。

背景技术

多晶硅是制造太阳能电池的基础材料，以前没有专门的太阳能级多晶硅生产线，太阳能 电池用硅是采用半导体工业生产废弃的头尾料、次品料及坩埚残料，这些废料纯度7N以上， 可以满足用于制造太阳电池。但数量很少，只能满足少量电子产品的需要。进入21世纪以来， 随着光伏产业的迅速崛起，对太阳能级多晶硅的需求呈级数增长。太阳能电池市场急需能够 大规模生产太阳能级硅的工艺技术。

目前，国内外太阳能级多晶硅生产方法多是采用西门子法，虽然它在投资、成本、环保等 方面存在诸多问题。但还没有一个能够完全替代西门子法的技术来满足目前光伏产业对太阳 能级多晶硅的需求。到目前为止，中国在建和已建西门子法项目数量近50家，规模达到25 万吨，实现产能达15万吨。国外一些西门子法多晶硅生产厂也在扩大生产规模。西门子法 生产多晶硅转化率较低，生产1吨多晶硅要产生至少6吨四氯化硅废弃物，有的工厂达10-12 吨。如何解决四氯化硅的污染问题已成为西门子法的技术难题。有的把四氯化硅水解转化为 白炭黑，有的把它做成水晶材料，有的在系统中增加氢化装置，力图将其转化为三氯氢硅。

寻找新的适合于生产太阳能级多晶硅的生产方法已成为必然趋势，其中以金属钠或锌为 还原剂还原四氯化硅生产多晶硅方法就是其中一种。20世纪50年代美国杜邦公司对锌还原 四氯化硅方法生产多晶硅进行了开发研究，由于这种方法满足不了半导体工业对多晶硅的质 量要求而搁置。

中国专利CN1962434、CN101311346和CN1962434也公开了一种锌还原四氯化硅制备多 晶硅的方法，其反应原理为：

SiCl₄+2Zn→Si+2ZnCl₂

其中，专利CN1962434还原剂为电解锌，纯度≥99.999％。以上专利均是以气相反应进行 的，即锌金属气体与四氯化硅气体在1000-1500℃高温下还原得到多晶硅的方法。每生产1吨 多晶硅需要4.7吨金属锌，而且要求锌的纯度大于7N，才能满足还原出来的多晶硅大于6N的 目的。生产过程产生的氯化锌作为副产物销售，每生产1吨多晶硅将产出9.7吨氯化锌，同时 需要不断补充新的电解锌来作为还原剂。专利CN101311346到得的氯化锌纯度在99.9％或更高 纯度，反应物废气中金属锌和硅经过氯气氯化处理，这样势必增加多晶硅和锌的损失。该类 方法均是气—气反应，存在着反应物质量比难控制、能耗高、工艺复杂以及设备腐蚀严重等 问题。

发明内容

针对以上现有的技术问题，本发明提供一种太阳能级多晶硅的制备方法及装置，达到简 化工艺、降低能耗的目的。

本发明提出了一种以金属锌为还原剂、四氯化硅为原料，进行气-液还原反应生产太阳能 多晶硅的新工艺，该方法可以西门子法生产的废弃物四氯化硅为原料，也可采用冶金级四氯 化硅为原料，因此本工艺解决了西门子法生产太阳能多晶硅的四氯化硅排放问题，同时该工 艺是在较低的温度下进行的气液反应，因此具有生产成本低、工艺简单等优点。

本发明的工艺流程如图1所示。将四氯化硅废料(或冶金级四氯化硅)蒸馏提纯达到7N 级，将电解得到的金属锌蒸馏提纯到7N级。将还原剂储备室和反应室温度控制为650～900 ℃。将加热熔化的液态锌，经还原剂液体入口加入到还原剂储备室的还原剂储罐中，液态锌 受重力作用进入反应喷嘴，7N级四氯化硅气体由SiCl₄进气管喷入反应喷嘴，液态锌和7N 级四氯化硅气体在650～900℃温度下发生气液还原反应，如下式：

SiCl₄(g)+2Zn(l)→Si(s)+2ZnCl₂(g)

为防止还原剂遇到SiCl₄冷气吸热凝固，SiCl₄在SiCl₄准备系统被加热到反应温度650～ 900℃。